Please wait a minute...
审者登录
读者中心
中国力学学会会员登录
 
 
期刊动态>>更多
本期目录
2020年 第52卷 第3期 刊出日期:2020-05-18
上一期   
全选: 隐藏/显示图片
  • 研究综述
    泡沫铝本构行为研究进展1)
    贾然, 赵桂平
    力学学报. 2020, 52(3):  603-622.  doi:10.6052/0459-1879-20-020
    摘要 ( 141 )   HTML ( 19 )   PDF (17934KB) ( 333 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    作为泡沫金属的典型代表, 泡沫铝是一种集结构性和功能性于一体的新型材料, 随着生产工艺的提高及国民经济的发展, 泡沫铝在航空航天、交通运输、建筑工程、机械制造等领域的应用日趋深入和广泛. 工程中复杂的载荷工况, 对泡沫铝本构模型的准确性及实用性提出了更高的要求. 国内外学者对泡沫铝进行了大量的试验研究及有限元数值分析工作, 随着各种研究和数值分析本构模型的提出、验证及修正等, 人们对泡沫铝的力学性能及其应用的认识逐渐提高. 本文首先简要概述了泡沫铝力学性能的试验研究及有限元数值分析的进展, 然后重点综述泡沫铝本构行为的国内外研究进展及现状. 最后, 针对目前存在的问题, 讨论并展望了泡沫铝本构行为的研究发展趋势. 完善本构模型表征所需的特征参量, 将各向异性或横观各项同性材料假定引入模型构建体系, 明确静水压缩响应及单轴压缩响应在材料强化中的权重, 建立例如随动强化般更加真实且准确反映泡沫铝强化过程的强化准则, 将应变率效应研究成果引入本构模型中等是现有泡沫铝本构模型体系中的重要研究方向.
    环境力学专题
    环境力学专题序
    黄宁
    力学学报. 2020, 52(3):  623-624.  doi:10.6052/0459-1879-20-148
    摘要 ( 31 )   HTML ( 9 )   PDF (112KB) ( 38 )  
    相关文章 | 多维度评价
    基于巴西盘试验的海冰拉伸强度研究1)
    陈晓东, 崔海鑫, 王安良, 季顺迎
    力学学报. 2020, 52(3):  625-634.  doi:10.6052/0459-1879-20-036
    摘要 ( 72 )   HTML ( 3 )   PDF (7384KB) ( 53 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    海冰拉伸强度是其基本力学性能之一, 同时也是冰区船舶与海洋工程结构设计所需的重要参数. 对于脆性材料的拉伸强度测试, 巴西盘劈裂试验相比单轴拉伸试验在试样制备与加载上具有明显的优势. 为研究海冰的拉伸强度特征, 对渤海辽东湾沿岸的粒状冰开展了系统的巴西盘劈裂试验研究. 在加载过程中与试样破坏后, 分别对加载横梁的位移与加载力以及试样最终破坏模式进行了记录. 同时, 对试样的冰晶结构、盐度、温度以及密度进行了测量. 通过改变加载速率、试样厚度与试样温度以研究不同参数对试验结果的影响. 针对传统试验中试样的刚体假设, 考虑了试样变形对应力状态的影响并将其引入了理论模型. 试验过程中所有海冰试样均以劈裂模式破坏. 试验结果表明, 加载速率与试样厚度对拉伸强度的影响并不显著, 但孔隙率的影响较为明显. 当孔隙率由75‰降低至10‰时,拉伸强度由1.0 MPa升高至2.8 MPa. 与单轴拉伸试验所测得数据对比, 巴西盘劈裂试验所得到的拉伸强度随孔隙率的变化趋势相一致. 但该方法所得到的粒状冰拉伸强度要高于预期结果. 试验表明巴西盘劈裂试验中海冰试样的破坏模式与试验结果均较为合理, 可成为海冰拉伸强度的有效测试方法.
    大风区铁路沿线挡风墙积沙机理及优化措施的风洞实验研究1)
    辛国伟, 黄宁, 张洁
    力学学报. 2020, 52(3):  635-644.  doi:10.6052/0459-1879-20-045
    摘要 ( 95 )   HTML ( 1 )   PDF (14395KB) ( 62 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    位于兰州至新疆的兰新二线是世界上首条穿越大风区的高速铁路,途径著名的烟墩风区、百里风区、三十里风区及达坂城风区,风区段铁路里程长达 462.4 km,占新疆段线路总长的 65.1${\%}$,大风对铁路的运营、养护和运输造成很大危害. 为了降低大风对通行列车的危害,兰新铁路沿线设置了大量挡风墙. 挡风墙发挥作用的同时,也带来了铁路沿线的积沙问题. 为了解决这一工程实践的现实问题,本文提出了在现有挡风墙背风侧的不同位置处,设立第二道挡墙以减弱铁路积沙的治理思路,并开展了对应条件下对现有单道挡风墙、以及在现有单道挡风墙背风侧坡顶处和坡脚处设置第二道挡墙,共计3种情景的风洞模拟实验,发现设置第二道挡墙后距轨道线路高0.1 m处的沙粒水平速度、数密度、输沙通量及沉积率较无第二道挡墙时明显减少,介于8%$\sim$12${\%}$,51%$\sim$69${\%}$,20%$\sim$73${\%}$以及26%$\sim $38${\%}$,而且在现有单道挡风墙背风侧坡顶部增设第二道挡风墙的效果更好. 因此,本文的研究成果有助于优化大风区已有铁路沿线、城镇等防沙治沙工程措施.
