力学学报

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

张理, 李志川

随着化石能源大规模应用导致的环境污染问题日益严重，世界各国越来越关注清洁可再生能源的开发和利用.潮流能属于海洋可再生能源，清洁无污染且资源丰富，具有良好的开发前景.21世纪以来，潮流能开发在世界范围内取得较大进步，装机规模呈上升趋势，多种潮流能转换装置进入示范研究或准商业化阶段.在此方面，人们将面临如何利用研制生产的各类转换装置提高对潮流能的利用效率这一关键力学问题.通过调研和分析，详细梳理了我国潮流能资源状况、国内外开发利用最新状况、潮流能开发利用关键技术以及潮流能利用前景，最后结合我国研究现状给出技术发展建议.主要内容包括：潮流能的生成、特点及分布，主要介绍潮流的生成、潮流能的特点、潮流能资源及分布等；潮流能开发利用发展现状，主要介绍潮流能开发利用技术研发进程、国外发展现状、国内发展现状等；潮流能开发利用关键技术，主要介绍能量捕获与转换、传动系统与发电机、潮流能发电阵列布置、海上电网构建、支撑结构等；潮流能开发利用技术研究展望，主要介绍国外潮流能技术研究的重点、我国潮流能技术研究的重点等；我国潮流能开发利用的建议；最后是前景展望.

2016, 48(5): 1019-1032. doi: 10.6052/0459-1879-15-299

HTML PDF

逆向涡对超疏水壁面减阻影响的TRPIV实验研究

苏健, 田海, 姜楠

超疏水壁面由于具有减阻和自清洁功能而成为国内外减阻和海洋防污等研究领域的热点之一，而20世纪湍流中相干结构的发现为湍流的控制指出新的方向，尤其近壁区涡结构对摩擦阻力贡献很大.利用高时间分辨率粒子图像测速技术，研究了超疏水壁面（SH）以及亲水壁面（PH）湍流边界层中正负展向涡的空间分布特征，研究逆向涡对超疏水壁面近壁区流动结构的影响和超疏水壁面的减阻机理.首先利用空间多尺度局部平均涡量的概念提取壁湍流发卡涡展向涡头（顺向涡）和逆向涡，实现了准确识别涡心并排除小尺度涡的干扰；然后根据检测到的顺向涡和逆向涡流线分布图，发现逆向涡始终处于正向涡的上游和下方，并且对正向涡的进一步发展起抑制作用；最后对两种壁面边界层中逆向涡数量以及出现概率进行对比，发现具有减阻效果的超疏水壁面边界层中出现更多逆向涡.说明逆向涡可抑制上方顺向涡与壁面的强烈剪切，并使靠近壁面的流体加速，从而产生减阻效果；超疏水壁面中涡结构具有更大的角，使其更好地阻碍了发卡涡头附近强烈的喷射和扫略；超疏水壁面逆向涡出现概率明显大于亲水壁面.这些结果表明：超疏水壁面表现出的减阻特性（Re_δ≈13 500，减阻5.8%）与两板产生逆向涡的差异有关.

2016, 48(5): 1033-1039. doi: 10.6052/0459-1879-16-140

HTML PDF

带喷流激波针流动特性实验研究

张江, 吴军飞, 尼文斌, 马汉东, 秦永明

采用动态测力、动态测压和纹影等风洞实验技术，对加装了带喷流激波针的钝头体的绕流特性、稳定和非稳模态的形成条件和机理进行了研究.结果表明：带喷流激波针流场存在稳态和非稳态两种模态，超声速喷流的压比大于临界压比时流动处于稳定模态，反之则为非稳模态；增大激波针长度可减小钝头体阻力，但达到一定长度后，进一步减阻的效果不再显著；增大喷流压比能够有效减弱再附激波强度，有利于缓解单独激波针的肩部热斑问题；非稳模态下波系自激振荡对再附激波在钝头体表面所围的区域影响剧烈，振荡是周期性的，且存在确定的主导频率，主导频率随喷流压力比增大而减小；自激振荡的产生是由于喷流出口周围的反压在喷流压比小于临界压比时无法获得持续的平衡而导致.

