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• 2017年, 38卷, 第1期
  刊出日期：2017-03-25

    

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  近场动力学研究进展

  乔丕忠, 张勇, 张恒, 张律文

  2017, 38(1): 1-13. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.01.001

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  近场动力学（Peridynamics或PD）理论基于非局部作用思想，采用空间积分描述物质内部作用，对于从连续到非连续、微观到宏观的力学行为具有统一的表述，数值上天然具有无网格属性和不连续求解功能，在分析不连续，多尺度等问题时展现出了具有优势的适用性和可靠性．本文介绍了近场动力学的发展背景；概述了其理论基础、数值实现过程和计算体系，并在此基础上探讨了近场动力学理论和数值模型的适定性，以及与传统连续介质模型和分子动力学模型进行耦合的可行性；系统分析了近场动力学方法在各个领域上的应用发展现状和趋势，包括静态、动态破坏问题，基于近场动力学的材料模型，以及新兴的疲劳问题研究和多尺度、多物理场的耦合问题；最后对近场动力学方法目前存在的局限性和将来的研究进行了探讨．
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  锂离子电池电极材料的断裂现象及其研究进展

  张俊乾, 吕浡, 宋亦诚

  2017, 38(1): 14-33. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.01.002

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  锂离子电池中的多场耦合问题是目前研究的热点，其中电极材料的断裂行为更是目前固体力学的研究前沿．锂离子电池电极材料的断裂现象与电池性能退化存在密切关系，是锂离子电池中的核心力学问题之一，也是研究电池力学-电化学耦合失效的关键课题．本文从锂离子电池的结构和组成入手，介绍了电极材料断裂与电池充放电过程中电化学性能退化的相关机理，综述了观测电极材料断裂的实验现象，并重点评述了锂离子电池电极材料断裂的理论模型与数值分析等方面的最新国际研究进展．最后本文给出了这方面今后应进一步研究的问题．
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  考虑梁元侧向弯曲的网格圆柱壳结构非线性建模与分析

  王榕, 聂国华

  2017, 38(1): 34-42. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.01.003

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  本文提出了粱元正交布置的单层网格扁壳结构在考虑梁元侧向弯曲时的结构非线性模型．运用虚功原理，给出了该类网壳结构的大挠度基本控制方程和边界条件．对于竖向均布荷载作用下的网格圆柱壳，采用伽辽金法分析并计算得到了考虑侧向弯矩时网格圆柱壳的非线性荷载位移关系和结果曲线，与忽略侧向弯曲的情况进行了比较．同时，还分析了不同矢跨比对网格圆柱壳稳定性的影响．
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  分数阶Birkhoff系统Noether对称性的摄动

  宋传静, 张毅

  2017, 38(1): 43-49. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.01.004

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  20世纪90年代以来，分数阶微积分理论与方法已被广泛地应用到自然科学和社会科学的各个领域，动力学与控制是其中的一个重要应用领域．为了进一步研究分数阶力学系统，本文基于Riemann-Liouville分数阶导数，讨论了分数阶Birkhoff系统Noether对称性的摄动与绝热不变量问题．首先，给出分数阶Birkhoff系统的运动微分方程及精确不变量；其次，给出绝热不变量的定义，并研究分数阶Birkhoff系统的绝热不变量；文末举例说明结果的应用．
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  近场动力学微极模型在求解静力学问题中的应用

  郁杨天, 章青, 顾鑫

  2017, 38(1): 50-57. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.01.005

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  阐述了近场动力学微极模型的求解方法，可同时考虑物质点的平动和转动效应；在此基础上，给出了近场动力学微极模型的静力求解格式，在求解静力学问题时无需引入阻尼项，提高了“键”型近场动力学的计算效率．基于所建立的近场动力学微极模型的静力求解体系，模拟计算了简支梁的弹性变形和含单、双裂纹板的破坏过程．并与理论解和其他数值方法模拟结果进行了对比分析，验证了本文建立的近场动力学微极模型静力求解方法的有效性和准确性．
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  短纤维增强复合材料层合板的高速冲击性能优化

