力学与实践杂志

力学与实践杂志2025年第4期

• 直面AI挑战−“101计划”下的材料力学教学研究

  殷雅俊,

  以力学“101计划”为背景，直面AI时代材料力学教学面临的挑战，致力于探讨如下问题： AI时代，什么样的教师不可替代？什么样的学生不可替代？材料力学的教学，如何迎接AI挑战？如何养成学生的创造性思维？文章提出了“直面AI挑战的材料力学教学观”，即“材料力学知识的创造过程（概念和思想从萌芽到发展成熟），与材料力学知识的最终形态同等重要”。基于这样的教学观，介绍了以“材料力学概念的抽象过程”和“材料力学思想的演化过程”为核心的教学模式，分析了激发学生创造力的潜在路径。

• 数智赋能，项目牵引，培育“力学+”创新人才——力学“101计划”虚拟仿真综合训练课程的探索与实践

  罗明强, 陈玉丽, 崔志扬, 宋磊, 向锦武,

  北京航空航天大学基于力学“101计划”，构建“数智赋能—项目牵引—思政融入”三位一体的“力学+”创新人才培养体系。通过虚拟仿真实验平台，实现力学理论与工程实践深度融合；以“共研一架飞机”项目打破学科壁垒，搭建跨领域协同创新平台，强化学生系统思维与工程创新能力；同时将思政教育嵌入专业实践，形成双螺旋育人模式，深化空天报国情怀。该改革创新推动了力学人才教育数字化改革，显著提升了学生跨学科协作、工程实践及创新思维能力，为高端装备研发人才培养提供了新路径。

• 辨识和提炼无量纲内禀控制参数

  余同希,

  通过几个典型示例来展现工程塑性力学和结构冲击动力学的一些问题中可能存在关键的无量纲内禀参数团组，它们控制着结构的响应模式和变形特征。因此，如果能够在无量纲化和理论建模的过程中有意识地找寻、辨识和提炼出这些无量纲内禀参数团组，那么对于理解和预测结构在极端条件下的力学行为，以及对于在设计初期选取材料、构型和主要几何参数，都具有极大的意义。

• 天然气掺氢对X52M管材和焊缝力学性能指标影响研究

  徐猛, 孙晨, 曲士民, 郑伟, 李鑫, 于文涛, 刘伟,

  在总压6.3 MPa，30%掺氢环境，对X52M母材和环焊缝开展慢应变速率拉伸、断裂韧性和气相氢渗透测试，分析试验钢在掺氢环境的性能退化情况。结果表明，在总压6.3 MPa掺氢比30%环境下，试验钢母材和环焊缝的各项力学性能较空气环境均有所降低；通过分析不同力学性能指标对氢的敏感程度，建议采用缺口抗拉强度损失和韧性区面积占比，结合断裂韧性特征值，评价管材在掺氢环境的适用性。

• 中低压管输掺氢天然气热物理特性变化规律

  曲士民, 张玥, 杨飞, 鲁仰辉, 许未晴, 贾冠伟,

  氢气注入天然气管道输送改变了原有天然气的热物理特性。分析了低压管道（0～1.6 MPa）和中压管道（1.6～10 MPa）中压力、温度（283.15～323.15 K）和掺氢体积比（0～30%）变化对掺氢天然气热物理特性的影响。掺氢体积比增大，掺氢天然气的焦耳-汤姆逊系数、热值、沃泊指数、黏度减小，压缩因子增大。压力升高，掺氢天然气的热值和沃泊指数增大。黏度随着温度的升高减小，而压缩因子会随着温度升高增大。研究结果可为掺氢天然气工程提供数据上的参考和指导。

• 基于SPH方法的复杂地表输油管道泄漏扩散规律研究

  常维纯,

  输油管道沿途由于气候条件复杂且地质灾害频发，存在泄漏和破损的风险。管道泄漏事故中的油品泄漏往往会对沿线环境造成严重污染。因此，快速评估泄漏油品的影响范围，对于减少泄漏事故的损失具有重要意义。然而，目前对泄漏油品在实际地理环境中流动扩散过程的模拟缺乏快速通用的算法。本文针对泄漏油品在地表流动扩散范围的预测，利用光滑粒子流体动力学算法（smoothed particle hydrodynamics, SPH），构建了一种基于真实地形数据的管道泄漏原油影响范围快速预测算法，并通过该算法在不同工况下进行模拟并定性，以及定量分析其泄漏扩散情况，为应急抢险提供理论支持。