2016, 48(5): 1040-1048. doi: 10.6052/0459-1879-16-020

HTML PDF

高亚声速湍流喷流气动噪声数值分析

冯峰, 郭力, 王强

为适应航空噪声管制规定要求，发动机喷流噪声控制成为目前气动声学研究中的重要课题，预测分析喷流噪声辐射并揭示其产生机理将为噪声控制奠定基础.采用高精度并行LES（large eddy simulation）方法计算分析马赫数0.9高亚声速喷流的湍流演化和气动噪声现象.首先，仔细验证喷流LES湍流场计算保真性，并分析流场中不同尺度涡结构的演化形态.其次，利用可穿透面FW-H（Ffowcs Williams and Hawkings）方法外推喷流近场声源数据获得精确声辐射远场，进而分析声场主导声模态特性.最后，通过分析声源机制、分离声模态等方法研究势流核末端大尺度拟序涡运动演化形成的低波数波包在噪声主导声模态产生中的重要作用.数值结果表明LES结合可穿透面FW-H方法可精确预测高亚声速喷流的流场及声场特征，且数值分析揭示涡环对并形成的大尺度拟序结构在喷流中心线上沿径向融合，产生了在远场低方位角占优的主导声模态，并构成强指向性声场，噪声峰值方位角约为30°.

2016, 48(5): 1049-1060. doi: 10.6052/0459-1879-15-403

HTML PDF

颗粒材料剪切流动状态转变的环剪试验研究

季顺迎, 孙珊珊, 陈晓东

颗粒材料的剪切流动行为广泛地存在于滑坡、泥石流等自然灾害以及矿物原料传输、泵送等工业过程中.颗粒材料在不同体积分数、剪切速率和应力约束下会表现出不同的流动状态并发生相互转化.对颗粒材料在剪切流动过程中力学特性的研究有助于加深理解其发生不同流动状态的内在机理，为解决相应的颗粒材料问题提供理论依据.为此，本文研制了颗粒材料剪切流动的中型环剪仪，并对颗粒材料在不同法向约束应力和剪切速率下的剪切应力和体积膨胀率进行了测试.结果表明，剪切应力和体积膨胀率均随剪切速率的增大而增大，但增长速率在临界剪切速率处发生转变，使其随剪切速率的平方呈分段式线性增长.通过对颗粒材料在不同剪切速率和惯性数下有效摩擦系数变化趋势的分析，讨论了颗粒材料由慢速流向快速流转化的基本规律，以及在临界剪切速率处发生流动状态转化的内在条件.此外，通过对不同法向应力下临界剪切速率以及快速流动下运动规律的测试，发现临界剪切速率随法向应力的增加而减小，即法向应力可促进颗粒材料由慢速流向快速流的转化，但在快速流动状态下的有效摩擦系数对法向应力不敏感.以上对颗粒材料在不同剪切速率、法向应力下流动状态的环剪试验研究有助于揭示其发生不同流动状态转化的内在机理.

2016, 48(5): 1061-1072. doi: 10.6052/0459-1879-16-049

HTML PDF

扩散型气柱界面R-M失稳中混合率的实验研究

黄熙龙, 廖深飞, 邹立勇, 刘金宏, 曹仁义

Richtmyer-Meshkov（R-M）不稳定性普遍存在于众多工程问题中，激波管实验是研究R-M失稳问题的主要手段.高精度的平面激光诱导荧光（planar laser-induced fluorescence，PLIF）技术具有分子量级的示踪能力，可获得界面气体浓度（摩尔分数）分布，为研究界面失稳混合问题提供了有力工具.在弱激波（Ma=1：25）冲击扩散型气柱界面实验中，采用PLIF技术对R-M失稳引起的SF₆-Air界面混合问题进行了研究.通过改变椭圆形初始界面的长短轴比，得到了3种扩散型初始界面失稳演化过程中气体摩尔分数，观察到了斜压机制下界面的简单拉伸、二次不稳定性、挤压射流等现象.利用浓度分布进一步得到了界面的瞬时混合率，通过瞬时混合率、界面整体平均混合率以及混合率的概率密度分布，分析了界面在不同演化阶段的界面混合特征，初步讨论了界面失稳混合的机制.演化初期，界面在斜压涡的作用下发生拉伸卷曲，通过增大浓度梯度来促进界面的混合.当演化进一步发展，二次不稳定性出现后，界面通过小尺度对流的方式达到湍流混合状态，而浓度梯度驱使的分子间混合逐渐减弱.由浓度梯度引起的扩散与由二次不稳定性引起的对流存在着“竞争”关系，二者共同主导了界面的混合.

