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2012年  第44卷  第1期

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研究论文
《力学学报》主编新年寄语
郑泉水
致作者、审者和读者: 在新的一年即将来临之际,我谨代表《力学学报》编委会和编辑部全体同仁,向学报的全体作者、审者和广大读者,向所有关心和支持本刊发展的各界人士恭贺2012新年并致予我们诚挚的谢意!《力学学报》是中国最早的综合性学术刊物,由首任主编钱学森等创刊于1957年,在中国力学学会和历任主编的领导下,半个世纪以来有了长足的发展。本届(第10届)编委会自2011年7月起正式开始工作。为了应对信息技术的迅猛发展和普及所带来的挑战和机遇,本届编委会对学报的定位、审稿制度和编辑程序作了调整。定位方面,特别强调将学报建成帮助中国力学年轻学子成长和推动与中国重大工程建设合作的开放性学术平台。学报建设的重点在于显著提高质量和缩短发表周期。在缩短周期方面:为了实现上述目的,学报从2012年开始设置1.特邀论文、2.全文、3.简报、4.讨论栏目。对栏目1~3中的论文,将力争控制其平均发表周期(从收稿到印刷版发表)在6个月以内;对栏目4,则为3个月以内。基于本刊的特殊定位和较低的来稿录用率(现约30%),为了加快审稿速度、提高审稿质量、不耽误多数来稿的及时发表,学报采用国际通行的直接退稿制度,由主编和副主编在平均1周的时间内,不经过外审,直接审核决定对30%~40%的收稿退稿。此外,学报编辑部还制定了新的编辑程序,在确保质量的同时从每一个流程上缩短时间。经过半年的实践,学报发表周期已经成功地缩短了50%,为早日实现本刊对发表周期的承诺奠定了基础。在提高质量方面:本刊无论对全文还是对简报,都力求将质量放在第一位。通过作者的努力和借由审者提供的高质量评审意见的帮助,来显著改善发表论文的科学严谨性和可读性。每篇论文,都应该是一个“完整的故事”,要讲清楚“新”在何处?处在前沿发展的哪个位置?重要性如何?此外,还要求作者全面地引用和评述前人的主要相关工作,尤其是公平地引用国内期刊发表的论文。学报将重点发展邀请论文栏目,尤其是其中的“主题系列论文”。主编、副主编选择“主题”的关键词是“前瞻性、争议性、具有很大的发展潜力”。围绕每个主题展开的一系列论文,将由客座主编邀请和负责送审。每个主题系列至少包括一篇综述论文,以及篇数不限的论文和评述。学报将提前6个月对将要发表的主题系列论文作广泛的宣传。欢迎作者自荐主题、并担任有关客座主编。最后,本刊不仅对中国力学学会所有会员(超过2万人)开放下载,也被广大与力学相关领域的工程科学与技术人员所喜爱,这是一个交流学术思想和成果的大舞台。祝大家新年快乐、身体健康、合家幸福、万事如意! 《力学学报》主编 郑泉水二零一一年十二月三十日
2012, 44(1). doi: 10.6052/0459-1879-2012-1-lxxb2012-001
基频涡卷群并作用的唯象模型与数值分析
杨武兵 沈清 王强
基于线性稳定性理论, 建立了可压缩时间发展混合层亚谐扰动作用的唯象分析图, 用以分析并判定亚谐扰动相差对基频涡卷非线性演化类型的影响, 据此导出了基频涡卷各非线性演化类型的定量的相差唯象模型. 研究发现, 对于单一亚谐扰动作用, 基频涡卷的演化类型可归纳为撕裂、中心对称群并和非对称群并3类演化现象. 撕裂现象和中心对称群并是特殊现象, 对应特定的相差点; 非对称群并为常见现象, 对应除这些相差点之外的相差区间, 并以逐级对并方式进行.