    梯级溃坝洪水洪峰增强机制1)
    黄灿, 刘青泉, 王晓亮
    力学学报. 2020, 52(3):  645-655.  doi:10.6052/0459-1879-20-044
    摘要 ( 49 )   HTML ( 3 )   PDF (720KB) ( 43 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    我国在多条河流上修建了大量梯级水库, 梯级坝溃决诱发洪水大大超过单坝溃决洪水洪峰, 因此亟需加深对梯级坝溃决洪水洪峰增强机制的认识. 本文建立了梯级坝溃决洪水演进过程的一维浅水动力学模型, 发展了一套能捕捉激波、干湿边界和保平衡结构的数值求解方法, 通过大量算例, 系统研究了梯级坝溃决洪水演进过程的质量转化和能量转化机制. 研究结果表明, 梯级溃决中, 上游溃决诱发的洪水大大增大下游水库的质量和动量, 形成一个带动量的水塔, 同时在尾部残留一个动量较大的射流, 不断补充下游坝体溃决后水塔的质量和动量, 持续维持洪峰高度. 根据该射流-水塔机制, 建立了梯级坝溃决洪水演进过程对应的射流-水塔单坝溃决洪水过程等效模型, 该等效模型基本反映了梯级坝溃决诱发洪水的洪峰过程, 并成功预测了多个坝间距为百公里量级的梯级坝溃决洪水洪峰高程和流量, 可望为流域防洪和梯级坝设计提供理论依据.
    高雷诺数湍流风场大涡模拟的并行直接求解方法1)
    包芸, 习令楚
    力学学报. 2020, 52(3):  656-662.  doi:10.6052/0459-1879-20-052
    摘要 ( 75 )   HTML ( 4 )   PDF (5251KB) ( 69 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    在环境流体力学中,风场是风沙流、风雪流等自然环境特性问题研究的动力源和基础. 通常采用壁湍流模型进行风场大涡模拟(large eddy simulation, LES)计算,但受到计算规模的限制使得 高雷诺数风场的模拟计算难以实现. 并行计算技术是解决大规模高雷诺数风场大涡模拟的关键技术之一. 在不可压湍流风场的LES模拟中,压力泊松方程的并行计算技术是进行规模并行计算的困难点. 根据风场流动模拟计算的特点,采用水平网格等距而垂直于地面网格非等距,在解决规模并行计算中求解压力泊松方程的难点问题时,利用FFT解耦三维泊松方程使其变为垂向的一维三对角方程, 并利用可并行的三对角方程PDD求解技术,可建立三维泊松方程的直接并行求解技术. 结合其它容易并行的动量方程计算,本文建立风场LES模拟的并行直接求解方法(parallel direct method-LES, PDM-LES). 在超级计算机上对新方法进行并行效率测试,并行计算效率达到90${\%}$. 新的方法可用于进行湍流风场大涡模拟的大规模并行计算. 计算结果表明,湍流风场瞬时速度分布近壁面存在条带状的拟序结构,平均场的速度分布符合速度对数律特性,风场湍流特性基本合理.
    边坡稳定分析的虚功率法1)
    吴梦喜, 杨家修, 湛正刚
    力学学报. 2020, 52(3):  663-672.  doi:10.6052/0459-1879-20-040
    摘要 ( 59 )   HTML ( 1 )   PDF (855KB) ( 47 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    基于有限元计算所得应力场的改进极限平衡法, 对渗流与有效应力耦合作用强烈的边坡或地基的稳定性分析具有优势. 本文提出了边坡稳定分析的虚功率法, 即基于极限分析的上限定理, 利用机动许可的组合刚体滑动机构和有限元应力场, 用滑动机构的速度间断面上的抗滑力功率与滑动力功率的比值计算安全系数. 通过分步优化方法, 获得边坡给定滑动机制的稳定安全系数. 对2个典型折线滑动机构的边坡案例进行了分析, 比较了采用静力平衡应力场和静力许可应力场对安全系数的影响. 指出基于土体线弹性本构模型所得的有效应力场计算的稳定安全系数, 也是边坡稳定安全性的一个不错的度量. 算例中本文计算所得的边坡稳定安全系数, 与文献中推荐的答案很接近, 其滑动机制与有限元强度折减法分析所得的滑动机制基本一致, 安全系数也接近, 表明本文提出的方法是合理的边坡稳定分析新方法, 为边坡和地基的稳定性分析提供了新的选择.
    粗糙床面物质交换特性及其主导机制实验研究1)
    樊靖郁, 陈春燕, 赵亮, 王道增
    力学学报. 2020, 52(3):  673-679.  doi:10.6052/0459-1879-20-037
    摘要 ( 25 )   HTML ( 1 )   PDF (3459KB) ( 23 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    粗糙底床泥-水界面区域的物质交换过程不仅与水动力作用有关,还涉及到底床物理特性和床面形态的影响. 为研究粗糙底床渗透率和床面微地形对泥-水界面物质交换过程的综合影响,通过实验室环形水槽实验,测量得到不同砂质平整底床和存在离散粗糙元床面条件下,泥-水界面物质交换通量和有效扩散系数的定量数据和变化特征,并采用参数化方法分析无量纲控制参数变化范围内界面物质交换特性的主导机制. 实验结果表明,粗糙底床渗透率和床面微地形共同对泥-水界面物质交换过程起重要作用. 与平整底床相比,离散粗糙元局部绕流结构驱动的附加泵吸交换不同程度增大了界面物质交换通量,其增强效应与底床渗透率和床面粗糙度的变化密切相关. 随底床渗透率和床面粗糙度的增大,有效扩散系数总体呈增大趋势,湍流渗透对界面物质交换的影响趋于增强,而泵吸交换的相对贡献趋于减弱. 因此,分析存在床面微地形粗糙底床的主导界面物质交换机制,需要考虑底床渗透率和床面粗糙度的综合影响.
