《力学学报》由首任主编钱学森等创刊于1957年,由中国科学院主管、中国科学院力学研究所和中国力学学会主办。历任主编为钱学森、郭永怀、郑哲敏、林同骥、黄克智、吴承康、王自强、杨卫、程耿东、郑泉水、魏悦广,现任主编陆夕云(中国科学技术大学)。《力学学报》是力学学科的综合性学术刊物,获得首届国家期刊奖、第二届国家期刊奖百种重点期刊、《共和国期刊60年》(力学学科唯一入选)、百种中国杰出学术期刊奖、中国科协top50、全国科技百强期刊、数字影响力100强等多项荣誉。《力学学报》的报道方向包括在理论和应用力学所有领域里,在理论、方法和实验方面的研究进展。期刊鼓励发表与力学相关的交叉学科的研究成果,力求成为力学与其他工程和科学分支的桥梁,成为有助于中国力学年青学子成长和推动与中国重大工程建设合作的平台。更多>>
2021年 第53卷 第2期 刊出日期:2021-02-07
上一期   
研究综述
固体结构损伤破坏统一相场理论、算法和应用1)
吴建营
2021, 53(2):  301-329.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-295
摘要 ( 550 )   HTML ( 7)   PDF (6488KB) ( 454 )  
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固体开裂引起的损伤和断裂是工程材料和结构最为普遍的破坏形式. 为了防止这种破坏, 结构设计首先必须了解裂缝在固体内如何萌生、扩展、分叉、汇聚甚至破碎; 更重要的是, 还需要准确量化这些裂缝演化过程对于结构完整性和安全性降低的不利影响. 针对上述固体结构损伤破坏问题, 本工作系统地介绍了笔者提出的统一相场理论、算法及其应用. 作为一种裂缝正则化变分方法, 统一相场理论将基于强度的裂缝起裂准则、基于能量的裂缝扩展准则以及满足变分原理的裂缝路径判据纳入同一框架内. 不仅常用的脆性断裂相场模型是该理论的特例, 还自然地给出了一类同时适用于脆性断裂和准脆性破坏的相场正则化内聚裂缝模型即 PF-CZM. 该模型非常便于通过有限元等方法加以数值实现; 为了求解有限元空间离散后得到的非线性方程组, 还介绍了几种常用的数值算法, 其中整体BFGS拟牛顿迭代算法的计算效率最高. 静力、动力和多场耦合条件下若干二维和三维代表性算例表明: 相场正则化内聚裂缝模型 PF-CZM能够高精度地再现复杂裂缝演化导致的脆性和准脆性固体损伤破坏; 特别是, 所有情况下, 模型的数值结果不依赖于裂缝尺度参数和有限元网格. 因此, 该模型具有相当好的预测能力, 有望在工程结构的损伤破坏分析方面发挥重要作用. 最后建议了若干值得进一步开展的研究课题.

流体力学
基于卷积神经网络的涵洞式直立堤波浪透射预测1)
赵西增, 徐天宇, 谢玉林, 吕超凡, 姚炎明, 解静, 常江
2021, 53(2):  330-338.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-235
摘要 ( 267 )   HTML ( 2)   PDF (1995KB) ( 126 )  
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涵洞式直立堤是一种具有特殊用途的海岸工程结构物,对其透浪特性的研究具有重要工程意义. 然而,目前众多学者对于涵洞式直立堤波浪透射问题的研究主要以理论分析、实验模拟及数值计算为主.随着机器学习技术的发展, 传统水动力学问题迎来了新的求解理念.机器学习算法可根据训练数据集自主学习相应的规律,以数据映射的方式建立水动力学特征预测模型,在实际应用中无需对流体运动控制方程进行求解, 具有较高的计算效率. 因此,本文基于卷积神经网络(convolutional neural network, CNN),对不同开孔条件下的涵洞式直立堤透浪特征进行预测.首先利用模型试验验证计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)模型的有效性,然后基于CFD模型生成相应的训练数据集, 通过训练卷积神经网络模型,建立相应的波浪透射结果之间的数据映射关系,实现在新的工况下对波浪透射系数以及透射波波形等特征的快速预测. 结果表明,经过训练的卷积神经网络可在极短时间内计算得到相应的结果, 并具有较高的准确性.研究成果可为波浪与海岸结构物相互作用的问题提供新的求解理念.

