力学与实践杂志

力学与实践杂志2025年第6期

• 浅谈力学领域“101计划”中实验力学课程的禁锢之锁与脱困之匙

  仇巍, 于起峰, 王晋军,

  “101计划”是拔尖创新人才培养的一项筑基性工程。实验力学是力学领域“101计划”中重点建设的核心课程之一。为提高实验力学课程的高阶性、创新性和挑战度，本文从系统性调研出发，详细论述课程、实验、实践等3方面的关键难点，以及教学规模、内容、范式3个层面的主要矛盾，并从底线思维、目标导向、实施路径和协同攻坚4个视角提出了课程的改革构想和工作思路，以期认清禁锢之锁、打造脱困之匙。

• AI赋能力学领域“101计划”——“AIM”力学大模型

  赵沛,

  本文聚焦力学领域“101计划”的教育垂直大模型建设。针对数智时代学生“建构双脑（人脑与AI）”的学习要求，大模型集成知识图谱、虚拟仿真、生成式AI、电子教案库等技术，实现了教、学、考、评、管、研的全链路AI赋能，包括构建知识—能力—价值—素质四图谱融合体系，研发工程建模等15大教与学功能模块，突破大模型与求解器协同等技术瓶颈，开发高超声速风洞等虚拟仿真场景，打造“课堂—慕课—知识图谱—大模型”混合教学模式，建设数字化教材社区等。大模型目前已开放多门智慧课程全国共享，虚拟仿真覆盖多个学科，助力力学竞赛等人才培养成果提升，为推动力学高等教育从“知识传授”向“能力建构”转型和更多学科数字化建设提供了示范。

• 力学领域“101计划”中动力学与控制课程设计

  宿柱, 宦荣华, 田强, 王立峰, 汪越胜,

  根据力学领域“101计划”的总体要求，介绍了动力学与控制课程设计的基本情况。首先，调研了各高校动力学与控制相关课程的开设情况。在此基础上，提出动力学与控制课程的定位、目标以及课程内容设计。根据课程要求，课程内容以“基础—进阶—前沿”的递进关系构建知识框架。最后，介绍了南京航空航天大学动力学与控制课程的教学情况。

• 岩土材料应变局部化测试技术研究现状及展望

  王冬勇, 孙晴晴, 彭丽云, 齐吉琳,

  应变局部化是岩土材料破坏的前兆，广泛存在于岩土体的渐进破坏过程中，是岩土力学与工程领域的重要研究课题。通过对现有应变局部化测试方法进行文献调研，总结了内部测量技术和表面测量技术在揭示岩土材料应变局部化问题中的应用范围和特点。研究表明，计算机断层扫描(computed tomography, CT)、扫描电子显微镜(scanning electron microscopy, SEM)和数字体积相关法(digital volume correlation, DVC)等内部测量技术具有获取高分辨率试样微观结构信息的优势，而粒子图像测速技术(particle image velocimetry, PIV)和数字图像相关法(digital image correlation, DIC)等表面测量技术则以操作简便和实时动态观测见长。同时，对未来岩土材料应变局部化测试技术的发展趋势进行了探讨，一方面侧重多种测试技术的协同应用，并结合多物理场信息，从多尺度和多维度揭示岩土材料渐进破坏规律；另一方面，通过引入人工智能技术，对CT、PIV和DIC等技术获得的试样图像进行高效识别，预测应变局部化发展和形成过程，为岩土工程灾害预警提供新的思路和技术路径。

• 基于星下点轨迹分析的应急观测星座设计

  吴亦烜, 范滨珲, 喻中扬, 曹弘毅, 唐子杰, 武迪,

  针对应急对地观测任务中的多目标高效重访需求，提出了一种结合星下点轨迹分析与网格搜索的星座设计方法。通过分析回归轨道的几何特性，识别出制约覆盖效率的两个目标群，并采用子星座分工优化覆盖；同时，设计了基于轨迹交点分布的3 h重访时序，通过优化初始轨道缩小机动调度的寻优空间。仿真结果表明，仅需8颗卫星即可满足固定目标6 h、移动目标3 h的最大重访约束，同时总脉冲消耗优化至1927.39 m/s，为低成本应急星座设计提供了可行方案。

• 考虑罕遇地震重尾分布的建筑抗震韧性设计方法

  向历霓, 李刚, 李海江,

  在低概率但极具破坏力的重尾分布地震动下，建筑损失预期显著高于普通地震，导致评估的不确定性和变异性增大，传统84%保证率的韧性指标不再安全。本文提出一种考虑罕遇地震重尾分布的建筑抗震韧性设计方法，通过引入多条强震记录构建重尾分布模型，结合GB/T 38591—2020中的韧性评价方法，利用可靠性分析得到韧性指标（如建筑损伤、修复成本、修复时间和人员伤害等）的概率分布规律；基于84%保证率的失效概率和可靠性指标确定潜在损失的置信上限，并结合现行规范对钢筋混凝土框架结构进行基于可靠性的多目标分灾优化设计，优化后的抗震韧性指标得到很大改善。