2012, 44(1): 1-12. doi: 10.6052/0459-1879-2012-1-lxxb2011-029
局部弹性翼型非定常分离的动力学特性
雷鹏飞 张家忠 陈嘉辉
对在低雷诺数下局部弹性翼型绕流中, 局部弹性导致的自激振动所产生的复杂非定常流动分离现象和描述方法进行了分析. 采用ALE-CBS方法数值模拟了具有可动边界的绕流流场问题, 同时采用Galerkin方法求解局部弹性结构的控制方程. 着重研究了翼型的局部弹性对流动分离和翼型性能的影响, 并分别从Eulerian和Lagrangian的角度分析了局部弹性结构导致的不同非定常分离现象, 其中Lagrangian角度可以方便地揭示出局部弹性翼型大幅度提高升力的机理和流动中的能量迁移. 结果表明翼型的局部弹性对非定常分离和分离泡的演化过程有着明显的影响, 可以使得流体质点由主流获取动量实现再附, 并且在一定的攻角下可以将固定分离转变为移动分离, 从而明显地提高了翼型的升力.
2012, 44(1): 13-22. doi: 10.6052/0459-1879-2012-1-lxxb2011-158
磁场对多孔介质方腔内空气热磁对流的影响
姜昌伟 李贺松 陈冬林 石尔 朱先锋 李茂
数值分析了微重力下圆形载流线圈倾斜时多孔介质方腔内空气热磁对流. 磁场计算采用毕奥--萨伐定律求解; 动量方程与能量方程分别采用达西模型与局部热非平衡模型求解. 计算结果表明随着磁场力数\gamma 数和Da数的增加, 方腔内对流变得越来越强. 线圈倾斜角x_{\rm euler}从0^\circ到90^\circ变化时, 对流结果关于x_{\rm euler}=45^\circ呈现对称分布. Nu_{\rm m}数随线圈倾斜角的改变而变化且每个工况下局部最大Nu_{\rm m}数出现在x_{\rm euler}=45^\circ. 局部最小Nu_{\rm m}数出现在x_{\rm euler}=0^\circ, 90^\circ.
2012, 44(1): 23-29. doi: 10.6052/0459-1879-2012-1-lxxb2010-847
超音速气流中受热曲壁板的非线性颤振特性
杨智春 周建 谷迎松
基于von Karman 大变形理论及带有曲率修正的一阶活塞理论, 用Galerkin方法建立了超音速气流中受热二维曲壁板的非线性气动弹性运动方程; 采用牛顿迭代法计算得到由静气动载荷和热载荷引起的静气动弹性变形; 根据李雅谱诺夫间接法分析了壁板初始曲率与温升对颤振边界的影响; 对二维曲壁板的非线性气动弹性方程组进行数值积分求解,分析了动压参数对受热二维曲壁板分岔特性的影响, 给出了典型状态下曲壁板非线性颤振响应的时程图与相图. 分析结果表明对小初始曲率的曲壁板, 温升对其静气动弹性变形影响较大, 且随着温升的增加其颤振临界动压急剧减小; 对具有较大初始曲率的曲壁板, 温升对其静气动弹性变形的影响较弱, 且随着温升的增加颤振临界动压基本保持不变. 初始几何曲率与气动热效应使得曲壁板具有复杂的动力学特性, 不再像平壁板一样, 经过倍周期分岔进入混沌, 而会出现由静变形状态直接进入混沌运动的现象, 且在混沌运动区域中还会出现静态稳定点或谐波运动, 在大曲率情况下, 曲壁板不会产生混沌运动, 而是幅值在一定范围内的极限带振荡.
2012, 44(1): 30-38. doi: 10.6052/0459-1879-2012-1-lxxb2010-853
航行体垂直出水载荷与空泡溃灭机理分析
王一伟 黄晨光 杜特专 方新 梁乃刚
针对航行体水下垂直发射出水载荷机理问题, 首先开展了典型工况全过程的数值模拟, 得到了航行体肩、尾空泡及表面压力的演化过程, 并与试验结果进行了对比验证. 在此基础上揭示了航行体肩部空泡溃灭的过程和机制, 进而提出了出水溃灭压力的物理模型, 探索了空泡厚度、水层厚度、声速等重要参数的影响, 讨论了试验溃灭压力相似律等相关问题.
2012, 44(1): 39-48. doi: 10.6052/0459-1879-2012-1-lxxb2011-139
伴随超空泡产生的高速细长体入水实验研究
施红辉 周浩磊 吴岩 贾会霞 张晓萍 周素云 章利特 董若凌 王超
介绍了几种不同工况下高速细长体入水过程的实验研究工作. 用高速摄影仪实时记录了细长体高速入水时与自由液面之间的瞬态相互冲击作用, 清晰地观察了细长体高速入水后诱导生成的水中空泡流的形态及其演化过程. 具体分析了几种工况下高速细长体入水瞬间自由面的波动特性和细长体入水后运动的不稳定性. 从实时记录的照片中,测量出相邻2帧图片之间的细长体的位移差之后, 计算出细长体在入水过程中以及在水中的瞬时速度. 通过分析物体速度的变化趋势, 了解了超空泡流动的复杂过程.