水下发射水动力的多尺度预测网络研究1)
岳杰顺, 权晓波, 叶舒然, 王静竹, 王一伟
2021, 53(2):  339-351.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-186
摘要 ( 541 )   HTML ( 3)   PDF (13401KB) ( 494 )  
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空泡的演化和水动力特征的预测在航行体发射的设计中有非常重要的意义. 人工智能技术已经成为了参数预测的重要手段.为了能够快速预测航行体水下发射过程的尾部压力的复杂变化, 提出了一种多尺度深度学习网络.该网络模型以一维卷积网络(1DCNN)为基础,构建了一种编码-解码型网络结构,通过不同的采样频率将原始数据分解为光滑部分和脉动部分,进而训练低保真度的大尺度网络和高保真度的小尺度网络.从而实现对不同物理过程的响应和捕捉.首先,通过数值模拟获得了不同发射条件下的尾部压力曲线,并结合空泡的理论机理构建了具有物理性的输入数据集.其次,将数据集进行分解处理,分别训练了两个尺度的深度学习网络. 最终将两组输出数据整合在一起,建立了底部压力预测模型.并通过测试和验证说明本文提出的多尺度网络对于多种常见的发射条件,能够实现航行体受力特征的快速准确的预测,光滑曲线、压力突变、震荡的频率和幅值都和数值模拟的结果吻合.证明本文的方法能够为运动和弹道的预测提供依据.

横向交流电场下液膜参数不稳定性分析1)
王铁晗, 富庆飞, 杨立军
2021, 53(2):  352-361.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-300
摘要 ( 250 )   HTML ( 3)   PDF (668KB) ( 139 )  
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当将运动的平面液膜置于横向的交流电场之间时会产生参数振荡现象.为了得到交流电场下平面液膜的色散关系并为液膜的破碎行为分析提供理论基础,本文基于漏电介质模型对液体的电学特性进行假设,对平面液膜在直流和交流电场下的参数不稳定性进行了分析.由于主流是基于时间的流动, 在稳定性分析中引入了Floquet理论. 在文中,将电场定义为部分交流电场和部分直流电场共同耦合后的混合型电场. 最后,波数和不稳定增长率之间的无量纲色散方程可由矩阵的形式表示.本文考虑了多种参数对不稳定的影响, 包括气液密度比、韦伯数、雷诺数、欧拉数、 松弛时间以及衡量交流电场占比的参数及频率参数,并得知欧拉数同时影响毛细不稳定性及参数不稳定性,交流电场占比对不稳定性的影响体现在恒定电场力上, 而交流电场频率主要影响参数不稳定性. 为了在实验中更容易地寻求参数振荡现象,增大电欧拉数及减小交流电场频率是有效的方法.

风剪切对风力机叶片气动性能及尾迹形状的影响1)
许波峰, 朱紫璇, 戴成军, 蔡新, 王同光, 赵振宙
2021, 53(2):  362-372.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-289
摘要 ( 67 )   HTML ( 3)   PDF (12502KB) ( 65 )  
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风力机通常运行在非定常工况中,其气动性能及尾迹会随着工况的变化而变化. 风剪切是风力机长期所处的环境,它会影响到叶片气动载荷、尾迹形状、总体性能等,分析风剪切作用下的叶片气动性能对风力机的设计有重要意义.本文采用一种时间步进自由涡尾迹(free vortex wake, FVW)方法,耦合FVW方法与风剪切模型,计算不同风剪切因子作用下叶片的气动力系数、推力以及风轮后的尾迹形状变化,研究尾迹形状变化对风轮旋转平面诱导速度及风力机叶片气动性能的影响. 结果表明:在风剪切入流条件下, 随着风剪切因子的增大,风力机的气动力系数随时间做周期性波动的幅度加剧, 推力的平均值逐渐减小,尾迹倾斜程度增大, 尾迹在轮毂下方的倾斜程度更明显;尾迹形状的变化使风轮平面轴向诱导速度因子分布不均匀,同时使风力机的总体性能降低且偏离较大;倾斜尾迹相比于对称尾迹对风轮平面处的诱导影响有明显差别, 波动幅值增大,气动力系数在波谷处的偏差比波峰处大. 尾迹越倾斜,风轮旋转平面处的载荷不对称性越明显.