2016, 48(5): 1073-1079. doi: 10.6052/0459-1879-16-108

HTML PDF

石墨烯辐照损伤及力学性能研究

华军, 候燕, 段志荣, 贺煜

石墨烯的加工和掺杂是其工程应用和性能开发的重要手段，离子辐照技术是实现上述目的的有效途径.利用分子动力学方法建立了硅离子辐照石墨烯和辐照后拉伸的数值模型.考虑辐照剂量、辐照能量和辐照角度这3个主要影响因素，研究了不同辐照条件下石墨烯的缺陷类型和数量，并分析了在辐照剂量影响下的拉伸破坏.结果表明：当辐照能量较小时，入射粒子会吸附在石墨烯表面.随着辐照能量的增大，入射粒子会穿透石墨烯而形成缺陷，当辐照能量到达一定值时，再无吸附原子.随着辐照剂量的增加，溅射原子和缺陷数目均增多，且缺陷类型以空位缺陷为主，其拉伸力学性能随着缺陷数量的增加而减小，二者近似成线性关系.辐照后石墨烯的拉伸破坏机理与完美石墨烯的有所不同，应力强化阶段明显缩短，缺陷带决定其起裂位置和断裂走向.

2016, 48(5): 1080-1087. doi: 10.6052/0459-1879-16-015

HTML PDF

内聚力模型的形状对胶接结构断裂过程的影响

张军, 贾宏

内聚力模型被广泛应用于粘接结构的断裂数值模拟过程中，为深入分析不同形状内聚力模型与胶黏剂性质和粘接结构断裂之间的关系，本文分别采用脆性和延展性两种类型胶黏剂，对其粘接的对接试件进行了单轴拉伸、剪切实验，以及其粘接的双臂梁试件进行了断裂实验.3种类型的内聚力模型（抛物线型、双线型和三线型）分别模拟了以上粘接结构的断裂过程，并与实验结果进行对比.结果发现：双线型的内聚力模型适用计算脆性胶黏剂的拉伸与剪切的断裂过程；指数型内聚力模型较适合计算延展性胶黏剂的拉伸和剪切的断裂过程，临界应力、断裂能和模型的形状参数是分析拉伸和剪切的重要参数；双臂梁试件的断裂过程模拟结果发现，断裂曲线与胶黏剂性质有关，内聚力模型形状参数也有影响.通过实验与计算结果分析，双线型内聚力模型更适合脆性胶黏剂粘接的双臂梁断裂计算，而三线型更适合计算延展性胶黏剂粘接的双臂梁断裂过程，此研究结果对胶黏剂的使用和粘接结构的断裂分析有很重要意义.

2016, 48(5): 1088-1095. doi: 10.6052/0459-1879-16-064

HTML PDF

厚板的高阶剪切变形理论研究

段铁城, 李录贤

已有多种厚板理论和高阶剪切变形模型，但仍需要进一步研究以更加完善.首先根据平均转角及上下表面剪应力自由这两个条件，提出了具有统一高阶剪切变形模型的中面位移模式，并将之表示为正交分解形式.根据正交特性，定义了板的广义应力；运用板问题应变能密度表示的等价性，提出了与广义应力功共轭的广义应变表示形式，建立了板的本构关系.证明了不同转角定义时虚功原理板理论表示的客观性，以及与三维弹性理论表示的等价性.运用虚功原理，建立了变分自洽的高阶厚板理论和变分渐近的低阶厚板理论，推导了相应的平衡方程及边界条件，分析了与已有板理论的异同.以广义应力形式建立了厚板理论的平衡方程，厘清了不同转角表示时板理论间的关系、低阶厚板理论与高阶厚板理论间的关系以及剪切系数计算等若干基本问题.对圣维南扭转问题的求解证明了该理论的正确性.