• 北京落塔落舱质心快速测量与调整方法研究

  范志杰, 王俊表, 陈来夫, 李凯, 罗子人, 赵建福,

  落塔是地基模拟空间微重力环境的重要实验设施。落舱在落塔内的自由落体运动过程中，其姿态稳定性与落舱质心位置有极大的关联。保证落舱质心与其结构中心线的重合，是维持落舱理想下落姿态的关键，进而保障落舱回收安全性并抑制落舱释放及随后的飞行姿态变化对落舱内微重力环境的扰动。北京落塔目前采用基于单丝悬吊旋转测距法实现落舱质心调整，存在操作难度高、耗时长、流程复杂等缺陷。为提高质心调整效率，提出了一种落舱基准面标定与落舱质心快速调整的新方法。实际操作结果表明新方法显著简化了落舱质心调整流程，缩短了实验准备时间，提高了落塔实验的效率。

• 高低温环境对剪切硬化胶改性乙烯-醋酸乙烯酯泡沫的防护性能影响

  闫维佳, 杨昊玮, 康越, 杨喆, 王俊龙, 魏延鹏,

  乙烯-醋酸乙烯酯泡沫（ethylene-vinyl acetate foam，EVA）广泛应用于防弹衣缓冲层、护膝护肘中作为缓冲材料。文章利用剪切硬化胶（shear stiffening gel，SSG）对EVA进行改性，得到了具备更高冲击防护性能的EVA/SSG复合缓冲泡沫。为研究高低温环境对EVA/SSG泡沫材料缓冲性能的影响，利用动态热机械分析、万能压缩机对EVA/SSG泡沫在–50℃~50℃下的力学性能进行了研究，得到了EVA/SSG材料的损耗模量、储能模量、屈服强度随温度变化的规律；同时借助落球试验平台系统研究了高低温环境（–50℃~50℃）对EVA/SSG泡沫材料冲击防护性能的影响。通过分析落球冲击试验结果与材料的力学性能测试结果，系统总结了高低温环境对EVA/SSG复合泡沫材料防护性能的影响规律。

• 低韦伯数下电场强度对液滴撞击固体表面影响的实验研究

  葛雨辰, 闾荔, 钱丽娟,

  液滴在电场作用下撞击固体表面这一物理现象在静电喷涂、微流控、高压输电线结冰等领域得到了广泛应用。本文通过可视化实验研究了液滴在外加电场下撞击壁面的运动过程及形态变化，尤其是回缩、拉伸及喷射阶段，同时考虑了电场强度、低韦伯数和表面润湿性对液滴动态行为的影响。结果表明：当撞击速度一定时，由于惯性力、重力、表面张力、静电力和黏滞耗散的共同作用，液滴撞击壁面的行为会随着场强的增大展现出3种不同的模态；电场强度的变化对液滴铺展系数无明显影响，但会显著促进液滴拉伸系数的增加；进一步得到了低韦伯数、电毛细数与模态之间的阈值关系；在强电场条件下，液滴的喷射现象导致液量损失，且随着壁面润湿性的改变，液滴残留的液量和达到喷射状态的时间均展现出差异性。本文结果可为电场调控液滴动力学行为提供理论依据，并对优化静电喷涂精度、开发新型微流控芯片具有参考价值。

• 强扰动底煤回收工作面巷道布置及其支护方式研究

  丁国利, 段玉清, 赵乾, 韩刚, 马平, 张帝,

  为了解决下沟矿强扰动遗留底煤回收的巷道布置及其支护方式的设计难题，通过理论分析、数值模拟的方式研究了上分层采后下分层巷道布置合理错距、不同错距下巷道的应力分布规律，最终确定了合理外错距，并基于下沟矿404采区的实际工况，提出了相应的巷道支护方案，最终通过数值模拟和现场实测的方法对巷道布置及其支护方式进行了验证。结果表明：在上分层强扰动影响下，底煤回收的巷道布置方式宜采取外错布置的方式且合理外错距为6 m。此时，巷道在扰动影响下围岩应力波动、应力分布非均匀程度和变形均匀程度均满足生产需要，说明外错6 m布置及其巷道支护方式较合理，对类似工程条件下巷道布置及支护有借鉴意义。

• 长跑项目编队气动减阻效应研究

  陈瑶, 孙全兵, 武金模, 周帆, 朱玉成, 汪晟,

  在竞速体育比赛中，采用编队策略来减小空气阻力从而获得更好的成绩是一种很常见的方法。使用计算流体力学方法模拟了单人跑步以及2名、3名和4名运动员的不同编队的流场，获取单人跑步以及不同编队中各运动员的气动阻力。与单人跑步情况相比，2名、3名和4名运动员编队的减阻率最高分别能达到50.41%，57.27%和63.10%。在编队中，处于领跑者尾迹区中的运动员，其迎风面的气流速度较小，压力较低，从而阻力减小。前排只有1名领跑运动员时，其阻力会略有减小；而当前排有2名或者3名运动员并排领跑时，他们对气流的阻滞作用增大，导致迎风面的压力和阻力增大。通过对不同编队各运动员气动阻力的研究，为制定竞技策略提供建议，从而有助于提升竞技成绩。

