力学与实践杂志

力学与实践杂志2025年第5期

• “弹”建模进阶，“力”与时偕行 力学领域“101计划”弹性力学教材建设

  王建祥, 黄克服, 陈伟球, 陈玉丽, 王杰,

  本文介绍了力学领域“101计划”弹性力学教材的定位、结构和内容。教材试图体现弹性力学作为固体力学理论基础、严格分析科学范式、解决问题高阶思维、前沿创新广阔疆域的特质，以及培养学生扎实基础、科学思维、工程能力的教学目标。围绕上述特质和目标，教材构建了“基础-进阶-前沿”3层次知识体系，基础篇夯实学科数理根基，进阶篇彰显学科之实，前沿篇融入新兴领域。期望这种设计既传承学科精髓，又面向科技前沿，为培养具有科学创新和解决工程问题能力的高素质力学人才提供持续的理论支撑。

• 让学生“心中有梦、脚下有路、眼中有光”的力学通识教育——以浙江大学力学导论课程为例

  赵沛,

  根据力学领域“101计划”的总体要求，以浙江大学为例，深入探讨其在力学导论通识课程中的创新与实践。通过分析该课程所处的教育教学背景，详细阐述课程在目标定位、思政教育融入、专业知识科普、科技与人文教育协同等方面的具体举措与成效，展示其如何助力大学新生实现“心中有梦、脚下有路、眼中有光”的系统规划，希望为力学类专业的通识教育改革提供有益的参考范例。

• 台风极值风速预测研究综述

  逯智科, 徐万海, 王玮, 李昕, 张辛睿, 周丽丹,

  准确预测台风的极值风速对于灾害防控和工程抗风设计至关重要。本文综述了台风极值风速预测的研究进展，重点分析了台风路径模型、风场模型及极值理论分布的适用性与局限性。研究表明：直线路径模型计算高效，适用于区域快速评估，而全路径模型精度更高但计算复杂；Yan Meng风场模型具有解析解优势，但最大风速半径与气压剖面参数的经验公式仍存在匹配性和区域适用性问题；不同国家采用的极值分布类型存在显著差异。未来研究应着重优化模型区域适配性，考虑关键参数相关性，进一步提高极值风速的预测精度，为台风灾害防控和工程防灾设计提供更坚实的科学支撑。

• 费曼错了吗？——意大利面折断实验再研究

  李锦泽, 杨彪, 宋加雷,

  意大利面是人们日常的美食，美味又劲道。当我们用双手分别捏住干意面的两端并向中间用力弯折时，意面通常会断裂为3段、4段、5段甚至更多段，而很少断成两段。为了搞清楚为什么意面总是断成好几段，而不只是两段，诺贝尔物理学奖获得者、美国物理学家理查德·费曼曾经花一晚上时间在厨房掰干意面来研究，也没有给出合理的解释。干意面的断裂过程是在瞬间完成的，只有0.2～0.5 ms，断裂过程很难用肉眼看清并进行定量分析。本文设计了一款折断干意面的装置，并在高速相机的帮助下，研究干意面在不同给定参数下断裂的统计行为，并捕捉其断裂的细节过程。干意面的多节断裂并不是同时发生的，而是先在一个点处断裂，导致曲率的突变，由此激发了振动波，振动波可以增加意面局部的曲率，当某个地方的曲率达到一定的界值后进而产生多次断裂。同时，干意面断裂的段数和弯折的速度有关。 更有意思的是，折断过程中频繁出现断成两段的情形，这与费曼以及其他人的观察不相同，也给费曼提供了折断成两节的新方法。

• 平板通气离散气泡形态演变和流场特性研究

  王学渊, 周芳, 钱丽娟, 汤金桥, 王静竹, 王一伟,

  通过改变船舶近壁面流动状态以获得预期的力学效应，是一种提高航行器水动力性能的先进技术手段。本文基于精细流动观测水洞，通过调控通气量和横流速度两种关键流动参数，利用高速摄像技术和粒子图像测速（particle image velocimetry，PIV）方法，研究了横流条件下的气泡在平板壁面约束下的流动状态，从而得到近壁面气液两相流场结构演化及气泡脱落规律。实验结果表明，气泡主要以孔口脱落和颈缩脱落两种方式实现分离。并且从两种脱落流态的云图结果能得到，气泡在沿流向生长阶段其前缘头部形成正涡量区，而在气泡脱落断裂瞬间，该部位的垂向速度分量呈现垂直向上，并诱发局部负涡量。通过进一步统计表明，在不同横流雷诺数和通气系数的工况下，气泡脱落频率、长度及厚度均呈现出规律性的变化。