    沙丘背风侧不同铁路结构形式对风沙环境的适应性分析1)
    王文博, 黄宁, 顿洪超
    力学学报. 2020, 52(3):  680-688.  doi:10.6052/0459-1879-20-043
    摘要 ( 99 )   HTML ( 1 )   PDF (11936KB) ( 41 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    当铁路穿越大风沙漠地区时,风沙灾害会对铁路工程及其正常运营产生严重威胁,而设计一种合理的铁路结构形式能够减小风沙沉积对铁路工程的危害. 在本文中,以敦煌至格尔木铁路沙山沟段落为研究对象,采用多相流的方法对越过沙丘的风沙运动过程进行数值模拟,分别讨论了风沙运动对位于沙丘背风坡的铁路路基工程和桥梁工程的影响. 主要的模拟结果显示:路基工程明显降低了风速并且将沙丘后的回流区分成了两部分,而桥梁工程的导流效应则压缩了沙丘背风坡的回流区;轨道间的道碴增大了铁路表面的粗糙度,在轨道间有少量沙粒沉积,而路基工程两侧则有大量积沙;铁路表面的积沙量与摩阻风速呈现出非线性关系,随着摩阻风速的增大,路基工程沙粒沉积的增加速度大于风蚀能力的增加速度,而桥梁工程则正好相反. 在防止风沙危害铁路方面,设置桥梁工程明显优于路基工程. 本研究为风沙运动对铁路工程的影响提供了理论支持,也为今后的铁路工程设计提供了新的思路与研究工具.
    再悬浮底泥中非吸附性污染物释放的数值模拟1)
    程鹏达, 朱心广, 冯春, 王晓亮
    力学学报. 2020, 52(3):  689-697.  doi:10.6052/0459-1879-20-047
    摘要 ( 47 )   HTML ( 2 )   PDF (1518KB) ( 58 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    环境水动力学中, 湖库底泥中污染物释放是人们研究的主要问题之一. 在水动力学条件作用下, 污染底泥再悬浮使大量污染物被重新释放出来, 造成水体的二次污染. 本文基于水槽实验研究提供的大量实测数据, 建立上覆水体-底泥-污染物的耦合力学模型. 在上覆水体不同流速条件下, 数值模拟底泥起动再悬浮过程以及污染物释放过程. 分析流场特性和污染物浓度之间的关系, 得到速度、颗粒体积分数、污染物浓度、湍动能以及时间等参数之间的定量关系. 研究表明, 底泥再悬浮污染物释放过程, 是由上覆水体-底泥-污染物构成的耦合过程. 迅速进入上覆水体的底泥颗粒, 影响了上覆水体流动特性, 进而影响到污染物的释放. 对于非吸附性污染物, 底泥起动后复杂的流场特性是底泥再悬浮污染物释放的主要影响因素. 当流场特性(如雷诺数)改变时, 对流和湍流扩散作用在污染物输运过程贡献不同. 建立上覆水体-底泥-污染物的耦合模型, 研究水动力学条件与底泥污染物释放规律的定量化关系, 可为构建湖库区域水污染模型提供支撑.
    非均匀积污下高压绝缘子电位及电场分布特性1)
    毛东, 唐秋明, 高强
    力学学报. 2020, 52(3):  698-706.  doi:10.6052/0459-1879-20-042
    摘要 ( 39 )   HTML ( 1 )   PDF (6250KB) ( 22 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    高压绝缘子在输变电工程中承担着绝缘的重要角色. 由于工业化的飞速发展, 雾霾和沙尘等天气的频繁出现, 污秽颗粒在大气流场的作用下在绝缘子表面沉积, 容易发生污闪事故, 严重影响着电网的安全运行. 将高压绝缘子污闪发生的主要过程-绝缘子的动态积污和表面电场畸变过程进行耦合分析, 探究污闪发生的机理. 建立绝缘子周围的欧拉-欧拉气固两相流模型, 对绝缘子动态积污过程进行数值模拟, 获得绝缘子表面的非均匀积污层分布; 创建其表面导电层单元, 结合有限元方法建立积污绝缘子电场模型, 对非均匀积污层分布的绝缘子串进行电位及电场分析. 研究结果表明: 在积污层非均匀分布情况下, 绝缘子表面积污层周向位置对其电位分布的趋势影响较小, 但对绝缘子表面电场畸变的发生位置影响较大. 随着周向位置的变化, 电场畸变位置的偏移也不同, 且侧风面电场畸变的偏移最大. 随着积污层电导率的增大, 电场强度大于清洁绝缘子表面的场强, 且背风侧的场强畸变最大.