基于雨燕翅膀的仿生三角翼气动特性计算研究1)
张庆, 叶正寅
2021, 53(2):  373-385.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-265
摘要 ( 193 )   HTML ( 3)   PDF (56076KB) ( 153 )  
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针对低雷诺数微型飞行器的气动布局, 设计出类似雨燕翅膀的一组具有不同前缘钝度的中等后掠($\varLambda =50^{\circ}$)仿生三角翼. 为了定量对比研究三角翼后缘收缩产生的气动效应, 设计了一组具有同等后掠的普通三角翼. 为了深入研究仿生三角翼布局的前缘涡演化特性以及总体气动特性, 采用数值模拟方法详细地探索了低雷诺数($Re=1.58\times 10^{4})$流动条件下前缘涡涡流结构和气动力随迎角的变化规律. 分析结果表明, 前缘钝度和后缘收缩对仿生三角翼前缘涡的涡流强度和涡破裂位置有显著影响. 相对于钝前缘来说, 尖前缘使仿生三角翼上下表面的压力差增大, 涡流强度也更大, 增升作用也更显著. 相对于普通三角翼构型, 仿生三角翼的前缘斜切使其阻力更大, 但后缘的收缩使涡破裂位置固定在此位置, 因此整个上翼面保持低压, 总的升力更大. 由于小迎角时升力增大更明显, 因此仿生三角翼的气动效率在小迎角时明显大于普通三角翼. 这些结论对于揭示鸟类的飞行机理以及未来微型仿生飞行器的气动布局设计具有重要的研究价值.

环形槽对通气空泡融合的促进作用分析1)
孙龙泉, 颜皓, 马贵辉, 赵纪鹏
2021, 53(2):  386-394.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-271
摘要 ( 55 )   HTML ( 2)   PDF (12694KB) ( 41 )  
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航行体出水过程中肩部的自然空化将影响航行体的载荷分布及出水姿态,工程上常采用肩部开孔通气的方式改善航行体表面的力学环境, 进而解决此类问题.本文针对水下航行体通气空泡周向融合效果不理想问题, 基于有限体积法,采用VOF (volume of fluid)多相流模型和动态铺层的动网格技术,数值研究了排气孔下游增加小尺度环形凹槽促进空泡融合的作用机制,以及不同发展阶段、不同工况下环形凹槽对空泡融合的促进作用. 结果表明,凹槽可以有效改善通气空泡的融合效果.运动坐标系下来流经过环形凹槽时因为流动膨胀发生了边界层的流动分离,其诱导产生的卷吸作用一方面迟滞了空泡的轴向发展,促进空泡产生周向尺寸更大的剪切涡并沿周向膨胀发展,另一方面将部分通气气体吸入环形凹槽,吸入槽内的气体通过挤压破碎实现了周向融合,且槽内融合气泡溢出下泄促进融合边界上移. 此外,凹槽可以通过改善空泡内部的流动状态,使空泡的形态和内部压力在不同工况下都更加稳定.

斑海豹胡须涡激振动及其尾流循迹机理直接数值模拟1)
宋立群, 及春宁, 张晓娜
2021, 53(2):  395-412.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-268
摘要 ( 78 )   HTML ( 1)   PDF (31010KB) ( 599 )  
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在视力和听力受到限制的条件下, 斑海豹可以通过具有特殊外形的胡须识别和追踪水中游鱼的尾迹. 从仿生学的角度, 对斑海豹胡须在尾迹流场中的振动特性和循迹机理进行研究, 有助于开发研制新型水下探测器. 本文采用嵌入式迭代浸入边界法,在雷诺数$Re=300$和折合流速$U_{\rm r}=6.0$的条件下, 对均匀流场和尾迹流场中斑海豹胡须模型的涡激振动进行直接数值模拟,研究了胡须模型的振动特征和尾涡结构, 并与具有相同等效直径的圆柱、椭圆柱的振动响应进行对比, 分析了不同结构外形对振动特性和尾涡结构的影响, 探讨了斑海豹胡须的感知能力和循迹机理. 模拟结果表明, 胡须结构具有显著的减阻、抑振作用, 在均匀流场中做微幅混沌运动, 这为斑海豹胡须感知提供了纯净的信号背景. 而在尾迹流场中,胡须结构的振动响应显著增强, 稳定且周期性好, 与其他柱体相比, 具有更高的信噪比和敏感度. 这揭示了斑海豹利用胡须振动识别和追踪水中游鱼尾迹的机理, 对于开发研制新型水下探测器具有重要借鉴意义.