• 流动状态对悬浮微通道谐振器测量的影响

  徐聪, 尹招琴, 金娟, 侯立凯, 包福兵,

  悬浮微通道谐振器（suspended microchannel resonator, SMR）因其微尺寸和高灵敏度，在传感器领域有广泛应用，可用于测量微弱的力值、质量、密度和流体黏度等物理量。本论文考虑流体运动状态对悬臂梁受力的影响，建立了流固耦合运动方程，并进行数值求解，研究了流体密度和流动状态对SMR谐振频率和变形的影响。结果表明，流体密度增加，悬臂梁谐振频率降低，形变增大；流动雷诺数与谐振频率呈线性相关，且随雷诺数增大频率误差系数逐渐增大，影响测量精度。研究结果可为提高SMR的测量精度和灵敏度技术提供理论支持。

• 基于小波包分析的气举泵气液两相流效率特征研究

  卢笑伊, 杜燕连, 魏孟然, 肖剑宇, 沈义俊,

  本研究的目的是利用实验获得的压力信号来识别气举泵是否处在效率最高点。通过在提升管的不同部位进行压力测量，收集了多个传感器的数据，涵盖不同流型下的气液两相流特性。采用功率谱密度函数和小波包分解对压力信号进行分析，以揭示气举泵效率与流型变化之间的关系。结果表明，在弹状流期间，当管道中部传感器采集的压力信号在0~32 Hz频段的能量占比达到峰值且奇异谱熵处于低谷值时，表明系统气液两相的相互作用处于最优状态，泵的效率达到了最大值。通过实验验证，压力信号的特征可以有效判断当前气体表观流速下气举泵是否处于效率最高点。本研究为基于压力信号的气举泵效率监测提供了新的思路和方法，具有较强的实际应用价值。

• 轴套间隙中非牛顿流体对转轴转速的调控分析

  宋奎, 祝培光, 李钰嘉, 胡小玲,

  对于旋转机械或转动能量采集器，保持恒定的转轴转速是维持能量传递稳定性、防止突加载荷引起构件破坏等的关键。本研究设计将剪切增稠型非牛顿流体注入轴与轴套的间隙中，通过理论分析和数值模拟研究了非牛顿流体对转轴转速的调节作用。对Bingham、幂律、Herschel-Bulkley、Sisko四种非牛顿流体，考察了黏度、稠度系数、流变指数、屈服应力等物性参数对转轴转速的影响。研究发现，在一定外载作用下，剪切增稠型非牛顿流体能够快捷地调节转轴的转速。

• 基于开源软件的左心室壁面运动有限元分析

  王艺康, 周锟,

  聚焦于人体左心室壁面运动，结合通用模型与计算机断层扫描（CT）影像中提取的左心室物理点云数据，构建了个性化心脏模型。利用开源软件Differential Equations Analysis Library (Deal.II)进行壁面运动仿真，建立了完整的开源模拟流程，并探究了Neo-Hookean模型与Holzapfel-Gasser-Ogden(HGO)模型，以及不同模拟参数对左心室变形、容积变化及应力分布的影响。

• 高温合金斜圈弹簧设计优化与力学性能测试研究

  刘建, 孙志民, 鞠泉, 闫利文, 李益帆, 李春光,

  宽域几何可调进气道采用高温动密封结构，高温合金斜圈弹簧是其关键元件。本文对高温合金斜圈弹簧进行了数学建模和有限元仿真计算，对斜圈弹簧样件进行了室温和高温力学性能测试，研究总结了斜圈弹簧设计优化准则。研究表明：（1）弹簧最大应力处的截面平均等效应力不大于材料屈服强度的50%，可以作为斜圈弹簧的设计优化准则；（2）室温条件下斜圈弹簧压缩-回弹率保持良好，950℃高温下斜圈弹簧压缩-回弹性能下降明显，但均满足使用要求。

• 透明类岩石材料的制备及水力压裂实验

  张莹, 吴浩东, 狄圣杰, 程辉, 张玉,

  室内岩石水力压裂测试技术是研究水力压裂裂纹扩展的基本手段，但天然岩石无法直接观察材料内部微细观结构变化。本文利用环氧树脂和固化剂制备得到可直接观察内部裂缝扩展的透明类岩石材料；并基于室内抗压和劈裂强度实验，探讨了透明材料和真实岩石的相似性；由此开展了不同轴向应力下的水力压裂实验研究。结果表明，制备得到的类岩石材料透明度良好，可准确描述硬岩的基本力学特性；且水力压裂起裂压力和起裂时间分别与轴向应力呈负相关和正相关，其裂纹扩展方向与射孔面基本呈45o角。相关成果可为岩石水力压裂裂纹扩展实验和理论研究提供可靠的依据。

