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  • 2019年, 40卷, 第1期
    刊出日期：2019-03-20
      
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    非局部弹性理论概述及在当代材料背景下的一些进展
    王林娟，徐吉峰，王建祥
    2019, 40(1): 1-12. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2019.01.001
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    局部作用原理在发展经典连续介质力学的本构关系中起着重要的作用，由此导出的简单物质理论得到了广泛的应用．然而，随着科技的发展，各种具有微结构的新材料不断涌现，理论和实验表明，非局部理论可以更好地刻画这些材料的宏观力学行为．本文简要介绍了一些传统的非局部弹性理论，包括Eringen 理论、Kunin 理论、Mindlin 理论；阐述了针对复合材料发展的，具有时间-空间非局部特征的Willis 方程、最新的时间-空间耦合非局部弹性动力学理论以及近场动力学理论．时间-空间非局部理论反映了复合材料宏观性能固有的非局部特征，而具有空间非局部特征的近场动力学理论便于处理具有不连续性的问题．最后，本文讨论了非局部理论的发展中值得关注的一些问题.
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    考虑孔隙影响的混凝土有效弹性模量预测分析研究
    吴丹，陆林军，乔丕忠，谢瑞峰
    2019, 40(1): 13-21. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2019.01.002
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    本文通过纳米压痕实验技术得到混凝土材料细观各相参数，基于渐进均匀化理论，采用蒙特卡洛方法和双向游走方法建立了含孔隙混凝土的胞元模型．分析了孔隙在冻融循环次数增加情况下对混凝土有效弹性模量的影响，同时与有限元模拟分析进行了比较．结果表明：随着冻融循环次数增加，孔隙体积分数增大，界面与砂浆压痕模量相对降低，但对骨料影响较小，导致混凝土宏观弹性模量随之降低；理论分析预测的混凝土有效弹性模量与有限元模拟结果吻合良好．应用含孔隙混凝土胞元模型能有效地预测混凝土宏观弹性模量，进而也为其在冻融作用下老化演变机理的研究评估提供了基础．
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    岩石材料动态破坏的近场动力学方法数值模拟
    王振宇，程站起
    2019, 40(1): 22-31. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2019.01.003
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    裂纹的聚集、扩展、分叉是岩石等脆性材料破坏失效的关键因素，本文在验证了近场动力学方法在研究岩石类材料裂纹动态扩展方面的有效性之后，采用近场动力学方法分别对冲击载荷作用下含有双裂纹岩石材料和单轴压缩作用下含单斜裂纹的岩石材料进行数值模拟．结果表明，对于双垂直裂纹，其裂纹扩展路径大致与预制裂纹成70°夹角；对于单裂纹，裂纹的扩展路径随裂纹倾角的变化而变化，最终导致构件的整体破坏．数值模拟结果表明近场动力学方法可以很好地模拟岩石等脆性材料的裂纹扩展直至破坏的过程，反映裂纹扩展的物理机理；其作为一种新的基于非局部理论的数值方法，在地下岩体工程方面及页岩气的开采方面会有很好的发展前景．
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    三维高频声波的矩阵压缩边界节点法模拟
    邓衍亚，李伟伟，林继，陈文
    2019, 40(1): 32-38. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2019.01.004
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    本文采用边界节点法(Boundary Knot Method, BKM)求解三维高频声场．由于高频赫姆霍兹方程的解是振荡的，极大影响了数值求解的精确度，需要在计算区域增加离散点，这会增加计算量．同时对于大规模声学问题，依靠边界节点法形成的插值矩阵为满秩，导致计算量过高和存储量过大．所以本文采用矩阵压缩技术(Matrix Compression, MC)，在有效继承边界节点法高精确度的基础上减少计算内存需求和时间，从而提高计算效率．数值实验表明，MC-BKM 求解精度高、收敛速度快、计算时间少，在高频大规模声波问题中应用前景广泛．
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    含孔边非均匀材料圆环的无限大薄板的应力集中系数
    聂国隽，李驰弦
    2019, 40(1): 39-45. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2019.01.005