• 润滑方式对航空花键副材料微动磨损特性的影响

  何新党, 刘弘毅, 杨粟梁, 杨锐, 熊剑锋,

  以直升机传动花键材料15-5PH不锈钢和9310钢为研究对象，基于航空花键副的简化齿条模型，开展无润滑、脂润滑、磨屑脂润滑及油润滑条件下的微动摩擦磨损试验，结合扫描电子显微镜、能谱仪、三维轮廓仪及有限元仿真分析，研究润滑方式与磨损量之间的定量关系。结果显示：（1）无润滑时，表面有深犁沟、剥落坑及黏着撕裂现象，磨损机制主要为黏着磨损与磨粒磨损；（2）脂润滑能减轻接触表面损伤，因润滑脂难稳定留存于界面，滑移区范围与无润滑时相近，以磨粒磨损为主，磨损量较无润滑降低18.5%；（3）磨屑脂润滑较脂润滑黏性改变，受内部磨屑影响，磨损量较无润滑降低了47%；（4）油润滑有效抑制微动磨损，齿面平整，仅有轻微划痕和凹坑，以黏着磨损与磨粒磨损为主，磨损量较无润滑降低72.4%。本研究明晰了润滑方式对航空花键副材料微动磨损特性的影响规律，可为其抗磨损设计提供关键数据支持。

• 某型大气数据系统气压高度飞行试验校准

  王鹏, 赵锴, 梁东, 康国剑,

  研发了一种基于实时解算获取的自由来流静压数据反推气压高度的实现方法，解决了传统的基于皮托管理论需配置静压孔测量自由来流静压方式存在的测量静压值受机体干扰严重且试验标校繁琐的问题。首先在飞行器头部区域配置测压孔，采用计算流体动力学数值建模方法建立不同高度下各个测压孔的压力数据库；根据来流静压与所配置测压孔的压力数据一一对应的单值映射关系，建立自由来流静压与头部压力数据的解算方法；最终集成原理样机进行风洞及实时飞行试验标校。得出结论如下：（1）风洞试验校准数据表明，研发的气压高度获取方式及实现算法与传统方式数据一致，低空3300 m的静压解算值与风洞试验名义值吻合较好，相对偏差＜1.5%。（2）飞行试验校准数据表明，与传统皮托管测量数据相比，高空11000 m飞行试验校准偏差介于10～50 m，解算自由来流静压偏差＜1.2%； 低空1100 m飞行试验校准数据偏差介于10～20 m，解算自由来流静压偏差＜0.5%。鉴于皮托管本身测量的自由来流静压受机体等因素干扰，综合研判，本研究解算精度较好，证实了完全嵌入式大气数据系统逆向建模解算静压及气压高度的可行性，为后续工程化应用奠定了坚实基础。

• 波流载荷作用下子母管水动力特性研究

  刘俊, 师玉敏, 周晓东, 闫术明, 王亚琼, 程婧,

  在大型水槽中开展子母管水动力模型实验，研究了海流参数、波浪参数、子母管相对角度θ和管床间隙比e/D等因素对母管水动力载荷和频率特征的影响。结果表明：单独流作用下，当θ为60°～150°时，母管阻力系数CD较单管道显著增大；根据θ值的不同，远离床面母管可受到指向床面或背离床面的平均竖向力；单独波作用下，全埋管道升力幅值较间隙比0情况有显著放大，呈现与DNV规范单管道推荐值相反的趋势；波流共同作用下，母管升阻力频率出现波浪频率的亚谐波和谐波频率，升力的主频为波浪频率的亚谐波频率。

• 流化床中柔性球柱状颗粒运动与破碎特性的CFD-DEM模拟研究

  李瑞龙, 库晓珂,

  为探究柔性球柱状颗粒在流化床中的运动与破碎特性，采用计算流体力学-离散单元法，建立了基于纤维模型的柔性球柱状颗粒模型，通过虚拟键连接球柱单元模拟柔性颗粒，并结合拉伸与剪切应力准则判定颗粒破碎。分析了颗粒柔性比和入口气速对颗粒速度、平均颗粒高度及破碎率的影响。结果表明：柔性比增加会导致颗粒刚性增大，显著提高破碎率；入口气速增大会加剧颗粒碰撞强度，加速破碎过程。研究揭示了颗粒柔性特性对运动和破碎的影响规律，为流化床的优化设计与运行提供指导。