2016, 48(5): 1096-1113. doi: 10.6052/0459-1879-16-120

HTML PDF

轮轨试样表面粗糙度取向对油润滑下摩擦系数的影响

蔡宝春, 蒋华臻, 王文中, 李正阳, 王保安, 杨兵, 任志远

黏着力是列车安全与平稳运行的关键因素之一.最大黏着力与摩擦力有关，摩擦力的减小会导致黏着力的降低.表面粗糙度及其取向是影响摩擦系数的重要因素，然而，有关表面粗糙度取向对于混合润滑状态下摩擦系数的影响的研究结论似乎是矛盾的.用激光离散改性技术将车轮试样表面制备成具有菱形、纵纹、横纹3种典型的形貌，并且与不作激光离散改性处理的车轮试样作对比，用基于确定性模型的统一雷诺方程数值分析法和小比例尺度的轮轨试样摩擦学实验，得到的结论是：在油润滑状态下，激光表面形貌大幅提高摩擦系数，其中菱形对应的摩擦系数最大，纵纹与横纹的摩擦系数相差不大，摩擦系数的大小主要取决于由表面粗糙度取向决定的接触区内粗糙峰接触压力与总压力之比，侧流效应也是影响摩擦系数的重要因素，它主要取决于接触区内表面粗糙度的取向.

2016, 48(5): 1114-1125. doi: 10.6052/0459-1879-16-080

HTML PDF

黏弹性人工边界等效载荷计算的改进方法

章小龙, 李小军, 陈国兴, 周正华

黏弹性人工边界在场地地震反应和结构-地基动力相互作用等问题的计算中已得到了广泛的应用.地震波在黏弹性人工边界中的输入是通过将地震波转化为作用于人工边界处的等效载荷来实现的.计算等效节点载荷的常规方法默认边界节点对应区域内的应力为均布力，但实际上该节点对应区域内的应力分布通常是不均匀的.本文在有限元方法结合黏弹性局部人工边界的显式时域波动方法的基础上，建立了无限域散射问题地震波等效载荷计算的一种改进方法.该方法采用细化网格与应力积分相结合的方法计算人工边界等效节点力，有效地降低了人工边界上等效节点力的计算误差.以不同角度入射地震波的二维算例为例，算例给出的波场位移云图和节点位移时程曲线验证了本文方法的有效性，其计算精度与网格尺寸和地震波入射角度密切相关，且网格越小、入射角度越小，计算精度越高.对于相同的网格尺寸，本文采用方法的计算精度明显高于常规方法，尤其是对于斜入射问题优势更为明显.

2016, 48(5): 1126-1135. doi: 10.6052/0459-1879-16-070

HTML PDF

有腹筋混凝土梁的剪切刚度分析模型

郑开启, 刘钊, 秦顺全, 周满

钢筋混凝土梁的挠度计算通常不计入剪切变形的贡献，然而对于斜向开裂的有腹筋混凝土梁，斜裂缝会显著降低梁体的有效剪切刚度，导致剪切变形值显著增大，因此在验算评估时应予以考虑.为评价钢筋混凝土梁斜向开裂后的有效剪切刚度，首先，基于变角桁架模型推导了钢筋混凝土梁在箍筋屈服状态下的有效剪切刚度；与弹性剪切刚度比较发现，剪切刚度退化系数的主要影响因素为材料弹模比、配箍率和斜压杆倾角.其次，基于试验剪切变形曲线表现出的刚度退化规律，提出了可用于不同开裂程度下剪切刚度计算的恒定切线刚度退化模式，并采用开裂后的剪力增量作为反映开裂程度的定量指标.最后，根据最小能量原理得到了剪切刚度退化中两个关键参数：斜压杆倾角和剪切刚度退化系数的解析公式.通过2根薄腹混凝土梁剪切变形试验以及收集的15个受剪梁段的剪切变形数据对模型有效性进行了验证，验证结果表明：有腹筋混凝土梁剪切刚度分析模型能较为准确地预测箍筋屈服状态的剪切刚度，并能反映不同开裂程度下的剪切刚度退化规律.