    基于碰撞模型的斜坡滚石颗粒速度预测1)
    魏新容, 段绍臻, 孙金龙, 王文达
    力学学报. 2020, 52(3):  707-715.  doi:10.6052/0459-1879-20-039
    摘要 ( 83 )   HTML ( 1 )   PDF (2184KB) ( 58 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    滑坡滚石灾害是西部山区常见的地质灾害类型,具有突发性和随机性强的特点,是山区地质灾害预测和防治工作的重点和难点. 本文基于颗粒接触理论,考虑影响斜坡滚石碰撞过程中的随机因素,建立了用于预测斜坡滚石颗粒碰撞后速度的理论模型. 根据冲量及冲量矩定理建立滚石颗粒碰撞基本方程,得到斜坡滚石颗粒碰撞后反弹速度的解析解. 结果表明:斜坡滚石碰撞后反弹速度的解析解包含了坡角、坡体上被碰颗粒速度以及角度、入射速度和角度以及撞击角度等随机因素;当考虑入射滚石颗粒与坡体上被碰颗粒的撞击角度变化时,模型预测结果与试验结果吻合较好;本文进一步预测了滚石颗粒碰撞后颗粒反弹线速度和角度以及反弹旋转角速度的概率分布情况. 结果显示,反弹颗粒速度和角度以及反弹旋转角速度的概率分布均服从高斯分布;当坡体上被碰颗粒速度和坡角发生变化时,其对反弹颗粒速度和角度以及反弹旋转角速度概率分布定性上没有影响,但是对概率分布的中心参数有显著影响.
    流体力学
    细长椭球体在水中自由下落的运动特性实验研究1)
    詹军, 张杰, 阳倦成, 倪明玖
    力学学报. 2020, 52(3):  716-727.  doi:10.6052/0459-1879-20-005
    摘要 ( 65 )   HTML ( 3 )   PDF (11022KB) ( 58 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    固体颗粒在液体中的运动现象在日常生活和工业应用领域广泛存在, 其中因蕴含着丰富的流体力学现象而受到学者们的广泛关注. 本文通过实验研究了细长椭球体在水中受浮力影响的下落特性. 实验中采用带有两台相互垂直的高速摄像机和光源组成的运动跟踪平台并结合荧光染色技术对细长椭球体下落过程中的运动轨迹和尾涡结构进行研究. 文中选用的细长椭球体与环境流体的密度比为1.2, 其长短轴比范围为2$\sim $10, 相应的阿基米德数范围为400$\sim$1400, 对应实现的终态雷诺数范围为120$\sim$1350. 实验过程中我们观察到细长椭球体在水中下落过程中产生的5种典型路径, 分别为: 小振幅不规则运动、小振幅高频振荡运动、大振幅低频振荡运动、高度非线性运动以及直线运动, 并得到了对应的速度振荡以及倾斜角的演化规律. 进一步地, 分析了细长椭球体运动过程中受到的阻力系数与雷诺数之间的关系. 随后采用荧光可视化技术清晰获得了颗粒下落过程中的尾涡结构特性, 并结合颗粒的运动状态详细分析了涡脱落过程对颗粒运动状态转捩的影响. 最后, 通过对比前人关于圆柱体下落的运动特性的相关结果, 获得了细长椭球体和细长圆柱体运动特性之间的异同点以及其潜在的物理机理.
    固体颗粒对半球扰动尾迹影响的实验研究1)
    张艳涛, 孙姣, 高天达, 范赢, 陈文义
    力学学报. 2020, 52(3):  728-739.  doi:10.6052/0459-1879-19-353
    摘要 ( 98 )   HTML ( 1 )   PDF (20860KB) ( 54 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry, PIV)研究固体颗粒对放置在平板层流边界层中半球粗糙元尾迹的影响. 实验采集了清水和加入粒径为140 $\mu$m, 220 $\mu$m, 350$\mu$m聚苯乙烯固体颗粒4种工况下二维速度场信息, 基于半球半径的雷诺数为994 ($Re_R=RU/\upsilon$), 固体颗粒的体积浓度为$3.0\times10^{-5}$. 对比清水和两相工况下的平均速度剖面、湍流强度等宏观统计量, 分析固体颗粒对半球尾迹流动宏观特性的影响. 分别利用沿流向不同位置的流向脉动速度的二维空间相关系数和法向脉动速度的功率谱密度函数分析颗粒对尾迹结构演化过程及尾迹结构脱落频率的影响. 结果发现: 与清水相比, 回流区随颗粒粒径增大而逐渐增大; 颗粒使湍流强度增大, 回流区的存在导致在半球后流向位置$2R$前后区域湍流强度呈现不同变化趋势; 颗粒使尾迹结构的流向尺度减小并且随着颗粒粒径的增大先减小后增大; 在尾迹结构运动过程中颗粒的存在促进了尾迹结构的周期性加速和减速运动, 促进作用随着颗粒粒径的增大先增强后减弱; 颗粒的存在促进了尾迹结构的脱落, 脱落频率随颗粒粒径的增大先增大后减小.