2012, 44(1): 49-55. doi: 10.6052/0459-1879-2012-1-lxxb2011-062
同相气泡耦合特性实验研究
王诗平 张阿漫 刘云龙 王超
设计实验, 利用电火花打火生成气泡来研究两个气泡之间以及两个气泡与自由面的相互作用, 在实验过程中, 精确控制打火电路, 使两个电火花气泡的生成时间间隔控制在67\mus以内, 实现了气泡的同相生成. 大量实验后发现, 两气泡相互作用过程中可能会出现融合、蘑菇状气泡、对射流、射流方向逆转、反向射流等现象, 自由面附近不同安置方式的两同相气泡会出现不同的脉动形式. 通过系列实验提出了气泡之间的无量纲距离、无量纲周期差等参数来描述气泡耦合特性, 为气泡群的相互作用提供实验依据.}
2012, 44(1): 56-64. doi: 10.6052/0459-1879-2012-1-lxxb2010-772
基于两相紊流模型的非平衡输沙研究
陈鑫 余锡平
基于雷诺平均的水沙两相流方程, 建立了一个非平衡全沙输移二维数学模型. 模型考虑相间相对运动以及多颗粒之间的相互影响, 通过相间作用力进行两相耦合.和传统的单相流模型以及低浓度两相流模型相比, 该模型摆脱了依赖经验公式给定床面边界条件的局限性. 针对明渠净冲刷问题, 在合理给定水相和泥沙相边界条件的前提下计算了泥沙浓度分布的沿程变化, 并利用物理模型实验的结果和理论解验证了数学模型的正确性,同时也分析了明渠净冲刷问题中紊动扩散和重力沉降现象的特征.
2012, 44(1): 65-70. doi: 10.6052/0459-1879-2012-1-lxxb2010-527
气液混输悬链线立管系统两相流特性实验
高嵩 李巍 尤云祥 俞忠 胡天群
严重段塞流是海洋工程气液混输管线--立管系统中常见的一种特殊有害流动现象, 采用水平--下倾--悬链线立管气液混输组合管道系统, 通过系列实验在悬链线立管中获得了严重段塞流、间歇流和震荡流等流型, 阐述了这些流动现象的形成机理, 提出了能够产生严重段塞流的判定准则. 结果表明, 悬链线立管严重段塞流具有明显周期性, 在一个周期内的流动特征可分为液塞形成、液体出流、液气喷发及液体回流等4个阶段, 进而给出了各阶段中相关流动参数的变化规律. 在实验中同时还对悬链线与垂直立管中严重段塞流形成机理进行了比较分析, 发现两者在液塞形成阶段有显著差别. 其中, 在悬链线立管中液塞形成之前首先需要经历一个气液混合液塞形成过程, 而垂直立管则没有这个过程.
2012, 44(1): 71-81. doi: 10.6052/0459-1879-2012-1-lxxb2011-223
风沙颗粒运动的数字高速摄影图像的分割算法
梅凡民 蒋缠文
为了深入理解多因素驱动下风沙颗粒起动的动态演化规律, 需要准确地获得沙质床面附近沙粒群起跳的方式、速度和运动轨迹. 以连续强激光源为照明的数字高速摄影技术是研究这类问题的有效手段, 但由于风沙运动的高速摄影图像具有运动沙粒和静止床面的对比度小、相邻两帧图像相似性小等特点, 原始图像叠加算法难以有效实现目标与背景的分割. 该文提出了基于相邻的风沙运动图像灰度差值变化原理的图像分割算法. 实例显示,只要选择合适的相邻图像灰度差值阈值和自适应二值化处理方法就能实现图像中运动沙粒与床面分割. 当起跳沙粒浓度较低情况下, 基于MATLAB平台的最小距离匹配的粒子追踪算法(PTV算法)能较为准确地恢复床面附近沙粒的运动轨迹.