• 离心泵中不同浓度纤维悬浮液的纤维取向特征

  张启华, 方洲, 钟成成,

  在对离心泵输送不同浓度纤维悬浮液进行外特性实验时，发现0.2%浓度纤维悬浮液对泵效率提升更具有普适性，在各个流量工况下，泵的效率均有所提升，而0.6%浓度纤维悬浮液仅在高流量工况下对泵的效率有提高的效果，对此情况从微观角度进行分析，运用Matlab图像识别技术对CFD-DEM（computational fluid dynamics - discrete element method）耦合后的流场中的纤维粒子进行取向角度统计分析，发现纤维在流场中的分布呈现出一定的取向角度趋势，低浓度纤维悬浮液中的纤维粒子分布更加趋近于流体流动方向且更稳定，取向角度变化小且高速粒子群占比更大。

• 几何非线性问题的能量原理及有限元增量格式

  章杰, 陈泽锴, 陈震贤, 杨璐, 徐佳浩,

  几何非线性问题的数值解法是计算力学领域的重要内容。本文通过发展广义的大变形度量，分别构建了几何非线性问题的能量原理及有限元求解格式的统一表达。将物体参考构形区分为未知与已知平衡构形，阐明了虚位移原理、虚功率原理与增量虚位移原理，完全拉格朗日格式与更新拉格朗日格式，先线性化后离散与先离散后线性化，全量、增量与率本构关系等各原理与格式之间的相互关系。

• 应变片刚度和尺寸效应引起的测量误差及修正

  胡潇毅,

  应变电测法的测量精度与被测构件的弹性模量密切相关。当被测构件的弹性模量低至百兆帕量级时，应变片的“刚度效应”和“尺寸效应”已十分显著，构件的应变场被应变片影响也会表现出“厚度效应”和“宽度效应”。上述效应使应变片的测量误差明显增大。为减小应变片测量百兆帕级弹性模量构件时的误差，本文建立包含“被测构件-胶粘层-应变片”的有限元模型，分析上述效应的影响机理，并提出基于“一大一小”应变片的修正方法。验证实验表明，通过双应变片法并结合经验公式合理修正测量结果，可使应变电测精度显著提高。

• 光滑圆棒拉伸的颈缩现象研究

  刘益军, 王子豪, 邓建华, 王玲玲,

  针对现有理论在解释材料颈缩现象时的不足，以准静态加载条件下光滑圆棒拉伸为研究对象，开展系统分析。通过对比数值模拟与实验的载荷-位移曲线及断口形貌，验证模型准确性；深入分析Mises应力、截面损伤及应力三轴度的演变过程，揭示颈缩阶段应力演化规律；基于理论模型建立颈缩后轴向应力与等效应力的关系，并评估常用获取真实应力-应变关系方法的适用性与准确性，深化对材料应力-应变关系、应力状态和变形的理解，也为数值实验更好地融入材料力学课程教学提供参考。

• 第一类拉格朗日方程：历史与表述

  陈立群,

  讨论与理论力学教学相关的第一类拉格朗日方程问题。首先梳理了第一类拉格朗日方程的历史，包括拉格朗日关于方程和乘子的原创思想，伯特兰在一般情形的形式化，雅可比对第一类和第二类方程的命名，以及劳斯对非完整系统的推广；然后重新考察了带不独立坐标的拉格朗日方程，建议将不独立坐标称为赝广义坐标，引入不定乘子推导了赝广义坐标表述的拉格朗日方程，并强调了广义力与赝广义坐标对应的赝广义力的区别；最后明确了不同形式的第一类拉格朗日方程的关系。

• 面向知识贯通化培养的理论力学运动学教学初探

  郭建峤, 万超, 水小平,

  面向工程力学“强基计划”学生未来的发展需求，结合目前贯通化培养的实际要求与发展趋势，对我校动力学与控制核心贯通课程的教学模式进行了初步探索。以理论力学的运动学部分为切入点，构建了一套面向综合能力提升的贯通化教学方案，包括课堂教学内容对接高阶课程的需求，思考题和习题的设置兼顾思维能力训练，教学案例结合学科交叉背景等，从而在理论力学课程的教学中多方位践行贯通化培养理念。本文为提高“强基计划”学生的学术品位，拓宽其学术视野，更好地实现工程科学家和研究工程师的培养目标，提供了一些思路和借鉴。

• 经典强度理论的历史演变对教学的启示

  李桂景, 刘灵灵,

  经典强度理论是材料力学课程的重点和难点，教师在课堂授课过程中常注重对基本内容的阐述，而忽略了历史来源和逻辑思路，导致教学效果不够理想。本文结合工程案例，追踪经典强度理论的历史演变过程，探讨其背后蕴含的科学研究方法；进一步归纳总结经典强度理论教学的核心思路，帮助学生梳理知识体系建立的逻辑关系。实践表明，上述教学方法对激发学生的学习兴趣、培养学生的创新思维能力是有益的。