2016, 48(5): 1136-1144. doi: 10.6052/0459-1879-15-371

HTML PDF

关于传递矩阵法分析饱和成层介质响应问题的讨论

赵宇昕, 陈少林

水平成层土体的地震响应分析（自由场分析）是地震工程领域地震波散射问题的前提基础，由于饱和多孔方程的复杂性，以往的研究大多集中于干土情形，对于饱和土情形的研究相对较少.而实际工程中，地下水位以下，土体孔隙中充满流体，应考虑饱和多孔介质模型.基于Biot多孔介质模型，考虑饱和土中固液相对运动引起的衰减，采用Thomson-Haskell传递矩阵方法得到了饱和成层土体在地震波入射情形时的稳态反应，经傅里叶反变换，可得到时域暂态反应.通过SV波从基岩入射至上覆饱和土层的数值算例，验证了该方法的有效性.发现和初步阐明了计算中出现的两类违背因果律（即响应先于输入）的现象：（1）当SV波入射角度大于导致基岩中反射P波为非均匀波的临界角时，会使得计算结果违背因果律.因此，当入射角超过临界角时，非均匀波的表示尚需进一步完善；（2）由于P2波的衰减，当与稳态波衰减有关的渗透率、土层厚度、入射波频率等参数导致衰减系数超过计算机表示精度时，会出现结果违背因果律现象，并据此得到了满足因果律的参数范围，该范围可作为实际计算时的一个上界.该工作为采用传递矩阵法分析水平饱和土层自由场响应提供了指导依据，且地下水位以上可采用干土模型，水位以下采用饱和土模型，更符合实际情形.

2016, 48(5): 1145-1158. doi: 10.6052/0459-1879-16-029

HTML PDF

复杂加载下混凝土的弹塑性本构模型

万征, 姚仰平, 孟达

混凝土材料在不同应力路径下或复杂加载条件下会表现出差异性显著的应力应变关系，在小幅循环加载条件下，其应力应变关系会表现出类似于弹性变形的滞回曲线.在不同应力水平下，混凝土的应力应变关系以及破坏特性都具有静水压力相关特点，即随着静水压力增大，各向异性强度特性弱化.此外，混凝土受压及受拉破坏机理不同，因而对应于混凝土硬化损伤亦有不同，即可分为受压硬化损伤，受拉硬化损伤及两者的混合硬化损伤类型.基于Hsieh模型，对该模型进行了三点改进.（1）针对小幅循环加载下混凝土无塑性变形的试验规律，而模型中在应力水平较低的循环加载条件下始终存在塑性变形的预测问题，采用在边界面模型框架下，设置了应力空间的弹性域，初始屈服面与后续临界状态屈服面几何相似的假定.（2）基于广义非线性强度准则将原模型采用变换应力方法将其推广为三维弹塑性本构模型，采用变换后模型可合理的考虑不同应力路径对于子午面以及偏平面上静水压力效应形成的影响，并避免了边界面应力点奇异问题.（3）分别对拉压两种加载损伤模式建议了相应的硬化参数表达式，可分别用于描述上述加载中产生的应变软化及强度退化行为.基于多种加载路径模拟表明：所建立的三维弹塑性本构模型可合理地用于描述混凝土的一般应力应变关系特性.