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    对于含圆孔及孔边非均匀材料圆环的无限大薄板，假设非均匀材料的弹性模量沿径向按照指数函数变化，而泊松比为常数，分别导出了双轴拉伸和纯剪切作用时孔边及界面处的应力集中系数的解析解．通过数值算例详细分析了非均匀材料圆环的弹性模量的变化对无限大薄板的孔边及界面处的应力集中系数的影响．研究结果表明，合理选择孔边非均匀材料圆环的材料性能变化参数可有效地缓解薄板的孔边应力集中程度．本文的研究结果可为含圆孔的薄板的设计提供一定的参考．
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    非对称铺层复合材料层合板的双稳态特性半解析研究
    胡筠晔，卿海
    2019, 40(1): 46-54. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2019.01.006
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    非对称铺层的复合材料层合板在存在热残余应力的情况下，具有双稳态性质．层合板的两个稳态之间仅需要一个适当的激励就可以互相转化，因此该结构在变体飞机上应用广泛．基于经典层合板理论，本文引入几何大变形建立了具有双稳态性质的复合材料层合板的能量泛函，提出了一个高阶的位移场函数，用瑞利里兹法推导出一组关于位移场函数系数的非线性方程组．结合牛顿迭代法和消元法求解非线性方程组，得到了层合板面外位移场．同时利用有限元软件ABAQUS，对复合材料层合板双稳态机理进行了数值模拟．选取了几组具有代表性的铺层进行计算，以有限元结果为基准，比较了本文的位移场结果与前人的结果，验证了高阶位移场函数的准确性．
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    基于微纳米压入法提取无铅焊料合金弹塑性力学参数的研究
    刘勇勇，肖革胜，李志刚，树学峰
    2019, 40(1): 55-63. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2019.01.007
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    本文通过微纳米压入法结合数值模拟研究了无铅焊料合金SnAg3.5 的弹塑性力学性能，分别采用圆柱形压头及两种不同锥角压头对无铅焊料合金进行压入测试：基于圆柱形压头测试过程中接触面积恒定的特点得到了无铅焊料的弹性模量，进一步采用塑性应变梯度理论对两种锥角压头的测试结果予以修正并通过数值模拟反分析得到相应的特征应力值，同时基于压入特征塑性应变与压头锥角的关系式得到两种不同锥角压头下的特征应变值，在此基础上经求解方程组得到焊料合金的初始屈服应力与应变强化因子，进而得到了焊料合金的幂强化弹塑性本构关系．该方法剔除了压入尺度效应的影响并保证了所得本构关系的唯一性，给出了一种通过原位压入测试表征金属材料弹塑性力学性能的有效方法．
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    基于裂纹闭合效应的高载迟滞预测模型修正
    陆云超，杨凤鹏，陈特
    2019, 40(1): 64-71. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2019.01.008
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    裂纹闭合效应通常是导致I 型裂纹扩展在高载作用下发生迟滞效应的主要因素之一．本文采用汽车薄板QSTE340TM 材料，针对不同应力比，高载比条件下疲劳裂纹扩展行为进行了实验研究．论文通过断面分析，针对各参数对裂纹闭合效应的具体影响进行了分析讨论，认为裂纹作用区域随裂纹扩展而动态变化，从而提出了一种对有效应力强度因子幅的修正方法．通过在原有模型中引入幂函数形式的动态变量α，表征裂纹闭合效应的作用比例随裂纹长度的动态变化，取得了较好的效果．
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    基于裂纹附加模态Timoshenko梁的裂纹损伤识别
    杨骁，蔡洪浩，戴缘
    2019, 40(1): 72-84. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2019.01.009
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    将梁中横向裂纹等效为无质量扭转弹簧，并忽略其对梁剪切变形的影响，得到的具有任意裂纹数目Timoshenko 梁自振模态的统一显示解析表达式．将裂纹梁的自振模态分为基本模态和裂纹附加模态，利用最小二乘拟合，建立了利用裂纹附加模态函数的梁裂纹损伤识别方法．通过数值模拟开展了简支单裂纹梁以及悬臂和固支双裂纹梁等的裂纹损伤识别，考察了测量误差对损伤识别的影响，数值结果表明本文所提出的裂纹损伤识别方法对裂纹位置的识别精度高于对裂纹损伤程度的识别精度；随着测量误差的增加，裂纹位置及裂纹损伤程度的识别误差增加，但仍在可接受的范围内，故该裂纹损伤识别方法在实际工程中具有一定的应用价值．
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    温度对炭黑填充橡胶复合材料力学性能影响的实验研究
    黄丽红，杨晓翔，高剑虹
    2019, 40(1): 85-96. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2019.01.010