2012, 44(1): 82-87. doi: 10.6052/0459-1879-2012-1-lxxb2010-637
轴向流吸附床内流动特性的模拟研究
刘向军 刘应书 李永玲 张辉
变压吸附过程是一个动态变压力变质量多孔介质流动与传热传质过程,揭示过程的流动特性是深入研究吸附机理的基础.基于严格质量守恒和动量守恒, 建立了吸附床内的气体流体、吸附传质的数学模型,以某轴向流快速空分制氧吸附床为研究对象, 对吸附床内全循环过程进行了模拟, 对升压吸附、降压解吸和常压清洗各个阶段的流动特性进行了详细的分析,并与空床、有料无吸附时的流动特性进行了对比.
2012, 44(1): 88-95. doi: 10.6052/0459-1879-2012-1-lxxb2010-602
沿岸流不稳定多模式运动的理论分析
任春平 邹志利
目前对沿岸流不稳定研究比较成熟的理论基础是线性不稳定理论,该理论假定增长率最大的不稳定模式决定着沿岸流的波动特性,但实验分析结果表明对有些情况下该假定难以解释实验中观测到的情况.利用沿岸流不稳定运动的多模式理论分析了实验中观测到的情况.结果表明沿岸流速度剖面对于沿岸流不稳定运动模式影响很大,特别是速度剖面的变化会导致不稳定模式出现多个模式的情况,即增长率曲线出现多于两个峰的情况.用解析的速度剖面分析了速度剖面前剪切和后剪切同时变化及单独变化对于沿岸流不稳定多模式运动的影响.结果表明对于坡度为1:100的平直斜坡的情况用前剪切不稳定理论可以解释其观测到的现象.
2012, 44(1): 96-105. doi: 10.6052/0459-1879-2012-1-lxxb2010-380
孔隙介质中稠油流体非线性渗流方程
姚同玉 黄延章 李继山
为揭示稠油流体在油藏孔隙中渗流特性,基于力学平衡方程,建立了描述稠油流体渗流特征的非线性渗流方程,对油藏孔隙中稠油渗流过程及启动机理进行了深入分析,着重分析了边界层、流体屈服应力以及表面力对渗流过程的影响.结果表明,Hagen-Poiseuille定律需经修正方能描述稠油流体流动,边界层、流体屈服应力以及表面力对稠油渗流影响非常显著.孔隙中,稠油启动压力梯度来源于其屈服应力、表面力,边界层加剧了渗流非线性程度,实际稠油油藏开发中,要充分掌握稠油渗流非线性特征.
2012, 44(1): 106-110. doi: 10.6052/0459-1879-2012-1-lxxb2010-829
非港湾式公交车站停靠特性的研究
梁玉娟 薛郁
基于Nagel-Schreckenberg交通流模型(简称NaSch模型),通过引入换道规则,建立包含非港湾式公交车站在内的双车道混合车辆元胞自动机交通流模型.计算机数值模拟表明,在周期边界条件下非港湾式公交车站路段的交通流存在一定的特性,在中等密度区域的拥挤流, 车辆的平均速度与车流密度存在一次幂律关系.
2012, 44(1): 111-116. doi: 10.6052/0459-1879-2012-1-lxxb2010-654
微结构固体中钟型与扭结孤立波的演化
双山 那仁满都拉
根据Mindlin理论和Murnaghan模型,首先建立了描述耗散、频散及非线性微结构固体中一维纵波传播的一种简单模型.然后利用有限差分方法,数值模拟了微结构效应对钟型与扭结孤立波演化的影响. 结果表明,随着微结构效应的减弱,钟型孤立波的幅度衰减以及非对称特征变得越来越明显;随着微结构效应的增强,扭结孤立波顶部出现的“帽子”状变化以及由此产生的非对称特征变得越来越明显.
2012, 44(1): 117-123. doi: 10.6052/0459-1879-2012-1-lxxb2011-010
基于Hopkinson压杆的动态压剪复合加载实验研究
郑文 徐松林 蔡超 胡时胜
提出了一种可用于研究压剪复合加载下, 材料动态力学性能的实验装置, 该装置基于Hopkinson压杆, 通过添加一个带倾斜端面的垫块, 实现压剪复合加载.分析了该实验装置的基本数据处理方法, 并利用有限元分析验证了此分析方法的可行性;然后利用该装置对常规金属材料进行了相同冲击速度, 不同倾斜角度(0$^\circ$,30$^\circ$, 45$^\circ$)下的一系列实验. 实验结果表明, 该装置能实现压剪复合加载, 并且能得到材料的动态屈服面, 为研究材料在复杂应力状态下的动态力学性能提供了新的实验方法.