固体力学
利用维氏和玻氏压头表征半导体材料断裂韧性1)
刘明, 侯冬杨, 高诚辉
2021, 53(2):  413-423.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-349
摘要 ( 1118 )   HTML ( 1)   PDF (4619KB) ( 427 )  
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压痕法是测量材料断裂韧性 ($K_{\rm IC})$ 的常用方法之一, 如何根据不同的材料、不同的压头选择适合的公式, 是当前面临的一大问题. 因此,在不同载荷下对单晶硅 (111) 和碳化硅 (4H-SiC, 0001面) 这两种半导体材料进行了维氏微米硬度和玻氏纳米压痕实验, 对实验产生的裂纹长度$c$进行了统计分析, 并采用13个压痕公式计算材料的$K_{\rm IC}$, 开展了微米划痕实验, 验证压痕法评估半导体材料$K_{\rm IC}$的适用性. 研究结果表明: 为了消除维氏压痕实验产生的$c$的固有离散性, 需要多次测量取平均值; 裂纹长度与压痕尺寸的比值随压痕载荷的增大而增大; 材料的裂纹类型与载荷相关且低载荷下表现为巴氏裂纹, 高载荷下表现为中位裂纹; 与微米划痕实验得到的单晶硅和碳化硅材料的$K_{\rm IC}$平均值 (分别为0.96 MPa,$\cdot$,$\sqrt{\rm m}$和2.89 MPa,$\cdot$,$\sqrt{\rm m}$) 相比, 在同一压头下无法从13个公式中获得同时适用于单晶硅和碳化硅材料的压痕公式,但在同一材料下可以获得同时适用于维氏和玻氏压头的$K_{\rm IC}$计算公式; 基于中位裂纹系统发展而来的压痕公式更适合用于评估半导体材料的$K_{\rm IC}$, 且维氏压头下的$K_{\rm IC}$与玻氏压头下$K_{\rm IC}$的关系不是理论上的1.073倍, 应为1.13$\pm $0.01.}

金属材料中低加载速率下的动态韧脆转变及断裂韧性测量1)
李一磊, 姚迪, 乔红威, 李锡华, 张鲲, 孙磊, 闫晓, 李朋洲
2021, 53(2):  424-436.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-304
摘要 ( 74 )   HTML ( 2)   PDF (15320KB) ( 42 )  
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金属材料在冲击下的韧脆转变现象和动态断裂韧性的测量是金属材料冲击力学性能研究的重要组成部分.针对金属材料在冲击下的韧脆转变现象认识不足和韧性材料在较低加载率下动态$J$-$R$阻力曲线难以测量的现状,提出了采用高速材料试验机, 设计专用试验夹具,测量15MnTi钢和11MnNiMo钢在不同加载速率下的韧脆转变过程,以及裂尖约束对其动态韧脆转变速率变化的影响.在高速材料试验机上采用上夹具辊刹车,通过调节压缩杆长度改变试验中裂纹扩展量的试验方法,测量了15MnTi钢三点弯曲试样件在较低加载率下的动态断裂韧性.试验发现15MnTi钢CT试验件加载速率低于0.025 m/s时呈现出韧性断裂的特点,加载速率在0.1,$\sim$,0.5 m/s时为韧脆结合型断裂,加载速率高于0.5 m/s后进入脆性断裂区; 11MnNiMo钢CT试验件加载速率大于1.5 m/s后,分层断裂过程中出现先脆断后韧段的现象;发现15MnTi钢和11MnNiMo的动态韧脆转变速率受裂尖约束的影响非常明显,面内约束和面外约束的升高都会导致材料动态脆断速率出现明显降低;还发现三点弯曲试验中, 15MnTi钢在8788 MPa$\cdot$mm/s加载率内断裂韧性随加载率的提升呈现出缓慢下降的趋势.

