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  • 2020年, 41卷, 第2期
    刊出日期：2020-06-06
      
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    薄膜拉伸褶皱失稳力学进展
    徐凡，汪婷，杨易凡
    2020, 41(2): 207-220. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.02.001
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    薄膜拉伸起皱现象在自然界和现代工业中普遍存在，在过去二十年里，引发了学者们极大的研究兴趣．这种起皱失稳行为源自薄膜能与弯曲能之间的非线性竞争．我们回顾从本世纪初至今薄膜拉伸褶皱失稳力学研究进展，将其分为两个阶段：前十年的研究主要局限于薄膜小应变(~1 %)起皱现象，而后十年的兴趣主要集中在有限应变起皱-再稳定（孤立中心分岔）行为，在过度拉伸(~30 %)时褶皱最终消失．定量理解、预测和追踪这种强非线性力学行为的需求推进了有限应变板壳理论和数值计算方法的发展，不仅促进了对薄膜起皱-消皱机理的深入理解，也为无褶皱膜结构设计和薄膜表面形貌调控提供了新的思路．
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    刚性角隅内圆柱壳结构声辐射特性研究
    王威，陈炉云
    2020, 41(2): 221-230. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.02.002
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    本文对流场中处于刚性角隅内圆柱壳结构振动-声辐射问题进行研究．基于双反射方法，推导了位于两个垂直刚性壁面角隅区内圆柱壳结构的振动-声辐射方程．以此为基础，开展受线环向激励力作用的圆柱壳结构的振动-声辐射特性的数值计算．研究了刚性角隅内圆柱壳结构布置位置及计算频率对声辐射功率、声指向性的影响．计算结果可为分析含复杂声学边界的结构声振问题提供技术支持．
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    黄土中压力型锚索锚固段应力分析
    王勇华，熊二刚，王小勇
    2020, 41(2): 231-239. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.02.003
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    为研究黄土地区压力型锚索锚固机理，根据压力型锚索锚固段受力状态，基于三线型剪切-滑移模型，推导了注浆体与岩土体界面在弹性阶段所对应的剪应力及轴向应力分布的闭合解．根据相关压力型锚索锚固试验数据，采用推导的闭合解计算了不同张拉荷载作用下界面的剪应力分布，并与试验结果进行了对比．结果表明，各级张拉荷载作用下注浆体/岩土体界面剪应力的分布及其最大值与试验结果基本吻合，验证了本文提出解析模型的正确性与可靠性；压力型锚索锚固界面剪应力呈指数分布规律，在承压板附近剪应力分布集中且应力较大，随着离承压板距离的增大，剪应力逐渐减小；压力型锚索锚固界面剪应力峰值随外荷载增大而增大．研究结果可为压力型锚索的设计和计算提供一种理论参考．
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    基于大质量法的结构零频率振型的动力特性
    楼梦麟，田仲业
    2020, 41(2): 240-248. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.02.004
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    在介绍大质量法基本原理的基础上，根据多点输入下结构无阻尼动力反应方程，通过理论推导论证了基于大质量法所得到的结构体系零频率振型的动力特性．理论推导的结果表明：基于大质量法的结构零频率振型为该结构的拟静力模态向量的线性组合，其中组合系数为该结构零频率振型中对应于结构基底释放自由度的子向量中的各个元素．最后，通过3个简单多自由度动力体系的数值结果验证了上述结论．
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    韧性材料颈缩主应力面上应变分布假定的研究
    董事尔，李婷，鲜岸江
    2020, 41(2): 249-257. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.02.005
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    为了深入研究韧性材料主应力面的应变分布情况，讨论Bridgman关于主应力面上应变均布假定的精度．本文首先结合断口学基本理论与在室温条件下拉伸断裂的Q235钢、40Cr钢和45#钢断口电子显微镜扫描结果，从微观角度分析其韧窝分布后发现应变均布假定存在一定的误差；然后基于体积守恒和Aramis三维应变观测系统测得的试验结果，将计算值和试验值进行对比分析发现，三种材料中除含碳量较高的45#钢外，应变均布假定并不适用于分析颈缩主应力面上应变分布．本文的研究成果可为进一步研究韧性材料颈缩大塑性阶段的应力、应变本构关系提供一定的参考．
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    无限介质中单个纳米涂层夹杂反平面问题的两个模型
    崔春丽，徐耀玲，肖俊华
    2020, 41(2): 258-266. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.02.006