2016, 48(5): 1159-1171. doi: 10.6052/0459-1879-15-389

HTML PDF

一种O(n)算法复杂度的递推绝对节点坐标法研究

胡景晨, 王天舒

相比于传统的浮动坐标法，绝对节点坐标法（absolute nodal coordinate formulation，ANCF）在处理柔性体非线性大变形问题上具有显著优势，但是对于ANCF的求解目前主要依据拉格朗日方程等分析力学原理建立微分代数方程（differential algebraic equation，DAE）进行，其算法复杂度为O（n²）或O（n³）（n为系统自由度），且求解过程存在位置或速度的违约问题.据此，研究了一种O（n）算法复杂度的递推绝对节点坐标法（recursive absolutenodal coordinate formulation，RANCF）.该方法采用ANCF描述大变形柔性体，借鉴铰接体递推算法（articulatedbodyalgorithm，ABA）思路建立多柔体系统逐单元的运动学和动力学递推关系，得到微分形式的系统动力学方程（ordinary differential equation，ODE）.在ODE方程中，系统广义质量阵为三对角块矩阵，通过恰当的矩阵处理，可以得到逐单元求解该方程的递推算法.在此基础上，给出了RANCF算法的详细流程，并对流程中每个步骤进行了细致的算法效率分析，证明了RANCF是算法复杂度为O（n）的高效算法.RANCF方法保留了ANCF对大转动、大变形多柔体系统精确计算的优点，同时极大地提升了算法效率，特别在处理高自由度复杂多柔体系统中具有显著优势.并且该方法采用ODE求解，无DAE的违约问题，因此具有更高的算法精度.最后，在算例部分，通过MSC.ADAMS仿真软件、能量守恒测试、算法复杂度曲线对RANCF的正确性、计算精度和计算效率进行了验证.

2016, 48(5): 1172-1183. doi: 10.6052/0459-1879-16-117

HTML PDF

环形桁架结构径向振动的等效圆环模型

刘福寿, 金栋平

在大型环形网架式可展天线中，环形桁架结构的动力学性能对于整个天线的工作状态至关重要.针对大型空间桁架结构，基于连续体等效的思想，将其动力学模型简化为简单的弹性连续体模型一直是动力学研究的热点.将环形桁架结构看作由重复的平面桁架单元构成的环形周期结构，在周期桁架单元等效梁模型的基础上，提出采用不计剪切变形和转动惯量的等效圆环模型分析环形桁架结构的径向振动，并对等效圆环模型的偏微分运动方程进行了解析求解.首先通过变量代换将描述圆环径向振动的四阶偏微分方程组降阶为一阶偏微分方程组，然后通过对降阶后的偏微分方程组进行Laplace变换将其转化为常微分方程组，并采用微分方程组的Green函数解法，获得了等效圆环模型在复频域下动力响应的解析表达式，进而得到等效圆环模型固有振动的特征方程及传递函数的表达式.最后通过数值算例对环形桁架有限元模型与等效圆环模型的固有频率和振型以及传递函数进行了对比分析，验证了等效圆环模型用于环形桁架结构径向振动分析的可行性.

2016, 48(5): 1184-1191. doi: 10.6052/0459-1879-16-076

HTML PDF

高超声速飞行器横侧向失稳非线性分岔分析

苏二龙, 罗建军

针对滑翔式高超声速飞行器大攻角横侧向失稳问题，采用延拓算法和分岔理论，求解并分析了以俯仰舵偏为连续参数的稳态平衡分岔图和以副翼舵偏为连续参数的横侧向机动稳态平衡分岔图，对平衡分支的稳定性和突变点进行了分析，并给出了特征根拓扑结构变化.研究表明，高超声速飞行器存在极限分岔点、Hopf分岔点以及叉型分岔点，且从叉型分岔点延伸出多个平衡分支，引起横侧向的自滚转失稳；从Hopf分岔点延伸出极限环分支，该分支对应较为复杂的极限环运动，其中还包含倍周期分岔、花环分岔、极限环极限点分岔等复杂的分岔现象；在横侧向机动飞行情况下，模型存在横向操作偏离失稳问题，且存在多个不稳定的平衡点.研究结果为实现高超声速飞行器的稳定飞行和控制器的设计提供了极其重要的动力学信息.