考虑微观变形特征的水凝胶均匀和非均匀溶胀分析及其影响参数研究1)
刘岩, 王惠明
2021, 53(2):  437-447.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-368
摘要 ( 71 )   HTML ( 1)   PDF (1534KB) ( 62 )  
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本文给出考虑微观变形的水凝胶溶胀的分析模型,该模型假设构成聚合物网络的单链受到由于周围链的作用而产生类似圆管状的约束,并且认为每个单链变形与网络变形之间存在非仿射关系.利用该模型分析了凝胶在自由溶胀情形,预拉伸凝胶单一方向溶胀情形以及具有刚性核的球形凝胶溶胀至平衡状态情形的变形特征.研究表明, 对于自由溶胀的均匀变形情形, 水凝胶微观单链与宏观网络的变形相一致,伸长率随链段数的增加而增大, 随单链密度的增大而减小.伸长率也会随有效圆管几何参数数值的增大而增大,但是当外部溶剂压力达到一定数值以后单链的圆管约束对凝胶溶胀变形影响逐渐减小.在单一方向溶胀状态下,预拉伸凝胶会出现微观单链和宏观网络伸长率相等的溶胀平衡状态,此时约束应力等于零.具有刚性核的球形凝胶溶胀至平衡状态时产生径向和环向伸长率不相等的非均匀球对称变形.在刚性核的附近, 单链和网络的径向伸长率均大于自由溶胀状态伸长率.在远离刚性核的位置, 单链和网络的伸长率均接近自由溶胀状态的伸长率.网络渗透压随有效圆管几何参数数值的增大而降低,溶剂分子体积分数则随有效圆管几何参数数值的增大而增大.所建立的分析模型可以模拟凝胶溶胀导致的微观单链变形.

易拉罐在轴-侧-扭-内压联合作用下的屈曲地貌
宋广凯, 孙博华
2021, 53(2):  448-466.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-315
摘要 ( 41 )   HTML ( 2)   PDF (13569KB) ( 47 )  
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柱壳结构广泛应用于各个领域, 但由于其对初始缺陷较为敏感, 容易发生灾难性的屈曲失稳. 本文利用非线性有限元分析程序ABAQUS研究了柱壳屈曲问题, 并应用到了易拉罐的屈曲分析. 首先采用数值模拟的方法验证了Virot等学者的易拉罐屈曲试验结果, 然后为了获得屈曲的一些普适结果, 进一步考察了柱壳的屈曲表现. 对柱壳结构在不同载荷组合、不同几何参数作用下进行了细致分析. 为了讨论的直观, 本文绘制了柱壳结构在受到侧压-轴压载荷作用下外力-屈曲载荷-位移三维屈曲地貌图(称为landscape). 结果表明: 在侧压-轴压-扭转载荷作用下, 试件力-位移曲线出现了"cliff"(断崖)现象; 扭转载荷的施加不利于试件整体稳定性, 并造成了试件对初始缺陷的敏感性; 对于受到轴压-扭转载荷作用的试件, 本文定义承载力为零的平面为"sea level"(海平面)来区分试件破坏模式; 通过对不同边界条件的试件进行分析, 发现试件两端固定可以有效地增加结构的承载能力, 提高稳定性. 对柱壳结构内部充气可以大幅度提升结构的承载能力和稳定性, 减小对初始缺陷的敏感度.

节点梯度光滑有限元配点法1)
樊礼恒, 王东东, 刘宇翔, 杜洪辉
2021, 53(2):  467-481.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-361
摘要 ( 43 )   HTML ( 2)   PDF (9181KB) ( 22 )  
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配点法构造简单、计算高效, 但需要用到数值离散形函数的高阶梯度,而传统有限元形函数的梯度在单元边界处通常仅具有C$^{0}$连续性,因此无法直接用于配点法分析. 本文通过引入有限元形函数的光滑梯度,提出了节点梯度光滑有限元配点法. 首先基于广义梯度光滑方法,定义了有限元形函数在节点处的一阶光滑梯度值,然后以有限元形函数为核函数构造了有限元形函数的一阶光滑梯度,进而对一阶光滑梯度直接求导并用一阶光滑梯度替换有限元形函数的标准梯度,即完成了有限元形函数二阶光滑梯度的构造.文中以线性有限元形函数为基础的理论分析表明,其光滑梯度不仅满足传统线性有限元形函数梯度对应的一阶一致性条件,而且在均布网格假定下满足更高一阶的二阶一致性条件.因此与传统线性有限元法相比,基于线性形函数的节点梯度光滑有限元法的$L_{2}$和$H_{1}$误差均具有二次精度,即其$H_{1}$误差收敛阶次比传统有限元法高一阶, 呈现超收敛特性.文中通过典型算例验证了节点梯度光滑有限元配点法的精度和收敛性,特别是其$H_{1}$或能量误差的精度和收敛率都明显高于传统有限元法.