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    采用岛津万能试验机对天然与丁苯共混橡胶(NSBR)试件进行不同温度下多步松弛循环加卸载实验和单向拉伸加卸载循环实验，对比两者的宏观力学响应，并研究温度对炭黑填充复合材料力学性能的影响．结果表明：(1)随着温度的升高，未填充橡胶逐渐变“硬”，而炭黑填充橡胶是“先变软后变硬”．(2)随着温度的升高，橡胶的迟滞损耗呈线性减小．(3)比较单向拉伸和应力松弛平衡点的应力应变曲线，填充橡胶“先变软后变硬”的温度转折点不同，这是由于应力松弛过程基本消除了粘弹性效应．
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    修正的RC剪力墙构件Park-Ang损伤模型
    周知，钱江，黄维
    2019, 40(1): 97-105. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2019.01.011
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    基于Park-Ang 损伤模型，提出了用于钢筋混凝土剪力墙构件的修正损伤模型．通过对已有钢筋混凝土剪力墙试验结果的统计分析，总结了其累积耗能组合系数的影响因素，并拟合出该系数与试件参数：剪跨比、轴压比、配筋率的关系式．修正的损伤模型需满足加载至破坏时损伤指标为1.0 的上界条件，结果表明，根据本文修正的损伤模型计算的钢筋混凝土剪力墙试件损伤指标在统计意义上满足该条件．最后，根据构件性能水准的相关研究，本文将钢筋混凝土剪力墙构件的性能水准划分为：基本运行，生命安全和接近倒塌，分别对应了构件骨架曲线相应关键点：屈服点、峰值点和极限破坏点，根据本文修正损伤模型计算的各水准损伤指标临界值分别为：0.02、0.45 和1.00．
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    粘弹流体轴对称流动的格子Boltzmann方法
    李勇，卓琦又，何录武
    2019, 40(1): 106-114. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2019.01.012
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    基于BGK碰撞模型，通过在迁移方程中引入作用力项，建立了粘弹流体的轴对称格子Boltzmann模型．通过Chapman-Enskog展开，获得了准确的柱坐标下轴对称宏观流动方程．采用双分布函数对运动方程和本构方程进行迭代求解，模拟分析了粘弹流体管道流动，获得了流场中的速度和构型张量的分布，通过与解析解进行比较，验证了模型的准确性．研究了作为粘弹流体流动基准问题的收敛流动，对涡旋位置进行了定量分析，将回转长度的计算结果与有限体积法进行了比较，两种数值结果十分吻合．研究结果表明，模型能够准确表征粘弹流体的轴对称流动，具有较广阔的应用前景．
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    共和干热岩地热井GR2井区三维地应力场反演分析
    李良振，张延军，雷治红，张谦，张森琦，付雷
    2019, 40(1): 115-123. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2019.01.013
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    GR2 地热井位于共和恰卜恰镇，干热岩地热井井深达到4000 米，大深度井区极大增加了反演的难度．井区附近20 千米内无大型构造，附近地应力场的主要影响因素为板块构造应力和自重应力．由于井中未进行三维地应力场测井工作，所以我们以地面地应力调查结果和震源机制解反演结果为依据，基于MIDAS GTS 和大比例尺高清卫星云图建立有限元数值模型，使用改进的边界法进行反演计算，最终预估了井中地应力场分布特征．对于后续的井网布置以及干热岩井场开采具有重要意义．
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    轴对称弹性体扭转问题的无网格自然邻接点Petrov-Galerkin法
    陈莘莘，刁呈岩
    2019, 40(1): 124-130. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2019.01.014
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    本文将无网格自然邻接点Petrov-Galerkin 法应用于轴对称弹性体扭转问题的求解．无网格自然邻接点Petrov-Galerkin 法采用自然邻接点插值构造试函数，并且采用三角形线性单元的形函数作为加权残值法的加权函数．自然邻接点插值构造的试函数满足Kronecker delta 函数性质，因此本质边界条件的施加十分方便．由于几何形状和边界条件的轴对称特点，原来的空间问题简化为二维问题求解，因此计算时只需要横截面上离散节点的信息．数值算例结果表明，所提出的方法对求解轴对称弹性体扭转问题是行之有效的．
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    板片空间结构初始缺陷的动力稳定性影响分析