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    采用零厚度界面模型和界面层模型研究了无限介质中单个纳米涂层圆柱形夹杂的反平面问题，利用复变函数方法获得了两种模型夹杂、涂层和基体内应力场的封闭解析解．研究表明，当界面层模型中的界面相厚度趋于零时，界面层模型可以解析地退化为零厚度界面模型．数值算例分析了界面模量不同取值时应力场的分布和应力的尺度依赖性．本文结果丰富了对纳米夹杂力学行为的认识，并可为直接采用零厚度界面模型有困难的纳米夹杂问题的研究提供有价值的参考．
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    矩形薄板弯曲问题的二维广义有限积分变换法
    徐茜，贾鸿铭，钟阳，张景辉
    2020, 41(2): 267-277. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.02.007
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    运用二维广义有限积分变换解法，本文推导出不同边界条件下矩形薄板弯曲问题的解析解．在推导过程中，选取满足边界条件的梁振型函数为广义积分变换的积分核，由此构造出广义有限积分变换对，通过对薄板弯曲问题的控制方程进行二维广义积分变换，可以将控制方程转换为易于求解的线性代数方程组．该方法无需预先选取位移函数，无需进行繁琐的叠加过程，求解过程思路清晰，说明该方法更加正确合理．最后通过计算实例对比，验证了该方法的合理性及所推导公式的正确性．
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    变角度纤维复合材料环扇形层合板的自由振动分析
    王洋，聂国隽
    2020, 41(2): 278-287. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.02.008
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    与传统的直线纤维增强复合材料相比，变角度纤维复合材料具有更强的可设计性，为改善结构性能提供了更大的可能．鉴于此，本文将研究纤维的变角度铺设对复合材料环扇形层合板的自振频率及振动模态的影响．假设纤维的方向角沿环扇形板的径向线性变化，基于经典的层合板理论，采用微分求积法获得了环扇形层合板自由振动问题的数值解．通过与现有文献及ABAQUS有限元结果的比较验证了本文模型及方法的正确性和收敛性，并详细分析了纤维起始角和终止角的变化对层合板的自振频率及振动模态的影响．研究结果表明：与常刚度层合板相比，变角度纤维复合材料层合板的基频具有更大的调整空间，通过合理选择纤维起始角和终止角可有效提高层合板的基频．研究结果可为该种新型复合材料结构的优化设计提供一定的参考．
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    准脆性材料断裂过程区中的圆饼微裂纹损伤计算
    王利民，薛辉庭，张春巍，徐世烺，李霞
    2020, 41(2): 288-296. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.02.009
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    准脆性工程材料及结构在外力作用下，不仅引起内部缺陷变化和微裂纹的出现及发展，且使得其结构承载能力降低或性能劣化．在其材料失效过程中常存在裂缝与断裂损伤过程区．为研究材料细观缺陷或微裂纹与宏观破坏的规律，通过细观力学方法，对于代表性体积单元RVE中的圆饼型微裂纹的尺寸与密度变化，探讨其宏观断裂过程区力学参量与损伤之间的量化关系．借助宏观断裂过程区的黏聚裂纹模型，将损伤单元RVE嵌入到宏观裂缝端部的断裂过程区中，对其进行联接细观损伤到宏观破坏的力学多尺度研究．文中也通过实验数据，对其理论计算结果进行了算例的讨论与分析．
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    高低温加载对大理岩力学特性影响的试验研究
    王用，邵祖亮，罗攀登
    2020, 41(2): 297-307. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.02.010
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    许多工程（如采矿、隧道掘进、地热开采等）都涉及到岩石损伤及破碎问题．传统的岩石损伤破碎技术，如爆破法、水射流法、机械掘进法等均面临着一系列问题，利用岩石的热损伤性质辅助机械破岩有望实现安全、高效破岩的目的．大理岩是一种典型的硬岩，常见许多工程之中，因此本文以大理岩为研究对象，首先将均质性较好的大理岩试样加热至不同温度(20~1000 °C)后放入液氮中进行急速冷处理，然后对其进行了系列的物理力学性质测试．试验结果表明：处理后密度、纵波波速、抗拉强度、单轴抗压强度(UCS)和弹性模量整体上都随温度的上升而下降；当加热温度在100 °C之前，大理岩表现出一定的热硬化现象，即随着温度升高，其UCS、纵波波速以及弹性变形模量均增大；UCS变化的阈值温度为400 °C左右，一旦温度超过400 °C，UCS迅速下降，其速率达到了9 MPa/100 °C，当温度超过500 °C弹性模量迅速下降，其速率达到7.00 GPa/100 °C，表明岩样抵抗变形能力减弱．整体上，热加载降低了大理岩的脆性，使其在单轴作用下的破坏模式由脆性破坏逐渐转化为弹塑性破坏．
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    全非平稳地震作用下地下空间结构随机反应及可靠度分析
    成梦辉，陈清军
    2020, 41(2): 308-318. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.02.011