  王凯, 聂国隽

  2017, 38(1): 58-63. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.01.006

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  本文以冲击体最大损失动能为目标函数，以纤维的方向角为设计变量，根据Hashin破坏准则并考虑四种损伤能量耗散对短纤维增强复合材料层合板的高速冲击性能进行优化．用ABAQUS有限元程序对短纤维增强复合材料层合板的高速冲击问题进行数值模拟，并采用遗传优化算法获得最优纤维方向角的布置．数值模拟及优化设计的结果表明：与传统的直线纤维增强复合材料层合板相比，合理的短纤维角度布置能有效提高复合材料层合板的抗冲击能力．研究结果可为短纤维复合材料抗冲击设计提供一定的帮助．
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  控制棒驱动机构中隔磁片的冲击模拟与试验研究

  韩超, 钱浩, 谢永诚, 王德斌, 刘斌, 张东升

  2017, 38(1): 64-69. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.01.007

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  本文通过分析实际控制棒驱动机构中的隔磁片的工作特点，设计了隔磁片的动态冲击试验装置，同时利用数值分析方法验证了该装置与控制棒驱动机构中隔磁片实际受力模式的相似性．通过实验测试和数值分析，研究了304不锈钢与625不锈钢两种材料制备的隔磁片在不同的衔铁冲击速度、不同的基座刚度条件下的衔铁冲击加速度、隔磁片受到的冲击力以及沿基座环向和轴向的应变历程．结果表明：通过冲击试验测试得到的数据与数值计算结果具有较好的匹配度，同时基座刚度、衔铁冲击速度以及隔磁片材料的差异均对隔磁片在冲击过程中的力学响应有相应的影响．
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  纤维增强聚合物加固黏弹性Timoshenko木梁的弯曲变形

  杨骁, 杨万锋, 谭英辉

  2017, 38(1): 70-80. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.01.008

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  假定木梁和纤维增强聚合物(FRP)布分别服从标准线性固体黏弹性本构和弹性本构，且FRP布与木梁紧密粘贴，建立了FRP布加固黏弹性矩形截面Timoshenko木梁弯曲变形的控制方程．在此基础上，利用Laplace变换及其逆变换，给出了突加集中和均布载荷作用下FRP布加固简支黏弹性Timoshenko木梁弯曲变形的轴向位移、转角和挠度解析表达式．根据花旗松(DF)木材标准线性固体本构的材料参数，数值分析了芳纶纤维聚合物(AFRP)含量和梁跨高比对AFRP布加固黏弹性Timoshenko DF梁弯曲蠕变行为的影响．结果表明：Timoshenko DF梁的弯曲蠕变效应显著，AFRP布加固可有效减小Timoshenko DF梁的蠕变挠度；随着DF梁跨高比减小或AFRP含量的提高，AFRP布加固Timoshenko DF梁的最大压应力和最大拉应力减小．
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  采用独立覆盖无网格法模拟盾构隧道衬砌结构

  张广超, 朱合华, 蔡永昌

  2017, 38(1): 81-93. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.01.009

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  本文将独立覆盖无网格法(ICMM, Independent Cover Meshless Method)应用于盾构隧道衬砌结构的分析模拟，以解决和避免采用梁-弹簧模型或实体有限元法常遇到的相应困难与难题．ICMM方法使用无网格节点进行任意形状分析区域的离散，在各离散节点的独立覆盖区域上采用多项式的无网格位移函数，具有前处理简单、公式简洁等优点，可以十分方便地实现盾构隧道衬砌、钢筋、接头螺栓、不同管片间的接触面等复杂构件的统一模拟分析，极大简化复杂盾构隧道的分析过程．论文详细介绍了ICMM方法进行盾构隧道分析的基本理论和各种基本构建的实现原理与公式，研制了相应的盾构隧道二维精细化荷载-结构分析程序，并通过算例验证了本文方法的正确性和可靠性．
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  位移模式下PMI泡沫夹层结构疲劳损伤试验研究

  朱志鹏, 杨凤鹏, 林峤岳

  2017, 38(1): 94-101. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.01.010

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  论文选取磁悬浮列车车身所用的由铝面板与聚甲基苯丙酰亚胺(PMI)聚合物泡沫芯层所组成的轻质夹层复合材料为研究对象，对夹层结构在室温下进行静态强度测试和进行以位移为控制变量的疲劳损伤演化试验，探讨分析了PMI泡沫夹层结构在交变位移控制下的疲劳性能和破坏行为．给出了PMI泡沫夹层结构在静态载荷作用下的力学性能参数．参考静态试验结果加载适当的位移载荷进行疲劳试验，发现在位移控制模式下，夹层结构的疲劳损伤过程和破坏模式明显区别于载荷控制模式．当最大控制位移较小时破坏形式为面板与泡沫层脱离；位移较大时为面板断裂和泡沫芯层塌陷．通过引入载荷的变化作为损伤参量建立了位移控制模式下损伤演变公式，并对两种模式的破坏行为进行了较好的预测．
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  超高层建筑群对场地地脉动的影响