• 冲击载荷致裂含水合物地层的模拟实验研究

  黄宇东, 乔继延, 张旭辉, 鲁晓兵, 梁前勇,

  在中国天然气水合物的第二轮试采中，采用了水平井多级射孔改造储层的方式，提高了开采效率，为水力压裂技术的应用揭示了前景。但射孔对水合物地层的损伤效果和对压裂结果的影响尚不明确，还需要进一步研究。为此开展了模拟含水合物地层冲击压裂的实验研究。进行了射弹和重物贯入两类实验，利用冻土模拟了含水合物地层在冲击作用下产生裂缝的物理过程，分析了射孔冲击提供的能量与裂缝面积的转化规律。研究发现，射孔冲击的加载速度越大越有利于开裂；提供的总能量越大、作用时间越短，越有利于地层开裂并产生更大的裂缝面积。目前的实验中能量转化为裂缝的效率不高，还有待进一步研究。

• 关于有势力场中平衡的稳定性和不稳定性

  陈立群,

  讨论有势力场中平衡稳定性和不稳定性的教学问题。首先汇总了拉格朗日、李雅普诺夫、切塔耶夫等人经典著作以及重要论文和教材中的相关内容，以明确平衡稳定性和不稳定性相关的基本事实；然后概述国内理论力学教材对平衡稳定性和不稳定性的教学处理，说明不稳定性判断的内容较为薄弱；再以有势力场中直线运动质点为例，直观说明单自由度系统中势能极值性与平衡稳定性的关系；最后建议基本教学内容应该包括多自由度系统的稳定条件和单自由度系统的不稳定条件。

• 低成本、易获取的光弹性实验教具在力学实验教学中的应用

  蒋汉阳, 周磊, 蒋伟峰, 彭光健, 杨福俊, 何小元,

  力学实验教学是物理、航空航天、机械等理工科专业教育中的重要组成部分，其中光弹性实验因具有材料内部应力场直观显示的特点，而被诸多国内院校纳入力学实验教学计划。针对传统光弹性实验设备售价高、体积庞大等问题，本文详细介绍了一种低成本、易获取且便捷的光弹性实验教具，并且探索性地将其应用于力学实验教学。以梁模型的纯弯实验为例，采用上述教具进行教学内容展示，结果表明该教具虽仅能进行光弹性实验的定性判断，但仍具有材料内部应力场可视化的优势。这种光弹性实验教具不仅大幅减少了搭建光弹性实验系统的开支，更提高了实际课堂使用的便利性和趣味性，有助于丰富课堂内容，增加学生对力学知识的感性认识。

• 材料力学中梁三点弯曲实验的教学探索−全场变形可视化

  何巍, 张元, 孙星, 谢惠民, 任毅如, 刘播, 毛贻齐, 方棋洪, 韩美东,

  在横力弯曲条件下，截面翘曲和纵向纤维间挤压可导致梁的弯曲正应力公式产生显著误差，但在跨高比大于5时误差可忽略不计。如何让学生理解梁横力弯曲的上述特点是材料力学教学中的难点之一。数字图像相关（digital image correlation, DIC）是一种先进的光学变形测量方法，具有非接触、全场、操作简单等优势。本文引入DIC方法开展了梁三点弯曲实验的教学改革探索，实现了横力弯曲变形特点的可视化测量与呈现。结合梁在不同跨高比下的应变场和广义胡克定律，获得了正应力沿截面高度的分布规律，探讨了梁弯曲正应力公式的内涵。实践表明，引入先进光学测量方法进行可视化表征和展示，加深了学生对不同关联知识点的理解，培养了其融会贯通和实践能力，激发了科技创新意识。

• 数智背景下力学研究生数据科学专题的教学设计

  聂冰川,

  大数据和人工智能正蓬勃发展，并迅速影响基础研究与工程技术。在力学研究生高等应用数学或相关课程中，设置层次介于基础课程和专门学术报告之间的数据科学专题，能够有效缩短教学与科学研究的距离，提升研究生解决复杂科研难题的能力。我们针对力学研究生开设数据科学专题，本文介绍教学内容设计及教学实践中的思考和典型案例。

• 人工智能带来的高等工程教育全方位变革

  刘沛清,

  随着智能化时代的到来，在数智赋能、智慧教育的推动下，现代大学教育正发生着全方位的变革，从育人的角度，通过大数据分析和机器学习、智能化教育平台和高效化和泛在的学习环境平台建设等措施，有效实施因材施教、启发教育、有的放矢的教育思想，让受教育者成为主动的学习者和研究者，并结合高等工程教育实现人文情怀、科学精神与工程素养的一体化教育理念，通过探究式学习、团结协作和跨学科培养，使教学、研究和实践紧密结合，才能真正实现学生从学习已知到探索未知、创造未来的跨越，逐步成长为高素质的创新型人才。