2012, 44(1): 124-131. doi: 10.6052/0459-1879-2012-1-lxxb2011-103
动力UH模型及其有限元应用
姚仰平 万征 秦振华
饱和砂土在循环载荷下具有复杂的应力应变关系, 通常表现出液化过程中的大变形以及往返活动性现象. 为简单有效地模拟上述特性, 在超固结UH模型的基础上, 将其扩展为可考虑砂土动力加载下的本构模型. 具体做法有3点: (1)改变屈服面椭圆长短轴之比, 将比值定义为反映应力诱导各向异性转轴斜率的函数; (2)引入旋转硬化规则, 用来反映应力诱导各向异性; (3)建立一个与旋转硬化规则以及临界状态特性相协调的统一硬化参数. 模型预测结果表明, 所提动力模型可简单、有效地用于砂土在动力载荷下应力应变关系的模拟. 最后将该动力UH模型嵌入到有限元软件中, 三维地基的动力加载模拟结果表明, 动力UH模型可方便地应用于岩土工程实践中.
2012, 44(1): 132-139. doi: 10.6052/0459-1879-2012-1-lxxb2010-740
一个高周疲劳损伤演化修正模型
杨锋平 孙秦 罗金恒 张华
将连续损伤力学应用到疲劳问题中, 得到合理的疲劳损伤演化方程,被认为是预测疲劳寿命最有效的方法之一. 在研究Lemaitre最新疲劳损伤演化方程基础上, 根据试验数据提出了一个修正的高周疲劳损伤演化方程, 该方程可以考虑应力幅、平均应力等影响因素. 以2A12-T4铝合金为例, 得到了修正模型的材料常数. 将该修正模型以UMAT子程序形式嵌入ABAQUS主程序, 计算了两种构件14种不同受载情况下的疲劳寿命, 所得计算寿命与试验结果误差均值约15%, 说明修正的疲劳损伤演化方程可以很好地计算金属构件的高周疲劳寿命.
2012, 44(1): 140-147. doi: 10.6052/0459-1879-2012-1-lxxb2010-594
反馈时滞对van der Pol振子张弛振荡的影响
郑远广 黄承代 王在华
研究反馈控制环节时滞对van derPol振子张弛振荡的影响. 首先, 通过稳定性切换分析, 得到了系统的慢变流形的稳定性和分岔点分布图, 结果表明, 当时滞大于某临界值时, 系统慢变流形的结构发生本质的变化.其次, 基于几何奇异摄动理论, 分析了慢变流形附近解轨线的形状, 发现时滞反馈会引起张弛振荡中的慢速运动过程中存在微幅振荡, 其中微幅振荡来自于内部层引起的振荡和Hopf分岔产生的振荡两个方面; 同时, 时滞对张弛振荡的周期也具有显著的影响. 实例分析表明理论分析结果与数值结果相吻合.
2012, 44(1): 148-157. doi: 10.6052/0459-1879-2012-1-lxxb2011-244
基于独立分量分析的多源动态载荷识别方法
徐训 欧进萍
提出了基于独立分量分析的多源动态载荷识别方法, 解决了在结构系统未知的情况下载荷波形的识别问题. 该方法基于结构在多源动态载荷作用下, 其响应是载荷与对应的结构脉冲响应卷积的原理, 并假设载荷源相互统计独立. 与既有的载荷识别方法相比,该识别方法特点表现在: 结构质量, 刚度及阻尼等信息可以完全未知, 但以实际载荷间的独立性为优化目标; 用互信息来度量识别载荷间的独立性, 通过梯度下降算法取消识别载荷间的各阶相关性, 使识别载荷间基本满足相互独立; 从波形的角度来进行载荷识别.通过数值仿真表明: 该方法对测点, 噪声, 不同载荷形式及不同结构有较好的鲁棒性; 识别载荷与实际载荷在归一化条件下, 识别载荷与实际载荷相关性系数约为1.