动力学与控制
两类基于局部标架梁单元的闭锁缓解方法1)
汤惠颖, 张志娟, 刘铖, 刘绍奎
2021, 53(2):  482-495.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-274
摘要 ( 26 )   HTML ( 2)   PDF (1001KB) ( 18 )  
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对于大转动、大变形柔性体的刚柔耦合动力学问题,基于李群SE(3)局部标架(local frame formulation, LFF)的建模方法能够规避刚体运动带来的几何非线性问题,离散数值模型中广义质量矩阵与切线刚度矩阵满足刚体变换的不变性,可明显地提高柔性多体系统动力学问题的计算效率. 有限元方法中,闭锁问题是导致单元收敛性能低下的主要原因, 例如梁单元的剪切以及泊松闭锁.多变量变分原理是缓解梁、板/壳单元闭锁的有效手段. 该方法不仅离散位移场,同时离散应力场或应变场, 可提高应力与应变的计算精度. 本文基于上述局部标架,研究几类梁单元的闭锁处理方法, 包括几何精确梁(geometrically exact beam formulation, GEBF)与绝对节点坐标(absolute nodal coordinate formulation, ANCF)梁单元. 其中, 采用Hu-Washizu三场变分原理缓解几何精确梁单元中的剪切闭锁,采用应变分解法缓解基于局部标架的ANCF全参数梁单元中的泊松闭锁. 数值算例表明,局部标架的梁单元在描述高转速或大变形柔性多体系统时,可消除刚体运动带来的几何非线性, 极大地减少系统质量矩阵和刚度矩阵的更新次数.缓解闭锁后的几类局部标架梁单元收敛性均得到了明显提升.

含外激励van der Pol-Mathieu方程的非线性动力学特性分析1)
黄建亮, 王腾, 陈树辉
2021, 53(2):  496-510.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-310
摘要 ( 128 )   HTML ( 1)   PDF (1983KB) ( 114 )  
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本文针对含有自激励, 参数激励和外激励等三种激励联合作用下van der Pol-Mathieu方程的周期响应和准周期运动进行分析, 发现其准周期运动的频谱中含有均匀边频带这一新的特性. 首先, 采用传统的增量谐波平衡法(IHB法)分析了van der Pol-Mathieu方程的周期响应, 得到了其非线性频率响应曲线; 再利用Floquet理论对周期解进行稳定性分析, 得到了两种类型的分岔及它们的位置. 然后, 基于van der Pol-Mathieu方程准周期运动的频谱中边频带相邻频率之间是等距的且含有两个不可约的基频的特性(其中一个基频是已知的, 另一个基频事先是未知的), 推导了相应的两时间尺度IHB法, 精确计算出van der Pol-Mathieu方程的准周期运动的另一个未知基频和所有的频率成份及其对应的幅值, 尤其在临界点附近处的准周期运动响应. 得到的准周期运动结果和利用四阶龙格-库塔(RK)数值法得到的结果高度吻合. 最后, 研究发现了含外激励van der Pol-Mathieu方程在不同激励频率时的一些丰富而有趣的非线性动力学现象.

单框架控制力矩陀螺输出特性分析1)
黄志来, 李新圆, 金栋平
2021, 53(2):  511-523.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-306
摘要 ( 56 )   HTML ( 2)   PDF (1452KB) ( 28 )  
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广泛用于航天领域的单框架控制力矩陀螺, 具有力矩放大效应的优点,其理论基础为有假设条件的力矩放大原理. 本文不局限于这些假设, 不限定工况,解析单框架控制力矩陀螺的输出特性. 考虑安装基座的运动,得到具有两维输入三维输出的单框架控制力矩陀螺力矩输出模型,提出将输出力矩分解为可调控与不可调控两部分. 为分析单框架控制力矩陀螺的输出特性,定义两个参数, 分别为输出输入力矩比和输出力矩利用率. 研究发现,单框架控制力矩陀螺不恒有力矩放大效应, 也不恒有高效的力矩利用率,两者与其状态密切相关. 最后,以含两个单框架控制力矩陀螺的航天器姿态机动任务为例,对非对角奇异鲁棒操纵控制和优化控制进行仿真,检验了单框架控制力矩陀螺输出特性对控制效果的影响. 同时,根据单框架控制力矩陀螺的三维输出特性, 借助一个单框架控制力矩陀螺的优化控制,实现了航天器的三轴姿态机动. 仿真结果显示, 在优化控制过程中,单框架控制力矩陀螺始终具有力矩放大效应和高效的力矩利用率.