• 面向力学创新人才培养的理论力学教学改革实践——介绍李俊峰教授的新教材

  张梦樱,

  本文介绍了由李俊峰教授领衔编著、高等教育出版社出版的力学领域基础“101计划”首部核心教材——《理论力学教程》。首先阐明该教材的定位；其次对其以牛顿力学和分析力学为双主线的结构加以说明；然后分析了教材的三大创新特色；最后，结合作者团队的教学实践，对教材可能的使用方法提供了一些建议。

• “能量法求位移”教与学的思考 材料力学教学札记

  王垠, 马凯, 刘志强,

  “能量法求位移”是材料力学课程体系中独具特色的一章。在教学中，未涉及对偶变量（及空间）、外力势能、虚应力原理3个概念的出现，及未见有材料力学教材将虚位移原理置为第一性原理的位置予以应用，未能清晰体现内容上的关系。鉴于此，本文总结讨论了卡氏定理、余能定理、功与位移互等定理、虚位移原理、单位载荷法、图乘法及力法正则方程之间的逻辑关系，清晰化了各部分内容之间的递进层次，并给出了知识体系框架。

• 以“边界层理论”教学为例浅谈科学研究的八要素分析法

  潘翀, 郭佳鑫,

  以本科空气动力学课程中“边界层理论”章节的教学内容为例，将研究自然科学的一般性过程归纳为八要素，即8个“tion”，分别是：conception（概念）、assumption（假设）、formulation（建模）、reduction（简化）、solution（求解）、validation（验证）、generalization（泛化）以及application（应用）。教师在讲授一个自然科学的理论时可以使用八要素作为分析框架，引导学生关注科学理论背后的逻辑思考，以及这一科学理论的历史发展脉络。学生掌握科学研究的八要素分析法，有助于以研究者的视角切入科学理论，并建立从事科学研究的基本思维框架。

• 关于轨道摄动概念的一个佯谬与教学思考

  王悦, 韩潮,

  轨道摄动理论用来处理受摄二体问题的轨道预报和演化分析，以及轨道修正等控制策略设计，是轨道力学课程的核心知识点。笔者在科研工作中曾想到一个关于轨道摄动概念的佯谬，经分析进行了合理解释。该佯谬涉及轨道要素的定义，及其与位置速度矢量的转换。笔者将该佯谬引入到课程教学中，引导学生进行独特角度的思考，增强了他们对基础概念的透彻掌握，锻炼了他们的独立思考能力，提高了课程的高阶性和挑战度，取得很好的教学效果。

• 材料力学中几处概念的辨析

  王奇志,

  在材料力学教学中需要注重概念论述的准确性。本文针对材料力学教学中的几个概念进行了讨论。目前对于横截面上内力分量的描述以及扭转变形的描述都只适用于横截面有两个或两个以上对称轴的情况，本文提出了更准确的描述。强调梁的位移与变形概念的区别，提出梁的整体变形由挠曲轴方程中的积分项（第一项）描述。在压弯组合变形与压杆稳定分析中，对于轴向力在弯曲变形情况下产生的附加弯矩的不同处理方式，体现了两个知识点之间的内在联系与力学建模思想的灵活运用。

• 位移法计算简支梁任意截面的位移

  魏鹏云, 李勇, 李林,

  为了更加便捷地求解简支梁任意截面的位移。借用位移法的求解思想，将简支梁从待求位移的截面处截开后转化成两个一端固定、一端简支的超静定梁，再利用弯矩相等和剪力相等的关系给出了建立关于待求截面角位移和线位移的二元一次方程组的3种做法。算例表明，利用位移法求解简支梁任意截面的位移比其他方法更加便捷，尤其是载荷种类和分布复杂时位移法的优势更加明显。

• 材料力学课程知识图谱的构建及应用研究

  张彤, 刘华, 赵子龙, 赵婧,

  由于大学课程知识图谱研究较少，本文基于半自动化构建方法，提出材料力学课程知识图谱框架。该框架包括4个主要层次：课程层、知识层、知识点层和知识元层。课程层设定总体概念和目标，知识层系统化课程内容，知识点层阐明各主题的核心概念，知识元层深入具体的微观知识单元。通过将混合式教学模式与课程知识图谱结合，不仅能提升教师教学效率，还能培养学生的自主学习和解决复杂工程问题的能力，为新工科教育提供新的教学启发。