2012, 44(1): 158-166. doi: 10.6052/0459-1879-2012-1-lxxb2011-107
多项式输出中相关变量的重要性测度分析
郝文锐 吕震宙 魏鹏飞
为了解决一般工程问题中输出量为多项式情况下相关正态输入变量的贡献识别问题, 以二次不含交叉项的多项输出量为例, 利用多维相关正态分布及其条件分布的性质, 解析地推导了相关正态输入变量对输出量总方差的独立贡献及相关贡献, 采用算例验证了所推导的解析表达式的正确性. 文中所推导的相关正态变量独立贡献和相关贡献的表达式可直接用于输出量为二次不含交叉项多项式或一次多项式情况下的输入变量贡献的识别,并且为其他新的算法提供了对照解, 另外此方法亦可以推广至含交叉项的高阶多项式, 解决更为复杂输出量情况下输入量的贡献识别问题.
2012, 44(1): 167-173. doi: 10.6052/0459-1879-2012-1-lxxb2011-056
研究简报
波浪与外圆弧开孔壁双圆筒柱的相互作用
刘俊 林皋 李建波
应用比例边界有限元法(SBFEM)研究了短峰波与圆筒外接圆弧开孔结构物的相互作用. 求解时将外接圆弧延伸构建一个虚拟圆, 该圆的孔隙影响系数可由矩阵G_0统一进行表达. 整个流场可划分成一个有限域和一个无限域. SBFEM只需对虚拟圆边界进行离散, 使空间维数降低一阶, 在圆的半径方向保持解析, 并且无限域处的辐射边界条件能自动满足. 利用变分原理推导SBFEM方程, 有限域和无限域分别采用贝塞尔函数和汉克尔函数作为基函数来求得对应域的解. 将计算结果与解析解和其他数值方法进行了比较, 验证了该方法是一种用很少单元便能得到精确结果的高效算法. 进一步研究了诸如短峰波波向、结构的几何、材料参数等因素对结构所受波浪载荷及绕射波轮廓的影响, 并进行了分析.
2012, 44(1): 174-178. doi: 10.6052/0459-1879-2012-1-lxxb2011-200
鱼类自主游动水动力学特性的数值模拟
王亮 陈宗芳 付强 苗仁德 王明
通过对推力和阻力进行重新定义, 从根本上解决了鱼游研究中推力和阻力无法区分的难题.在此基础上, 利用自适应网格下的ghost-cell浸没边界方法, 模拟了鱼类以鲹科模式在黏性流体(309 \le Re \le 14\,581)和无黏流体 (相当于雷诺数无穷大情形)中的二维自主游动.结果表明: (1) Strouhal数随雷诺数增大而减小,当雷诺数趋向于无穷时, Strouhal数趋向于0.25; (2)在所有雷诺数情况下, 推力主要来源于压力分量; 当Re<3000时, 阻力的压力分量小于黏性力分量, 而当Re>3000, 二者的关系就会反过来; (3)推进效率随着雷诺数的增大而增大,当雷诺数趋向于无穷大时, 推进效率最高可以达到70%, 说明鲹科模式适用于较高雷诺数下的游动.
2012, 44(1): 179-183. doi: 10.6052/0459-1879-2012-1-lxxb2010-697
碰撞激发弹塑性波传播的动态子结构方法
骞朋波 尹晓春 沈煜年 杨钧
通过建立弹塑性碰撞动态子结构模型, 推导了模态坐标下的控制方程,提出了模拟柔性结构碰撞激发弹塑性波传播的动态子结构方法, 并对其中的主模态的存在性和主模态截断的收敛性进行了证明. 通过对柔性杆纵向碰撞和柔性梁横向碰撞两个算例的计算, 并将计算结果与理论解和三维动力有限方法计算结果进行了对比, 验证了该方法的数值收敛性和计算碰撞弹塑性波传播的有效性.
2012, 44(1): 184-188. doi: 10.6052/0459-1879-2012-1-lxxb2011-186
Acta Mechanica Sinica 2011年(第27卷)分类目录
力学学报编辑部
2012, 44(1): 189-194. doi: 10.6052/0459-1879-2012-1-lxxb2012-018
向审稿者致谢
力学学报编辑部
2012, 44(1): 195-196. doi: 10.6052/0459-1879-2012-1-lxxb2012-019