• 拉压超静定问题一般解法探讨

  王鹏昊, 张晓东,

  拉压超静定问题是材料力学教学难点，其关键在于如何建立补充变形几何方程。已有教科书均借助节点的小变形放大图来建立该方程，该方法不具备一般性，实施过程复杂，不易掌握。本文提出可利用拉压杆节点位移与轴向变形的关系及节点位移相容性条件建立补充方程，详细介绍了该方法的原理，并给出了3个算例说明该方法的实施过程。与常规方法相比，本文方法思路通用，步骤规范，易于掌握，可作为建立变形协调方程的一般方法在教学中加以推广。

• 数智背景下材料力学实验课程“非课堂”教学模式的探索

  韦慧心, 廖宝鹏, 邓丽军, 王世斌, 李传崴,

  随着人工智能技术的快速发展，新形势下材料力学实验课程正面临智能化重构与实践范式革新的双重要求。传统课堂教学的时空局限性与标准化流程难以适应数智时代对学生自主创新能力与跨学科实践能力的培养目标，亟需突破“教师讲授-学生模仿”的固有模式。本文通过在材料力学实验课程中引入“非课堂”教学模式，结合人工智能手段重构教学场景与师生关系，将学习嵌入自然探究状态，激发学生的主体性，形成“二维三阶”的教学范式，实现“课堂+非课堂”的有机融合，培养适应数智时代复杂工程挑战的复合型人才。

• “隧道工程”到“结构振动”——从分析双平行地铁隧道振动响应窥见课程应用

  赵翔, 罗永发,

  在传统教学体系中，“隧道工程”以单一隧道结构为核心研究对象。但在当前轨道交通网络化发展的工程背景下，这一教学体系显露出一定的理论局限性。当前工程实践中广泛涌现出双平行隧道结构。这类结构的动力响应机理已超出传统单隧道理论的分析范畴。本文结合“结构振动”课程理论，构建了双平行隧道动力学分析模型，并结合Euler-Bernoulli梁理论，推导了轴压下双平行隧道振动响应解析解。本文所构建的解析分析方法可为学生提供完整的力学建模示范，强化其对隧道工程结构振动求解基本方法和思路的理解，有效弥补了传统教材在隧道结构动力分析方面的理论不足，为构建面向现代地下工程的结构振动分析教学体系提供了理论支撑。

• 通识课“身边的流体力学”的教学实践与改进探索

  袁方洋, 王东祥, 杨新俊, 杜继芸, 于伟,

  基于通识课“身边的流体力学”的多轮教学实践，从课程设计、教学实施和持续改进三方面探讨了流体力学通识课程的体会。以“新鲜、趣味、亲切”为核心理念，结合多媒体案例、互动教学及跨学科实践，介绍生活中的流体力学现象；并且融入多媒体资源，借助线上线下混合互动优化学习体验。课程吸引力和教学质量逐年增长，有效提升了学生的科学素养与人文视野，为通识教育改革提供了实践参考。

• 回忆20年前拜望钱学森先生

  洪友士,

  回顾了2005年12月7日郑哲敏、朱兆祥、洪友士、何林前往钱学森先生住所拜望钱老的经历。94岁高龄的钱老精神矍铄，依然深切关心着力学研究所和中国科学院的情况和发展，始终心系国家的科技事业。他言语真挚、思维敏捷、胸怀大局，展现了伟大科学家的大师风范。

• 从一张老照片说开来——浅述钱学森的教育思想

  王柏懿,

  从钱学森召开中国科学技术大学（简称中国科大）学生代表座谈会的老照片说起，介绍他作为中国科大的创始人之一和近代力学系主任在培育力学人才方面的教学实践，特别阐述“旗杆式”模式对于尖端科学人才培育的重要作用。

• 我与物理力学的一段因缘

  崔季平,

  回顾了作者自1956年起追随钱学森、郭永怀先生投身物理力学事业的曲折历程——从早期翻译讲义、建设梯队，到“大跃进”后物理力学研究组一度解体，再到高温气体、纳米力学方向的重建与多次转型。文章细数高温气体研究组、中国科学技术大学化学物理系、超临界态专题等的设立与调整，并记录了钱学森、郭永怀两位所长在研究方向、组织架构和人才培养方面的关键决策。

• 追寻从“0”开拓者的足迹

  柳绮年,

  回顾了六十多年前作者在钱学森和郭永怀两位大师领导下从事超音速风洞实验研究的经历：一切从“0”开始，设计制作火箭等飞行器模型和测量气动性能，完成国家任务，为开拓我国航天事业做贡献。文中引用了原创设计图和技术报告，作为时代的记忆。