    固体力学
    La$_{30}$Ce$_{30}$Al$_{15}$Co$_{25}$金属玻璃应力松弛行为1)
    陈迎红, 王云江, 乔吉超
    力学学报. 2020, 52(3):  740-748.  doi:10.6052/0459-1879-20-013
    摘要 ( 72 )   HTML ( 5 )   PDF (2777KB) ( 50 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    作为潜在的工程材料, 金属玻璃在材料科学和凝聚态物理等领域引起广泛的研究兴趣. 金属玻璃结构与性能的关系表明, 金属玻璃的动态非均匀性与其黏弹性和塑性紧密相关. 然而, 宏观应力松弛行为与动态弛豫之间的物理图像并不清晰. 与传统金属材料不同, 金属玻璃的变形机理非常复杂. 应力松弛是一种表征玻璃体系黏弹性和塑性变形机制的有效手段, 从而探索结构和动态非均匀性. 本研究以La$_{30}$Ce$_{30}$Al$_{15}$Co$_{25}$金属玻璃为模型体系, 在较宽的温度窗口研究了其应力松弛行为. 研究结果表明, 与传统金属玻璃不同, La$_{30}$Ce$_{30}$Al$_{15}$Co$_{25}$金属玻璃具有明显的$\beta $弛豫行为. 基于Kohlarausch-Willams-Watts (KWW)方程的分析表明, 金属玻璃应力松弛为动态不均匀过程; 热动力学分析发现La$_{30}$Ce$_{30}$Al$_{15}$Co$_{25}$金属玻璃应力松弛存在显著的双阶段行为, 即从高应力条件下应力驱动为主导的松弛行为, 向低应力下热激活为主导的松弛行为发生转变. 通过激活能谱模型分析表明, 应力松弛单元的激活并非均匀, 而是存在能量上的起伏, 金属玻璃对于外力响应是一个渐进过程, 具有动力学不均匀性. 本研究进一步构建了金属玻璃的结构和动态非均匀性之间的关联, 为研究金属玻璃的$\alpha $弛豫和$\beta $弛豫提供了强有力的支撑.
    基于一类非局部宏-微观损伤模型的裂纹模拟1)
    卢广达, 陈建兵
    力学学报. 2020, 52(3):  749-762.  doi:10.6052/0459-1879-19-319
    摘要 ( 129 )   HTML ( 2 )   PDF (9560KB) ( 97 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    结合近场动力学和统一相场理论的基本思想, 最近提出了一类非局部宏-微观损伤模型, 为固体裂纹扩展模拟提供了新途径. 本文在此基础上改进了微观损伤准则, 并给出损伤的$\bar{\lambda}-\ell$语言以刻画固体破坏过程中位移场的不连续程度. 在改进模型中, 首先根据两物质点(即物质点对)之间的变形量, 基于相对临界伸长量的历史最大超越程度, 给出表征物质键性能退化的微细观损伤. 进而, 对影响域内的物质键损伤进行空间局部加权平均, 获得宏观拓扑损伤. 通过引入能量退化函数, 建立基于能量的损伤与宏观拓扑损伤之间的关系, 由此将其嵌入连续损伤力学基本框架, 形成了问题求解的基本方程. 该模型是一类非局部化模型, 可采用有限单元法进行离散求解, 避免了经典局部损伤力学所面临的网格敏感性问题. 文中, 进一步将其应用于具有强非线性回弹特性的裂纹扩展模拟问题. 实例分析表明, 本文方法不仅可以把握裂纹扩展模式, 而且能够定量刻画裂纹扩展过程中的载荷-变形关系. 最后指出了需要进一步研究的问题.
    平纹机织碳纤维复合材料的多尺度随机力学性能预测研究1)
    许灿, 朱平, 刘钊, 陶威
    力学学报. 2020, 52(3):  763-773.  doi:10.6052/0459-1879-20-002
    摘要 ( 67 )   HTML ( 2 )   PDF (6190KB) ( 45 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    平纹机织碳纤维复合材料在结构上具有多尺度特性和空间随机性. 同时, 组分材料会因存储条件和组成相成分、批次的不同导致力学性能有所差异. 当考虑各尺度结构和组分性能参数不确定性进行随机力学性能预测时, 存在以下两个难点: 一是随机变量众多, 使得对不确定性传递方法的精度和效率提出了要求; 二是由于随机参数之间存在高维相关性, 需要建立高精度的相关性模型. 针对以上问题, 本文提出了基于混沌多项式展开和Vine Copula的平纹机织复合材料多尺度随机力学性能预测方法, 综合考虑了平纹机织碳纤维复合材料微观及介观尺度的材料、结构随机参数, 基于自下而上层级传递的策略逐尺度地研究力学性能不确定性. 该方法采用Vine Copula理论构造相关随机变量的高维联合概率分布, 并运用非嵌入式混沌多项式展开法实现不确定性传递. 结果显示, 本方法构造的相关性模型几乎与原模型一致, 且能够高效准确地实现各尺度力学性能的随机预测.
    结构冲击畸变问题的直接相似方法研究1)
    王帅, 徐绯, 代震, 刘小川, 李肖成, 杨磊峰, 惠旭龙
    力学学报. 2020, 52(3):  774-786.  doi:10.6052/0459-1879-19-327
    摘要 ( 76 )   HTML ( 3 )   PDF (3775KB) ( 69 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    结构受冲击时由不同材料引起比例模型与全尺寸原型的畸变, 通常通过修正比例模型的速度或密度进行补偿. 然而传统的修正方法, 存在需预先测试结构响应、依赖特殊本构方程、不能反映动态过程的缺陷, 因而限制了相似理论在比例模型试验中的直接应用. 本文提出了一种不同材料畸变问题的直接相似方法. 它通过建立应变率区间上比例模型预测的流动屈服应力与原型流动屈服应力的最佳逼近关系, 直接获得了修正速度或修正密度的比例因子, 完成了比例模型与原型的动态相似关系. 基于Norton-Hoff, Cowper-Symonds, Johnson-Cook三种经典的本构模型, 研究了材料应变率敏感性特征参数、参考应变率、屈服应力、密度在动态相似关系中的作用. 并通过受质量冲击的折板结构算例, 验证了直接相似方法的有效性. 分析表明, 本文提出的直接相似方法不需要预先测试结构的响应, 不依赖特殊的本构方程、强调动态相似特性, 具有直接、高效、通用的特点. 此外, 动态相似关系的最佳逼近效果, 受材料应变率敏感性特征参数控制, 屈服应力、密度和参考应变率影响不大; 当比例模型应变率敏感性特征参数与原型相近, 可获得最佳逼近.