2016, 48(5): 1192-1201. doi: 10.6052/0459-1879-15-388

HTML PDF

非线性最小二乘跟踪的对偶变量变分方法

寻广彬, 彭海军, 邬树楠, 吴志刚

最小二乘跟踪方法是近几年提出的一种计算动力系统跟踪轨迹的方法.基于最小二乘跟踪的灵敏度分析算法可以有效避免传统的非线性系统灵敏度分析方法中的病态初值问题，因此其在混沌系统灵敏度分析方面有着重要的应用.针对非线性的最小二乘跟踪问题，首先将其重新描述为带有约束的非线性最优控制问题，引入协态变量并将系统的哈密顿函数表示为关于状态变量和协态变量的函数.然后将目标函数的积分时间离散化，根据对偶变量变分原理，以离散区间两端的状态变量作为独立变量，用Lagrange插值多项式近似离散区间内的状态变量和协态变量，进而将非线性最优控制问题转化为求解非线性方程组问题.这种算法无需对原问题做线性化处理，避免了复杂的线性化过程以及可能因此造成的误差，同时为求解非线性最小二乘跟踪问题提供了新的思路.根据最小二乘方法可以得到两条设计参数有微小变化的状态轨迹，基于这两条状态轨迹可进一步计算出系统关于设计参数的灵敏度，范德波振子作为数值算例验证了该方法在求解最小二乘跟踪问题以及计算非线性系统灵敏度时的有效性.

2016, 48(5): 1202-1207. doi: 10.6052/0459-1879-15-399

HTML PDF

一种骨小管中液体流动产生的流量及切应力模型

武晓刚, 于纬伦, 王兆伟, 王宁宁, 岑海鹏, 王艳芹, 陈维毅

骨组织受力变形后其内部液体就会流动，同时在其微观结构——骨单元壁中扩散，并进一步产生一系列与骨液流动相关的物理效应，如流体剪切应力、流动电位等，这些物理效应被细胞感知并做出破骨或成骨等反应，来使骨适应外部载荷环境.鉴于骨组织产生的内部液体流动很难实验测定，理论模拟是目前的主要研究手段.基于骨单元的多孔弹性性质建立了骨小管内部液体的流动模型，该模型将骨单元所受的外部载荷与骨小管内部液体的压力、流速、流量和切应力联系起来，并进一步可以研究其力传导与力电传导机制.骨小管模型的建立分别基于中空和考虑哈弗液体的骨单元模型，并考虑了骨单元外壁的弹性约束和刚性位移约束两种边界条件.最终得到骨单元在外部轴向载荷作用下，骨小管内部液体的流量及流体切应力的解析解.结果表明：骨小管中的液体流量与流体切应力都正比于应变载荷幅值和频率，并由载荷的应变率决定.因此应变率可以作为控制流量和流体切应力的一种生理载荷因素.流量随着骨小管半径的增大而非线性增大，而流体切应力则随着骨小管半径的增大而线性增大.此外，在相同的载荷下，含哈弗液体的骨单元的模型中，骨小管中液体的流量和切应力均大于中空骨单元模型.

2016, 48(5): 1208-1216. doi: 10.6052/0459-1879-16-046

HTML PDF

页岩黏土孔隙含水饱和度分布及其对甲烷吸附的影

李靖, 李相方, 王香增, 辛一男, 韩俊峰, 石军太, 孙政, 王蕊

考虑储层原始含水特征，甲烷在页岩的吸附特征属于气液固三相复杂作用结果，水分在很大程度上影响页岩吸附能力，将成为制约页岩气资源量评估可靠性的主要原因之一.鉴于页岩水分主要分布于黏土等无机矿物孔隙内部，分析了甲烷-水膜-页岩黏土三相作用特征，结果表明：甲烷在干燥黏土表面吸附满足气固界面Langmuir吸附特征，在黏土水膜表面吸附满足气液界面Gibbs吸附特征，在气液固三相作用下满足“气固”与“气液”界面混合吸附特征；同时研究还发现：不同尺度孔隙内含水饱和度分布特征存在差异，部分小孔隙可以被水分充满，而大孔隙仅吸附一定厚度水膜.因此，水分对甲烷吸附能力的影响主要表现为两个方面：小孔隙被水分阻塞而失去吸附能力；大孔隙表面水膜改变甲烷吸附特征（气固界面吸附转变为气液界面吸附），以黏土样品为例，两者综合效应可以致使甲烷吸附能力降低约90%.从微观角度揭示了水分对页岩吸附能力的影响机理，将为建立合理评价页岩吸附气含量的方法奠定理论基础.