  席兆凯, 陈清军, 姜文磊

  2017, 38(1): 102-107. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.01.011

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  随着经济与技术的快速发展，高层甚至是超高层建筑不断涌现，城市场地的建筑群效应问题逐渐受到重视．为研究超高层建筑群对场地地脉动的影响，本文以上海浦东某典型超高层建筑场地为背景，采用美国Kinemetrics公司的Basalt型数字加速度采集仪对这一超高层建筑群的区域场地进行了现场振动测试，并对现场实测数据进行了时频分析和振级分析，探讨了超高层建筑群对场地地脉动的影响．分析结果表明：与自由场场地相比，超高层建筑群场地的三个方向的地脉动幅值均有不同程度的减小；超高层建筑群改变了场地地脉动的频谱分布特性，地脉动频带相对变宽，能量更分散；自由场场地的1/3倍频振级总体上大于超高层建筑群场地的振级．
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  广义Birkhoff系统稳定性对双参数的依赖关系

  陈向炜, 曹秋鹏, 梅凤翔

  2017, 38(1): 108-112. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.01.012

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  研究双参数对广义Birkhoff系统稳定性的影响．分别给出广义Birkhoff系统和梯度系统的微分方程，得到广义Birkhoff系统转化成梯度系统的条件．在该条件下把广义Birkhoff系统化成梯度系统，利用梯度系统的性质研究了广义Birkhoff系统的稳定性随双参数变化关系．结果表明，随双参数变化广义Birkhoff系统的平衡稳定性可能是稳定的，或渐进稳定的，也可能是不稳定的，在参数平面上划出稳定性区域和不稳定区域．举例说明结果的应用．
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  考虑Zigzag函数影响的FGM夹层双曲壳自由振动

  李珍妮, 郝育新, 王准

  2017, 38(1): 113-122. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.01.013

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  双曲壳被广泛应用于工程结构中，例如飞机机身，液化气船，土木建筑等，对双曲壳的动力学行为进行分析研究是国内外学者关注的热点之一．本文在Reddy高阶剪切变形理论的基础上，提出了一种考虑Zigzag函数影响的新位移场．针对FGM表层和均质芯层的夹层类型，假设材料特性沿厚度方向按幂律变化，利用所给出的新位移场以及Hamilton原理，推导出简支边界条件下功能梯度材料夹层双曲壳的偏微分运动控制方程．利用Navier法，根据简支边界条件假设振型函数，在自由振动情况下得出考虑不同长厚比，夹层厚比和体积分数的情况下系统的前五阶固有频率．此研究对深入研究其多模态共振具有重要意义．
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  时滞作用下的化学突触耦合的Hindmarsh-Rose神经元同步研究

  邬开俊, 单亚洲, 王春丽, 鲁怀伟

  2017, 38(1): 123-134. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.01.014

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  本文通过数值模拟的方法研究了化学突触耦合的Hindmarsh-Rose神经元的同步问题，以及时滞对耦合的Hindmarsh-Rose神经元同步的影响．研究发现：耦合强度能够影响化学突触的耦合神经元系统的放电活动以及耦合神经元之间的同步状态．通过调整化学突触耦合的两个Hindmarsh-Rose神经元之间的耦合强度，可以使得神经元系统从非同步状态变为同步状态．同时也发现，适当的时滞会使得两个Hindmarsh-Rose化学突触耦合神经元系统从同步状态变为非同步状态，从而破坏系统的同步活动．
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  基于自然单元法的功能梯度板固有频率优化

  魏星, 陈莘莘, 童谷生, 万云

  2017, 38(1): 135-143. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.01.015