• 基于BN稳定性的非线性振动问题时间积分方法

  季奕, 邢誉峰, 刘波,

  BN稳定型方法是求解动力学问题的一类新型时间积分方法，可稳定、准确且高效地求解复杂非线性振动问题。自2021年提出后，这一类求解方法已受到学术界关注。本文对BN稳定型方法的设计思路、求解格式及其参数优化设计原则进行了讨论，并利用高阶非线性单自由度系统和刚性卫星系统作为案例，将其与广义-α方法和ρ∞-Bathe方法进行比较。结果表明，BN稳定型方法的精度和稳定性优势。本文工作可为振动力学课程提供创新素材，有助于培养学生创新能力和对非线性振动问题的分析能力。

• 结构力学中力矩分配法的简捷方程解法

  孙林松,

  力矩分配法在多结点转动时需要轮流放松结点、反复迭代，计算量较大，而且只能获得近似解。本文在分析力矩分配法中各种类型杆端弯矩之间关系的基础上，提出一种力矩分配法的简捷方程解法，通过求解以个别杆端的分配弯矩为基本未知量的方程，计算连续梁和无侧移刚架中杆端弯矩的精确解，计算工作量远小于传统的力矩分配法和矩阵位移法。

• 朱照宣先生与《力学诗趣》的三个版本

  杨绍琼, 姜楠, 王振东,

  朱照宣先生（1930—2022）自1992年在《力学与实践》创办“身边力学的趣话”小栏目，秉承“文质并重”的编辑理念，启发并带动王振东、武际可等力学工作者持续撰写兼具趣味与学术的科普文章。1998年南开大学出版社出版首版《力学诗趣》，并于2001年荣获全国优秀科普著作二等奖；此后，2013年与2020年又先后推出典藏版与大字版，使该系列科普著作惠及更广泛读者。本文结合编者按与作者回忆，扩展回顾栏目创办背景、发展历程及图书编辑与再版的细节，并就新时代力学科普实践提出若干建议。

• 钢结构与芝加哥学派

  张伟伟,

  19世纪下半叶，贝塞尔炼钢技术的成熟促进了高品质钢材生产，伦敦“水晶宫”展览馆为人们提供了新的设计理念，芝加哥大火后城市重建提供了短期内修建大量建筑的市场需求。这样，在高品质钢材、新设计理念、市场需求三大条件支撑下，以钢结构高层建筑为特征的芝加哥建筑学派诞生了。本文简要介绍了芝加哥学派诞生的历史背景及其现代发展，并展望了未来高层建筑的发展趋势。

• 第十四届全国周培源大学生力学竞赛“理论设计与操作”团体赛赛事介绍与赛题评析

  高芳清, 阚前华, 苗鸿臣, 胥奇, 刘虎, 朱忠猛, 成正强, 陈开卷, 罗会亮,

  本文对第十四届全国周培源大学生力学竞赛“理论设计与操作”团体赛的主要承办工作进行了简要介绍和总结，提出赛事组织的一些思考。对竞赛题目进行了评析，包括说明赛题设计思路、知识要素、考核要点，分析参赛队的应题能力与主要表现。为组织和参与全国周培源大学生力学竞赛团体赛的广大师生提供交流与参考。

• 鉴史驭法 寻优创新 评《结构拓扑优化ICM方法新进展》

  铁军, 叶红玲,

  评介隋允康和彭细荣教授的专著《结构拓扑优化ICM方法新进展——概念深化及理论拓展》，其中ICM (independent continuous and mapping) 意思是独立、连续和映射，该方法是结构拓扑优化的主流研究方法之一。该书借助于鉴史（力学史）和驭法（方法论），总结了自2014年以来ICM方法的发展成果：深入阐述了ICM方法的阶跃函数的离散本质及对其光滑逼近的近似连续本质、逼近的快慢特性和多种映射策略；介绍了ICM方法的数学基础、求解算法和本体理论等方面的拓展性研究成果，包括可分离凸规划转换为求解对偶规划显式模型（dual programming-explicit model，DP-EM）解法、互逆规划理论及其优化应用等；探讨了该领域忽视的结构拓扑优化合理化建模问题；发展了包含疲劳寿命性能的局部性能约束的结构拓扑优化解法；归纳了破损-安全设计理论的演化，给出了位移、应力及频率约束的破损-安全拓扑优化问题的建模及求解；移植ICM方法至国际上广泛应用的变密度方法中。该书可供结构优化领域从事科研的师生和技术人员借鉴和参考。