    基于能量密度等效的超弹性压入模型与双压试验方法1)
    张希润, 蔡力勋, 陈辉
    力学学报. 2020, 52(3):  787-796.  doi:10.6052/0459-1879-20-023
    摘要 ( 64 )   HTML ( 4 )   PDF (10388KB) ( 120 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    针对超弹性材料压入问题, 本文基于能量密度中值等效原理, 提出了描述球、平面、锥3类压头独立压入下载荷、深度、压头几何尺寸和Mooney-Rivlin本构关系参数之间关系的半解析超弹性压入模型(semi-theoretical hyperelastic-material indentation model, SHIM), 进而提出了球、平面、锥压入组合的双压试验方法(indentation method due to dual indenters, IMDI). 正向验证表明, 基于系列超弹性材料的本构关系参数, 由SHIM分别预测的球、平面、锥3类压入下的载荷-位移曲线与有限元分析(finite element analysis, FEA)结果之间密切吻合; 反向验证表明, 基于系列超弹性材料的FEA条件本构关系下3类压入的载荷-位移曲线, 由双压试验方法预测的Mooney-Rivlin本构关系与FEA条件本构关系密切吻合. 针对3种超弹性橡胶, 完成了球、平面、锥压入试验, 应用双压试验方法获得的3组Mooney-Rivlin本构关系均与单轴拉伸试验结果吻合良好.
    预应变对中子辐照高纯铝拉伸性能的影响1)
    叶想平, 段志伟, 俞宇颖, 耿华运, 李雪梅, 胡凌, 蔡灵仓, 刘仓理
    力学学报. 2020, 52(3):  797-804.  doi:10.6052/0459-1879-19-370
    摘要 ( 47 )   HTML ( 2 )   PDF (14919KB) ( 24 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    金属材料的中子辐照硬化和脆化一直都是核能安全领域十分关注的重要问题之一. 为了进一步认识预应变对中子辐照金属材料塑性形变和最终断裂特性的影响规律, 及其微观机理, 本文研究了10%拉伸预应变高纯铝的拉伸应力-应变曲线、失稳应力和失稳应变等随辐照剂量的变化规律. 结果表明, 辐照剂量越高, 预应变高纯铝内部孔洞的尺寸和数密度越高, 导致屈服强度和极限拉伸强度越高, 均匀延伸率和失稳应变越小, 表现出典型的辐照硬化和脆化效应, 但失稳应力与辐照剂量几乎无关. 相同辐照剂量条件下, 预应变引入的高密度位错能够显著降低辐照孔洞的尺寸和数密度, 加之辐照退火效应的综合影响, 导致预应变能够降低高纯铝屈服强度的增长率和失稳应变的下降率, 从而表现出一定的抑制辐照硬化和脆化的能力, 预应变还能够提高高纯铝的失稳应力, 但整体而言预应变并不能提高高纯铝的延性. 最后, 基于J-C本构模型的中子辐照退火态金属材料的脆化模型能够直接应用于预应变金属材料, 且模型预测结果与实验结果吻合较好.
    动力学与控制
    在轨组装空间结构面向主动控制的动力学建模1)
    王恩美, 邬树楠, 吴志刚
    力学学报. 2020, 52(3):  805-816.  doi:10.6052/0459-1879-19-375
    摘要 ( 98 )   HTML ( 2 )   PDF (2433KB) ( 59 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    在轨组装是未来超大型空间结构最有发展潜力的构建方式之一, 组装过程中空间结构尺寸逐渐增长、动力学特性也随之改变, 给结构主动控制任务带来了新的挑战. 针对这一问题, 提出一种在轨组装空间结构面向主动控制的动力学建模方法. 首先, 建立不同类别组装模块的基础模型库, 以用于后续直接调用; 然后, 定义模块的邻接关系矩阵以描述在轨组装过程中空间结构的变化, 并根据在轨组装任务特点, 设计了面向分布式控制的智能组件结构形式; 在有限元建模方法的基础上提出"节点自由度加载"方法, 利用模块的基础模型库与邻接关系矩阵, 分别建立智能组件和空间结构整体的动力学模型, 该模型可随组装的进行同步自适应更新; 最后, 以在轨组装桁架结构为例, 给出组装碰撞冲击下动力学建模与分布式主动控制数值仿真. 结果表明, 在轨组装过程中桁架结构整体的动力学特性有明显的变化, 主动控制非常必要; 基于提出的建模方法, 可高效地建立构型多样的在轨组装空间结构动力学模型; 智能组件的动力学模型在组装过程中可进一步根据邻接关系矩阵限定更新范围, 适用于在轨组装过程中的分布式主动控制系统设计.