    姜海波，仇堂堂，贾勇勇，张廼龙，毕晓甜，吴佰建
    2019, 40(1): 131-142. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2019.01.015
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    对板片空间结构体系的研究大都局限于静力载荷工况，结构在动力载荷作用下的稳定性及失效特征研究仍相对缺乏．板片空间钢结构先天存在各样缺陷，而缺陷对结构稳定性的影响不可忽略．本文引入拉丁超立方法，结合Budiansky-Roth 准则，提出适用于求解含初始缺陷结构动力临界荷载的方法，对板片空间结构初始缺陷的动力稳定性开展研究．研究表明，相比于其它抽样方法，拉丁超立方法能显著减少样本数，有效提高计算效率．针对典型的板片空间结构，施加不同方向的阶跃荷载，分析了节点位置偏差缺陷、杆件截面尺寸缺陷以及板片厚度缺陷对板片空间结构临界承载力的影响．结果显示，节点位置偏差缺陷对该结构临界承载力影响最为显著，其它两类缺陷影响甚微．
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    基于Burgers模型考虑损伤的岩石蠕变全过程研究
    汪妍妍，盛冬发
    2019, 40(1): 143-148. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2019.01.016
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    岩石蠕变是一个显著的非线性问题，而经典的Burgers 模型是一种线性蠕变模型，必然不能全面地描述岩石蠕变的全过程．当岩石处于高应力水平下的加速蠕变阶段，岩石内部损伤会不断产生和累积，蠕变呈现出明显的非线性特征．为了更好地描述考虑损伤的岩石蠕变全过程，本文假定加速蠕变阶段的损伤演化方程，将损伤引入到Burgers 模型中，提出了一种非线性蠕变损伤模型．然后以乔后盐矿试件蠕变实测数据为分析案例，验证模型在应用于实际工程时的准确性和适用性．最后根据Origin 软件数值拟合的结果，表明本文所提出的非线性蠕变损伤模型能很好地描述岩石蠕变全过程，模型参数取值也在合理范围之内，模型拟合曲线与实验所得数据具有较好的一致性．
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    基于高斯过程回归的有限元应力解的改善研究
    赵亚飞，韦广梅，李海滨，李劲波，吴鹏辉
    2019, 40(1): 149-159. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2019.01.017
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    本文应用高斯过程回归方法对有限元应力解进行了改善研究．考题是一简化为平面应力问题的各向同性且受均布载荷的等截面悬臂深梁，应力考察量取Mises 应力，高斯积分点为样本点，单元角结点为改善点．4结点单元有限元模型和8 结点单元有限元模型的计算结果表明：(1)改善点的总体误差比样本点的总体误差都小，且4 结点明显、8 结点不明显；(2)边界结点的改善效果均较传统整体应力修匀的效果显著；(3)改善点应力具有置信区间；(4)较传统分片应力修匀方法，高斯过程回归方法可将所选取区域内的所有角结点的应力同时给予改善，且边界角结点改善效果好．
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    端部切向荷载作用下的压杆失稳分析及其应用
    尤明庆
    2019, 40(1): 160-166. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2019.01.018
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    细直杆件在压应力作用下会产生横向屈曲即失稳．直杆撞击刚性平面或拉断卸载后将形成压缩波，因承载压缩载荷的长度增加可以引起失稳．冲击速度转换的压应力沿着杆件切线方向，该处弯矩和剪力为零；而众多文献设定的失稳段固支边界条件并不准确．基于精确的杆件变形曲率方程得到端部载荷指向杆件中固定点时的受压失稳条件，得到其极限状态即载荷沿杆端切向作用时失稳长度相当于两端简支的1.5 倍．对于钢丝绳拉断形成的冲击失稳，载荷恒定而长度增加，可以产生高阶屈曲即在侧向出现多次曲折，并基于尼龙-橡胶带的模拟试验给出了定性说明．
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    基于能量释放率的 Ⅱ 型裂纹分叉研究
    多依丽，谢禹钧，海军，刘明，孙麟
    2019, 40(1): 167-175. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2019.01.019
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    裂纹尖端存在奇异应力场，该类奇异应力场所具有的高度应力集中将导致裂纹开裂．本文应用典型的J积分理论来划分裂纹尖端的积分路径，基于能量释放率理论对II 型裂纹尖端的复杂分叉情况进行研究．通过所建立的断裂模型求解出II 型裂纹多种分叉形式的能量释放率的解析解；导出了各种分叉构型的能量驱动力；提出了各种分叉构型的K-型开裂准则；给出了裂纹分叉的临界开裂角；确定了裂纹的分叉韧性与断裂韧性之间的关系．通过本文研究方法得出的裂纹分叉形式及裂纹分叉临界开裂角与已有实验结果十分吻合．