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  对功能梯度板的固有频率优化问题进行研究．从无网格方法自然单元法出发，建立了功能梯度板的一阶剪切变形理论的自由振动分析格式．自然单元法是一种基于自然邻近插值的无网格数值方法．自然邻近插值不涉及矩阵求逆运算，也不需要任何人为的参数．较之于传统复合材料，功能梯度板材料属性沿厚度方向呈梯度连续变化，因此材料加工时产生的残余应力小很多，此外，功能梯度板具有可设计的优点．以第一阶固有频率为优化目标建立优化模型，通过单纯形法搜索较优的功能梯度板的成分分布．最后通过矩形功能梯度板在不同边界条件下的基频优化的实例，验证了整个算法的可行性和有效性．
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  低渗透煤层气有限导流垂直裂缝井压力动态分析

  张先敏, 孙贝贝, 冯其红, 张纪远

  2017, 38(1): 144-151. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.01.016

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  作为典型的致密多孔介质，煤岩储层已被证实存在启动压力梯度．根据煤层气垂直裂缝井的双线性流动机制，综合考虑启动压力梯度和井筒储存效应的影响，建立了一个新的低渗透煤层气有限导流垂直裂缝井双线性流动数学模型，采用Laplace变换和Stehfest数值反演方法对数学模型进行了求解，并分析了无因次启动压力梯度等参数对无因次井底压力及其导数曲线的影响规律．分析结果表明：典型的低渗透煤层气垂直裂缝井双线性流动曲线可划分为早期续流段、双线性流段、煤层线性流段、过渡流段和煤层边界线性流段5个特征阶段，其中由于启动压力梯度存在的影响，无因次井底压力及其导数曲线自煤层线性流段开始出现明显上翘，且启动压力梯度值越大，曲线上翘趋势越明显；此外，煤层边界线性流段呈现为单位斜率的直线，而非1/2斜率的线性流段直线．这些结果表现出启动压力梯度对低渗透煤层气垂直裂缝井双线性流动的影响，可用于指导现场煤层气井试井分析．
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  航空轮胎爆破防护设计研究

  王佩艳, 张建敏, 岳珠峰, 耿小亮, 杨浩, 王勤超, 冯彪

  2017, 38(1): 152-159. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.01.017

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  飞机轮胎爆破引发的航空事故屡见不鲜，造成的事故甚至是灾难性的，因此民用飞机轮胎爆破防护设计必须通过适航认证．飞机起落架舱内布置有液压、压力信号器等系统关键设备，因此必须针对关键系统设备加装防护罩，保证在飞机轮胎发生爆破的情况下尽量减小对关键系统设备的伤害，以保障飞机系统安全．本文系统地研究了起落架舱内防护设计流程及方法，具体包括轮胎爆破防护设计准则和设计流程、轮胎爆破空气喷流模式试验研究、防护罩方案及防护验证试验技术等，航空轮胎爆破防护设计是系统性工作，本文的研究将对航空轮胎爆破防护设计提供一定的参考．
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  鲨鱼皮微沟槽结构减阻计算分析

  汪志远, 马建敏

  2017, 38(1): 160-168. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.01.018

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  通过Matlab和Pro/E建立了鲨鱼皮微沟槽结构的三维模型．选用雷诺应力湍流模型，借助于Fluent软件，分别计算了不同横截面形状的鲨鱼皮微沟槽的摩阻系数及不同方向的切应力．计算结果表明，在选定雷诺数范围内，鲨鱼皮微沟槽结构减阻效果明显优于v形沟槽结构．鲨鱼皮微沟槽减阻效果不但与其横截面形状有关，而且与其纵截面形状有关．因此，鲨鱼皮较高减阻率是由其微沟槽结构的横向和纵向减阻效应共同作用的结果．
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  线弹性多材料接头端部应力奇异性特征分析

  施法佳, 葛仁余, 周华聪, 韩有民, 张金轮

  2017, 38(1): 169-178. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.01.019

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  文章研究多材料接头并计算其应力奇性特征．通过引入接头端部位移场的渐近级数展开式，将应力平衡方程转化为关于奇性指数的特征常微分方程组，由插值矩阵法求解获得多材料接头应力奇性指数以及相应的位移特征函数，与已有的结果对照证实了本文方法的有效性．本文计算结果还表明了多材料接头结构在不同材料粘结界面处位移场特征函数的一阶导数发生了突变，导致应力场在接头粘结界面处不连续．