基于Clamped B样条的空间非合作目标抓捕策略研1)
王明明, 罗建军, 余敏
2021, 53(2):  524-538.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-114
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空间机械臂技术是未来实施在轨服务与维护任务的关键技术之一. 利用机械臂对空间非合作目标, 特别是翻滚目标的抓捕仍然存在巨大的挑战. 本文提出一种基于Clamped B样条的空间非合作目标抓捕策略方案. 在对非合作目标与空间机械臂运动学与动力学分析的基础上, 结合非合作目标被空间机械臂抓捕后的动静态对偶性分析, 构建抓捕后的力可操作度椭球作为抓捕策略设计的优化指标. 其次, 考虑目标的运动预测和空间机械臂的抓捕能力图谱构建, 确定空间机械臂应对目标的最优抓捕时机与抓捕终端状态. 基于Clamped B样条对空间机械臂各关节轨迹进行时间归一化参数描述, 并对抓捕过程中的机械臂关节角、速度、避撞、抓捕走廊等约束进行数学变换, 最终将抓捕策略转换为多约束、多目标的非线性优化问题, 利用自适应惯性权重的粒子群优化算法进行求解. 将所设计的抓捕策略应用于空间七自由度运动学冗余机械臂, 实现了对空间中翻滚目标的成功捕获, 验证了所提抓捕策略的可行性与有效性.

生物、工程及交叉力学
CD44-配体相互作用的生物力学与功能调控1)
李林达, 丁奇寒, 陈深宝, 吕守芹, 龙勉, 郭兴明
2021, 53(2):  539-553.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-313
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作为一种广谱表达的细胞粘附分子, I型跨膜糖蛋白CD44(cluster of differentiation 44)参与细胞增殖、分化、迁移, 血管生成等生物学过程,对于介导细胞信号转导, 调节组织稳态等功能具有关键作用. 特别地,CD44-选择素、CD44 -透明质酸相互作用介导的细胞粘附动力学在经典炎症反应、肿瘤转移或组织特异的肝脏免疫中具有重要作用.该综述分别从细胞层次粘附动力学、二维与三维条件下的分子层次反应动力学、原子层次微观结构以及胞内信号转导通路等方面综述了CD44 -选择素、CD44 -透明质酸相互作用的研究进展及尚待回答的生物力学问题.力学、物理因素对生命活动的不可或缺性逐渐被研究者们接受,力学医学、力学免疫学、力学组学等新概念相继提出. 生理、病理条件下,CD44 -配体相互作用介导的细胞粘附必将受到血流剪切、基底硬度等力学、物理微环境的调控,但是其调控机制还远不清楚. 基于此,本文就CD44 -配体相互作用相关的未来研究方向做出展望, 主要包括:力学、物理因素如何调控CD44 -配体相互作用介导的细胞粘附动力学及其内在机制;CD44 -配体相互作用反应动力学的力学调控规律及结构基础是什么;以及力学作用下CD44 -配体相互作用原子层次的微观结构如何发生动态演化.本文可为深入理解CD44 -配体相互作用的生物学功能及其结构功能关系提供线索.

多层波导中矢量波动的时域人工边界条件1)
吴利华, 赵密, 杜修力
2021, 53(2):  554-567.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-213
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本文提出了一种近似的时域人工边界条件(artificial boundary condition, ABC)用来模拟含有瑞利阻尼的线弹性多层波导平面内的矢量波动,该ABC是时域稳定的, 且能与有限元法无缝耦合. 建立ABC的思路是,首先将多层波导的矢量波动方程简化为$x$方向和$y$方向解耦的两个标量波动方程;其次基于比例边界有限元法得到无限域$x$方向和$y$方向模态空间下半离散的频域动力刚度,再用矩阵连分式近似表示$x$方向和$y$方向的频域动力刚度;最后通过辅助变量技术将连分式时域化,从而分别得到人工边界上$x$方向和$y$方向的时域ABC.方法中影响计算精度和计算效率的参数有无限域的模态数$n$、连分式阶数$J$和人工边界远离兴趣域的距离$L$. 数值算例表明,仅需将被载荷激起的无限域的模态数$n$参与计算, 一般可以取$J$=3,$L$的取值基本与地下结构尺寸无关, 它与土层的总层高$H$成正比关系,关系系数与土层的材料参数有关.