2016, 48(5): 1217-1228. doi: 10.6052/0459-1879-15-452

HTML PDF

含层理页岩气藏水力压裂裂纹扩展规律解析分析

孙可明, 张树翠

页岩气蕴藏在页岩层中，页岩层的层理性构造使其水力压裂裂纹扩展与常规均质储层不同.为研究页岩储层水力压裂的裂纹扩展规律，基于复变函数保角变换，得出裂纹尖端应力集中解，考虑页岩非均质、强度各向异性特点，通过比较裂纹沿各方向扩展所需的裂缝尖端水压力，推导出水力压裂裂纹垂直于最小地应力方向稳定扩展过程中在斜交层理后的扩展判据.分别定义了水力压裂裂纹在层理处起裂和沿层理扩展的弱层和岩石基体临界强度比，根据两个临界强度比确定水力压裂裂纹遇层理时在层理处起裂和沿层理扩展的层理弱面强度范围，以此表示水力压裂裂纹转向层理扩展的难易程度.通过对裂纹扩展判据的分析得出：层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随层理走向线与第一主应力夹角和层理倾角的减小以及第三主应力和岩石基体强度的增大而增大；层理走向角小于35.26°时，层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随第一主应力的减小以及第二主应力的增大而增大；反之，层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随第一主应力的减小以及第二主应力的增大而减小；层理扩展弱层和岩石基体临界强度比随层理走向线与第一主应力夹角、层理倾角和地应力差的减小以及岩石基体抗拉强度的增大而增大.层理起裂条件与层理扩展条件同时满足时，水力压裂裂纹转向层理方向扩展.

2016, 48(5): 1229-1237. doi: 10.6052/0459-1879-16-085

HTML PDF

一种新的海洋浅层水合物开采法——机械-热联合法

张旭辉, 鲁晓兵

天然气水合物是国家的战略能源之一.天然气水合物分解相变使其开采难度高于常规化石能源.国际天然气水合物试验性开采表明通过降压、注热等方法难以满足商业化开采的需求，尤其在水合物位于浅层、软土情况下，持续稳定且高效率的热量供给是其瓶颈.天然气水合物机械-热联合开采是一种新概念模式，即通过粉碎水合物沉积物通过管道输运并在内部分解，这样既增加了传热的表面积，又利用海水热量和对流传热提高了能量供给效率.分析表明：利用该方法开采时水温过高会导致水合物分解过快而产生不稳定流，温度过低又导致水合物二次生成或结冰；水流流速既要能使被粉碎的水合物沉积物颗粒悬浮和流动，又不能导致流动失稳.为了实现高效安全的机械-热水合物开采，经过初步分析提出原位水合物地层粉碎的颗粒直径设定在0.1~1.0 cm之间，控制水流速度为0.22~0.67m/s，温差保证在5K以上，混合物中水的体积分数大于0.85.

2016, 48(5): 1238-1246. doi: 10.6052/0459-1879-15-112

HTML PDF

2016年度力学科学处面上项目、青年科学基金和地区科学基金资助情况介绍

詹世革, 张攀峰, 孙中奎, 王建山

对2016年度国家自然科学基金委员会数理科学部力学科学处面上项目、青年科学基金和地区科学基金资助情况进行了简要介绍，给出了资助项目清单.

2016, 48(5): 1247-1264. doi: 10.6052/0459-1879-16-238

HTML PDF

留言板

2016年第48卷第5期

通知公告MORE+

精品文章MORE+

下载中心

作者中心

留言板

2016年 第48卷 第5期

通知公告MORE+

精品文章MORE+

下载中心

作者中心

2016年第48卷第5期