• 非对称楔形重力坝受重力和液体压力的弹性力学解

  袁学波, 袁江宏, 江晓禹, 李翔宇,

  弹性力学教材给出了楔形重力坝的应力场理论解，但假定坝体受液压边界与重力方向平行且下端无限延伸，这与实际工程重力坝不符。本文针对更加贴近实际工程的非对称楔形重力坝，采用叠加原理和半逆解法推导了应力场的理论解，并与有限元分析结果进行了对比。理论解与有限元数值结果在远离坝底区域吻合，说明了理论解的准确性。本文研究结果不仅对重力坝的工程设计具有一定的指导意义，还为弹性力学提供了具体的教学实践。

• 争论式教学支架在工程力学课程中的应用与探索

  廖宝鹏, 韦慧心, 吴萍, 方棋洪, 何巍,

  新形势下，高阶思维作为人才培养的重要组成部分，是学生终身发展和适应社会动态需求的关键所在。然而，传统课堂教学模式往往缺乏深层次互动，限制学生高阶思维的培养。本文通过在工程力学课程中引入争论式教学方法，搭建适用于该课程的教学支架，探索提升学生课堂参与度与思维深度的教学策略和学习路径。该教学支架包括精心设计的问题框架、讨论规则、引导策略和教学案例，旨在激发学生与学生、学生与老师之间的激烈争论，促使学生从被动接受转向主动探索，实现知识的深度加工与内化。

• 开放型多层级力学综合实验平台的开发与应用

  谢锐, 谢占魁, 尤文斌, 李艳辉,

  “新工科”人才的培养需要紧密结合工程问题，以培养创新思维和实践能力为核心目标。力学综合实验平台的开发与应用体现了多维的力学实验内涵，实现了多层的力学实验项目，满足基础性、综合性、设计性、研究性和探索性实践教学的需求。力学综合实验平台已在多所高校推广应用。实践证明，通过在平台进行自主实践，不仅加强了学生的实验技能、知识应用能力，同时通过实验过程中的深入思考与分析，使学生树立了工程意识，提升了研究能力，掌握了科学方法，最终促进了基础力学实验教学模式的转型。

• 关于陀螺触地反转的力学解释

  刘延柱,

  直立旋转的陀螺因转速衰减导致失稳而倾倒触地时，在停转以前会短暂出现反向转动的异常现象。本文解释产生此现象的力学原理，表明触地产生的斜碰撞是出现陀螺触地反转的根本原因。讨论因不同碰撞冲量导致触地后可能出现的运动性态。

• 谈谈流体的阻力

  杨秀峰,

  流体阻力是流体力学中非常重要的一个基本概念。在现有的流体力学教材中，对流体阻力的介绍相对较少。针对流体阻力问题，分别从牛顿力学和流体力学的角度介绍了流体阻力产生的原因以及它们之间的区别，并介绍了柔性结构的流体阻力。通过这些扩展性介绍，可以让学生对流体阻力问题有更全面的认识和更深刻的理解，也可以提高学生对流体力学的兴趣。

• 力学史与一般力学类课程教学

  陈立群,

  本文研究力学史融入一般力学类专业课程（理论力学、振动力学、高等动力学）教学。结合教学内容，以杰出力学家贡献为主线概述矢量静力学、矢量动力学、分析力学、稳定性理论基础和振动理论的发展。力学史引入课程教学可帮助学生了解学科发展过程、加强具体知识点理解和涵养专业兴趣。

• 力学专业课程思政体系化建设探索与实践

  霍艳艳, 倪向贵,

  针对力学专业课程思政建设存在的缺乏顶层设计以及思政内容碎片化、表面化、重复化等问题，开展了力学专业课程思政体系化建设实践探索。通过一体化建设课程与思政内容、突出课程自身特色和建设教学团队等重要举措，持续深化课程思政改革，提高育人成效，为力学学科专业教育与思政教育的有机结合提供一条可探索的途径。

• 地方高校基础力学实验教学“问题导向”的科学方法论实践

  曲淑英,

  在知识经济时代，高等教育的教学内容、形态与方法持续更新迭代。针对当前基础力学教学中的难点，烟台大学工程力学实验教学中心将问题导向方法论融入实践，系统开展实验教学改革。此举不仅增强了课程吸引力，有效引导学生主动探究，提升了教学效果，更显著提高了学生的创新与实践能力。

• 大学力学基础课程压缩学时如何确保教学质量的几点思考

  缪馥星,

  大学力学基础课程学时压缩现象普遍，给学生的学和教师的教都带来了挑战。本文就其成因，以及压缩学时对课堂教学质量的影响进行了浅析；并结合“数字化+”载体下，人工智能的冲击和2005后大学生的特点，探讨在教学内容、教学方案和设计、教学方法和技能等方面综合考量下的课堂教学，就如何确保教学质量提出了几点教学思考。