土壤水分布的孔隙尺度格子玻尔兹曼模拟研究1)
胡五龙, 刘国峰, 晏石林, 范严伟
2021, 53(2):  568-579.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-198
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土壤水控制着陆地生态系统几乎所有的物理和生物化学过程,准确描述土壤中水的分布与运动状态对人类发展和生态环境保护均有重要意义.土壤水分布不仅与孔隙结构有关, 而且受土壤固相表面润湿性的影响.一般对土壤水分布都是从宏观尺度进行描述,但土壤中的物理及生化过程都发生在孔隙中, 从孔隙尺度分析土壤水的分布规律,有助于更准确地理解土壤中的各种宏观现象.本文通过X射线扫描成像技术获取两个土样的三维孔隙结构,并采用改进的Shan-Chen格子玻尔兹曼模型,模拟了在不同润湿性条件下两个土样中孔隙水分布,分析了接触角对孔隙水分布的影响, 结果表明:接触角较大时,孔隙直径对液态水和水蒸气分布影响较小, 随着接触角减小,孔隙直径对液态水和水蒸气的分布影响增大;接触角对液、气、固之间的界面面积以及流体输运通道直径也有较大影响,液体输运通道直径随接触角减小而变小, 气体输运通道直径则随接触角的减小先增大,后减小; 土壤中液态水密度随接触角变化很小,但水蒸气密度随接触角减小而显著降低; 接触角较大时,饱和度对水蒸气密度无明显影响, 接触角较小时,饱和度的增大会显著提高水蒸气的密度.

带滩槽地形的连续弯道中纵向流速横向分布解析1)
刘玉娇, 余明辉, 田浩永
2021, 53(2):  580-588.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-208
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本文基于沿水深积分的动量方程,假定二次流项和弯道附加应力项沿横断面呈线性分布,提出了预测弯道垂线平均纵向流速的解析计算方法,进一步提出了河槽区和河滩区垂线平均纵向流速沿断面分布的求解模式,并将其应用于带滩槽地形的反向连续弯道水槽中. 根据实测数据率定计算参数,该模式可计算不同出口水深条件下断面垂线平均纵向流速分布,计算结果与实测数据吻合良好.分析了线性分布假设中参数随水深变化的取值规律和沿横断面分布特点,并对参数进行了敏感性分析,分析表明线性假设中一次项系数分区位置对流速峰值的大小和位置影响较大,常数项根据地形横比降变化进行分区取值,流速计算值对常数项在水平段和斜坡段分区位置较为敏感,并根据参数的敏感度提出了参数沿水槽的均值作为参考值.讨论了动量方程中二次流项和弯道附加应力项沿弯道的横向分布规律,进一步认识线性假设的适用范围,结果表明线性假设在本文试验水槽中适用于弯道沿程.研究成果有助于认识带滩槽地形的连续弯道纵向流速分布特征及其形成机制.

学术会议
超常环境力学领域研究新进展——《力学学报》极端力学专题研讨会综述报告1)
姜宗林, 刘俊丽, 苑朝凯, 陈海璇, 陆夕云
2021, 53(2):  589-599.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-442
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本文介绍了超常环境力学领域的相关研究背景, 综述了《力学学报》极端力学专题研讨会的学术报告与前沿问题研讨. 以极端力学关注的学科问题为视点, 聚焦深海、深空、超高温、超高速等具有国家重大需求背景的研究方向, 分别介绍了超常环境力学领域的重要成果与最新研究进展. 通过这次会议, 《力学学报》编辑部努力探索一种新的学术交流模式, 能够及时将前沿性、基础性的学术成果传递给相关领域的科研人员, 从而对相关领域的工程技术研发起到支撑作用. 本文还对会议涉及的研究领域进行总结, 期望能促进超常环境力学领域的研究与交流.

中国力学学会2021年学术活动计划
2021, 53(2):  600-609. 
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第十二届编委会
  • 主 编 陆夕云
  • 主 编
    陆夕云
    副主编
    冯夏庭  姜宗林  刘 彬  徐 鉴  周又和  刘俊丽