    两关节压力驱动柔性仿生机器鱼的设计与仿真1)
    教柳, 张保成, 张开升, 赵波
    力学学报. 2020, 52(3):  817-827.  doi:10.6052/0459-1879-20-001
    摘要 ( 54 )   HTML ( 1 )   PDF (6234KB) ( 27 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    为研究设计一种柔软度高、环境适应性强的新型仿生机器鱼, 模仿鲨鱼外形及鲔科鱼类的游动姿态, 设计了一种采用液压柔性驱动结构的仿生机器鱼. 针对单关节液压驱动柔性机器鱼存在其C型摆动姿态不符合鲔科鱼类摆动规律的问题, 采用两关节液压柔性驱动模拟鱼类S型摆动, 并根据液压柔性驱动器原理设计仿生鱼的内部结构. 依据理论波动方程确定机器鱼的摆动幅值, 借助数值模拟计算施加在柔性驱动器内部的压强载荷大小, 并分析计算液压柔性驱动器的驱动效率. 应用有限元分析软件模拟仿生鱼在流体中的自主游动过程, 并将两关节机器鱼与单关节机器鱼的自主巡游过程进行对比仿真, 获得两种机器鱼在流体中自主巡游时的运动姿态、游动速度及流场情况. 结果表明, 在相同的频率与尾鳍摆幅下, 两关节柔性机器鱼的巡游平均速度为0.29 BL/s (BL为鱼体体长), 高于单关节机器鱼巡游平均速度0.15 BL/s, 且由速度矢量图可得出两关节仿生鱼的S型摆动姿态更接近真实鱼类摆动规律, 并在运动过程中会产生一系列离散的反向卡门涡街, 推进效率高.
    生物、工程及交叉力学
    天然气水合物开发多物理场特征及耦合渗流研究进展与建议1)
    李淑霞, 郭尚平, 陈月明, 张宁涛, 武迪迪
    力学学报. 2020, 52(3):  828-842.  doi:10.6052/0459-1879-20-050
    摘要 ( 80 )   HTML ( 4 )   PDF (4084KB) ( 73 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    天然气水合物作为一种非常规的清洁能源, 在全球分布广、资源量大. 自20世纪90年代以来, 加拿大、美国、日本、中国已经先后进行了陆域及海域的水合物试采, 但发现出砂、单井日产气量低、稳产时间短等问题, 试采产量远不能满足商业化开发的需求, 其中核心问题是对水合物开发过程中的相变、多相多组分多场耦合渗流特征的认识不够明晰. 本文根据天然气水合物开发过程中涉及的渗流场、温度场、化学场、力学场等多场耦合特征, 重点综述水合物生成/分解对各物理场主要特征参数的影响, 包括水合物储层的孔隙度、水合物饱和度、渗透率、相对渗透率等基础物性参数及其动态演变, 天然气水合物的导热系数、比热容、热扩散系数以及水合物生成/分解热等热力学参数, 天然气水合物生成、分解动力学特征, 纯水合物以及含水合物沉积物的力学性质等, 最后阐述了天然气水合物开发渗流中的多场耦合关系及相互作用, 提出了今后水合物开发多物理场特征及耦合渗流的科学研究、技术开发的有关建议.
    骨陷窝-骨细胞形状和方向对骨单元内液体流动行为的影响1)
    于纬伦, 武晓刚, 李朝鑫, 孙玉琴, 张美珍, 陈维毅
    力学学报. 2020, 52(3):  843-853.  doi:10.6052/0459-1879-19-357
    摘要 ( 60 )   HTML ( 3 )   PDF (17275KB) ( 13 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    骨组织内的流体流动不仅为骨细胞的生存提供了充足营养供应及代谢物排放途径,也在骨重建过程中起到关键作用. 为了更精确地阐明骨内液体流动的具体形式,这项研究利用骨陷窝-骨细胞的密度,形态和方向等参数来计算骨单元内液体的流动行为. 首先,计算出不同形状和方向的骨陷窝周围骨小管的数量及分布情况,其次利用算出的参数以及骨组织其他微结构数据来估计骨组织的渗透率和孔隙率等参数,最后根据计算所得的参数建立骨单元的多孔弹性力学有限元模型,并分析了在轴向位移载荷作用下骨陷窝形状和方向对骨单元内液体渗流行为的影响. 结果表明,在所研究的参数范围内不同骨单元模型的相同区域上,骨陷窝形状影响下的骨单元最大压力和流速比最小的分别增加了86%和18%;骨陷窝方向影响下的最大压力和流速比最小的分别增加了125%和56%. 伸长形骨陷窝对单个骨单元局部压力的影响远大于扁平形和圆形骨陷窝. 骨陷窝从0°绕$x$轴旋转到90°过程中压力是逐渐降低的,且30°,45°和60°的模型对骨单元内局部流速有显著影响. 该模型表示骨陷窝的形状和方向以及骨小管的三维分布对骨单元内液体压力和流速幅值及沿不同方向的流动差异有显著的影响. 这项研究将有助于精确量化描述骨内液体的流体行为.
    悬浮态上皮细胞粘附的力学-化学耦合模型及数值模拟1)
    冯世亮, 周吕文, 吕守芹, 龙勉
    力学学报. 2020, 52(3):  854-863.  doi:10.6052/0459-1879-20-011
    摘要 ( 25 )   HTML ( 1 )   PDF (498KB) ( 21 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    上皮细胞通过局部募集上皮性钙粘附蛋白 (E-cadherin) 建立胞间粘着连接, 实验证实该过程受到肌球蛋白皮层张力的调控. 为了从系统层面阐明粘着连接形成动力学过程, 本文考察皮层张力调控肌动蛋白 (F-actin) 解聚从而参与E-cadherin级联转导, 同时以马达-离合器机制模拟两细胞相互作用, 据此构建可反映悬浮态细胞粘附的力学-化学耦合数学模型; 对整体包含随机点源的非线性反应-扩散方程组与平衡微分方程耦合系统采取了自行发展的格子Boltzmann-粒子法与蒙特-卡洛法数值求解. 数值模拟表明, 由收缩性肌球蛋白 (myosin-II) 拉动胞间E-cadherin成键可提升皮层张力, 进而降低F-actin解聚速率﹑锚定更多的E-cadherin; 所构成的力学反馈回路展现出时空效应, 可帮助E-cadherin在接触区建立初始极性; E-cadherin形成顺式二聚体则将初始极性放大, 导致接触区E-cadherin展现起始、快速增长及慢速增长的积聚动力学特征. 皮层呈松散结构时刚度较小, 可通过延长胞间E-cadherin成键寿命提升张力, 而接触区弧度适中时($\approx$1.2 rad) E-cadherin峰值最高; 两者可分别作为启动力学反馈回路及调控粘着连接成熟度的有效手段.