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    乏燃料贮存格架跌落事故冲击分析和试验验证
    钱浩，许艳涛，谢永诚，唐力晨，毛星明，朱自强
    2019, 40(1): 176-182. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2019.01.020
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    乏燃料贮存格架是核电厂贮存乏燃料的重要设备，在满载条件下和地震/跌落事故中，都应保持稳定和安全状态．本文基于LS-DYNA对乏燃料贮存格架进行了跌落事故冲击分析，考虑了最重重物从可能最高处意外跌落的情况．分析时考虑了碰撞、几何大变形、材料非线性等非线性因素．分析发现，浅跌落情况下贮存格架变形较大，但为局部变形，冲击载荷不影响贮存格架的安全功能．深跌落情况下，组件跌落在支座上方时支座承受的载荷最大，并在许用载荷范围内．为确保核电厂安全性和可靠性，基于分析得到的现象，设计和开展了乏燃料贮存格架浅跌落和深跌落试验．试验采用了等比例贮存腔和真实燃料组件的管座．同时对试验件进行了跌落分析，并与试验结果进行了对比，验证了分析技术的保守性和准确性．掌握的分析技术可应用于所有压水堆核电站乏燃料贮存格架的跌落事故分析．
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    一维正方准晶非周期平面弹性有限摩擦接触问题
    赵雪芬，李星
    2019, 40(1): 183-192.
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    基于传递函数法的带多个外挂机翼颤振分析
    张忠源，段静波，路平，王龙
    2019, 40(1): 193-207. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2019.01.022
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    基于带外挂机翼结构和气动特点，使用带有半解析半数值特性的传递函数方法进行处理．首先，通过机翼的运动微分方程、二元机翼非定常气动力Therdorson 模型、结合外挂挂载处的内力平衡与位移状态条件，得到了三维的带多个外挂大展弦比机翼的颤振微分方程．进而，使用传递函数方法，先将颤振计算方程整理成为状态空间方程形式，结合求解复特征值的方法，完成了带多个外挂大展弦比机翼的动气动弹性稳定性分析．对比已有文献的计算结果以及通过有限元方法进行的仿真结果，证实了文章所提计算方法的准确性和高效性，结合传递函数方法的优势，进一步将文章方法拓展到机翼的固有频率和发散速度求解．文章结尾，分析了外挂数量、外挂质量、转动惯量及位置分布等变量对带多个外挂大展弦比机翼的动气动弹性稳定性的影响．
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    π平面上原状土的空心扭剪试验
    李顺群，高艳，夏锦红，潘林
    2019, 40(1): 208-215. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2019.01.023
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    为了通过空心扭剪试验获得原状土在π 平面上的屈服特性，在分析空心扭剪试验仪加载过程和加载特点的基础上，研究了空心圆柱试样可实现的应力状态，并设计了相应的加载路径．与重塑试样不同，原状土样的初始应力状态位于K0 固结线上而不是等倾线上，因此，其加载路径应从原点开始沿K0 固结线行至原始应力状态，然后再在π 平面上进行以初始应力为起点的等p 试验．在考虑原状土的初始应力状态和各项异性的基础上，针对具有不同主应力方向角的平行试样，给出了等p 条件下保持主应力方向角不变的加载路径实现方法，采用该方法可得到任意平均主应力时π 平面上六分之一范围内的屈服曲线，该范围对应于大主应力方向角从-45o~45o．本文设计的加载方案可完成真三轴试验的部分功能，但经济成本相对较低，操作方法简单易行．
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    双主梁钢板组合连续梁桥翼缘有效宽度及几何构造参数分析
    郭劲岑，张玥
    2019, 40(1): 216-222. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2019.01.024
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    双主梁式钢板组合梁桥，在中小跨径桥梁中有良好的应用前景．由于其钢板主梁间距较大，桥面板正应力在桥横向的分布更加不均匀，剪力滞效应显著．结合工程实例，通过有限元分析，计算了双主梁式钢板组合梁桥的桥面板翼缘有效宽度．为保证桥面板作为主梁受压翼缘的利用率，依据我国现行规范，结合有效宽度计算结果推导了双主梁式钢板组合梁桥主梁间距的计算公式，根据统计资料，对桥梁宽跨比及主梁间距与桥面宽度的比值等几何构造参数进行了初步分析，以期为双主梁钢板组合梁桥构造设计提供参考依据．