    不同加载边界下混凝土巴西劈裂过程及强度的DIC实验分析1)
    徐纪鹏, 董新龙, 付应乾, 俞鑫炉, 周风华
    力学学报. 2020, 52(3):  864-876.  doi:10.6052/0459-1879-19-303
    摘要 ( 78 )   HTML ( 1 )   PDF (22019KB) ( 34 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    平板、垫条、圆弧压模及平台试样等不同加载方式下, 脆性材料巴西劈裂实验结果的差异一直是人们所讨论的问题. 本文设计了混凝土平板直接加载与采用垫条加载实验, 采用理论、高速相机与数字图像相关法(digital image correlation, DIC)相结合的方法, 对试样表面应变场演化、起裂位置及裂纹扩展过程进行分析, 探讨了不同的加载边界对试样应变集中演化及劈裂拉伸强度结果的影响. 结果显示: (1)混凝土拉伸非线性特性导致的应变集中演化对不同加载条件非常敏感, 平板加载时应变集中较早在加载端起始并向中心演化, 即使满足巴西实验"中心起裂"条件, 其强度仍低于垫条加载情况, 两者差别达17.9%; (2)如果软垫条加载接触角合理设计, 与平板直接加载相比, 其应力场更稳定, 有利于保证圆盘试样的应变集中及断裂均从中心起始, 更好满足巴西劈裂实验条件; (3)仅校验巴西实验 "中心起裂"有效性条件是不充分的, 设计时必须谨慎考虑. 研究结果对脆性材料巴西劈裂实验设计、测试分析具有重要参考意义.
    土剪破坏次声监测试验研究1)
    陈乔, 张阔, 陈吉龙, 张少杰, 吕君, 周儒夫, 韦方强
    力学学报. 2020, 52(3):  877-889.  doi:10.6052/0459-1879-19-253
    摘要 ( 71 )   HTML ( 1 )   PDF (27285KB) ( 26 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    土质滑坡临滑会产生次声波, 次声监测可以作为判断土质滑坡临滑的一种技术手段. 在考虑到滑坡的力学方式是以剪切破坏为主的前提下, 为了探明土质滑坡过程中的次声信号响应特征, 设计了土体直剪实验次声-力-位移联合监测系统, 开展了土体剪破坏次声监测试验, 在次声事件自动拾取的基础上, 结合黏性土渐进性破坏理论, 分析了剪切过程中的微观声学机理, 结果表明: (1)黏性土剪切破坏时发出的次声信号主要来源于弹性阶段中黏土颗粒的相互挤压、弹塑性阶段中以黏土胶体团粒本身的拉张破裂和应变软化阶段中土颗粒间的摩擦; (2)在土体剪切载荷的不同阶段, 次声信号的幅值大小呈现出应变软化阶段<弹性阶段<弹塑性阶段的规律; (3)剪切力与次声信号之间存在较强的相关性, 次声事件的峰值包络线与剪切力趋势线相当吻合, 并且次声信号的均方功率峰值都在推力峰值之前, 平均提前为22.95 s. 研究对进一步利用次声开展土质滑坡的监测和稳定性评价具有重要的理论参考价值.
    流变岩体中让压支护作用下隧道力学行为研究1)
    吴奎, 邵珠山, 秦溯
    力学学报. 2020, 52(3):  890-900.  doi:10.6052/0459-1879-20-006
    摘要 ( 48 )   HTML ( 6 )   PDF (5671KB) ( 43 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    高地应力深埋软岩隧道大变形问题已成为隧道工程建设领域的突出难题. 根据高地应力深埋软岩隧道的变形特征, 基于"围岩能量吸收、变形释放"的让压支护是解决软岩隧道大变形问题的有效方法. 针对流变岩体中深埋圆形隧道在让压支护作用下的力学响应问题, 通过引入分数阶微积分理论, 采用Abel黏壶元件建立了改进的分数阶Burgers蠕变模型来表征围岩的时效变形. 此外, 通过在让压支护不同变形阶段引入刚度修正系数, 克服了传统支护未能考虑围岩变形释放的问题. 据此, 本文推导了在考虑支护延迟安装影响下, 不同变形阶段围岩与让压支护相互作用的解析解. 为了验证理论研究的正确性, 对一算例进行了不同解答及工程结果的比对, 吻合较好. 最后, 参数研究结果表明: 围岩与让压支护间的相互作用受蠕变本构模型分数阶阶数影响较大. 隧道的位移或支护压力与让压位移、支护刚度修正系数间存在线性比例关系, 但由于刚度修正系数仅保持在较小的变化范围内, 隧道的位移或支护压力变化并不显著.