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    为研究全非平稳地震作用下地下空间结构的随机地震反应特征及可靠度分析方法，本文基于非均匀调制演变随机过程，建立了一种同时考虑强度非平稳和频率非平稳的全非平稳随机地震动输入功率谱分析模型；利用频响函数和脉冲响应函数间的傅里叶变换关系，推导出了适用于地下空间结构随机反应分析的响应功率谱计算表达式，可结合有限元方法对全非平稳地震作用下地下空间结构进行随机反应分析．基于穿越过程为泊松过程假定，采用分部积分方法，进一步推导出了适用于首次超越破坏可靠度计算的互相关函数解析表达式．然后，本文以上海某两层三跨地铁车站为工程背景，建立土-地铁车站结构相互作用体系有限元模型，对全非平稳地震作用下地铁车站结构进行了随机反应分析和中柱可靠度分析．结果表明：在非均匀调制演变功率谱作用下，结构的响应功率谱也具有明显的演变特征；利用文中给出的互相关函数计算公式，可避开调制函数的数值微分，提高计算精度．
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    颗粒在黏弹性流体扩张和收缩流中沉降的格子Boltzmann模拟分析
    李汉清，李勇，周王军，何录武
    2020, 41(2): 319-328. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.02.012
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    对于Oldroyd-B型黏弹性流体，本文应用格子Boltzmann方法(LBM)，实现了流体在二维1:3扩张流道及3:1收缩流道中流动的数值模拟，获得了黏弹性流体在扩张和收缩流道中的流场分布．结合颗粒的受力和运动规则，基于点源颗粒模型，数值分析了颗粒在扩张流和收缩流中的沉降过程和特征，讨论了颗粒相对质量和起始位置以及雷诺数Re和威森伯格数Wi对颗粒沉降特征的影响．结果表明，颗粒相对质量和起始位置以及Re对颗粒沉降轨迹和落点影响较大，而Wi的影响则较小．
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    压电压磁圆柱壳的自由振动分析
    辛立波
    2020, 41(2): 329-343. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.02.013
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    本文基于三维弹性理论，结合状态空间理论和离散奇异卷积算法分析了压电压磁圆柱壳的自由振动问题．圆柱壳的厚度方向被作为状态空间理论的传递方向，同时应用离散奇异卷积算法对面内域进行离散．因此，初始的偏微分运动方程被转化为由一阶常微分方程构成的状态方程．离散奇异卷积算法的引入使得本方法可以处理不同边界条件，从而扩展了常规状态空间方法的应用范围．本文对数值算例的计算验证了此方法的有效性和精确度．
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    基于泛形理论的裂纹扩展路径模拟
    胡义锋，张楠，师俊平，曹小杉
    2020, 41(2): 344-352. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.02.014
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    材料断裂面的泛形特征是由于材料内部不均匀造成的．本文利用纳米压痕实验测得的弹性模量随机样本，得到了表示材料非均匀特性的Weibull统计分布参数；对含裂纹的HT250试件的裂纹扩展过程进行了基于扩展有限元法的数值模拟，在此结果上计算了裂纹扩展路径的泛形复杂度，模拟结果与试验结果吻合较好；分析了铝合金7075不同均质度对非均匀模型裂纹扩展的影响．研究结果表明，灰口铸铁的Ⅰ型裂纹扩展路径具有泛形特征，裂纹的泛形复杂度依赖于材料的非均匀性且呈负相关关系．该研究方法也适用于其他应力应变呈单值关系材料的裂纹扩展分析．
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    船舶应急抛锚计算方法研究
    马希钦，胡瀚誉，蔡新永，母德伟，何进朝
    2020, 41(2): 353-362. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.02.015
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    应用常规经验公式和有限元CEL大变形计算方法，结合抛锚试验，研究了上海LNG管道项目北港5 wt级船舶8.3 t船锚、南港40 wt级船舶18.80 t船锚在BSZ111等多个钻孔点的应急抛锚贯入深度情况，其中CEL方法还考虑了正面贯入、窄面斜向贯入和宽面斜向贯入情况．公式法计算的应急抛锚最大贯入深度北港为2.60 m，南港为3.13 m，而有限元CEL大变形计算方法得出北港为2.86 m，南港为5.24 m．结果表明：CEL方法计算所得窄边(60°)贯入深度普遍大于经验公式计算所得值，说明横截面积的变化是影响贯入深度计算的重要因素．公式法的结果受到土壤系数恒定不变因素的限制，无法考虑贯入过程中土壤的竖向和横向刚度的变化，结果相对偏小，而CEL法可考虑多层土壤刚度以及土壤刚度随土层变形增加后的折减，计算过程更为客观，结果偏于安全考虑，适合作为设计依据．所以，对土层组成相对单一时可采用公式法，而对土层组成多变的复杂情况，建议采用更加客观和安全的CEL方法．
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    基于组件法的穿心螺栓连接CFST柱节点初始刚度计算
    高山，张影，赵国豪，徐嫚，王社良
    2020, 41(2): 363-369. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.02.016
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    本文基于EC3中的组件法，分析并建立了不同类型穿心螺栓连接CFST柱节点的力学模型，提出了EC3中未涉及的加强角钢的组件模型以及穿心螺栓连接刚度系数计算公式，推导了不同节点的初始刚度计算公式，试验结果和公式结果的对比表明，采用EC3给出的受拉螺栓刚度系数将大大低估穿心螺栓连接CFST柱节点的初始转动刚度，而采用本文所提出的考虑穿心螺栓预紧力的受拉螺栓刚度系数计算公式则与试验结果吻合较好．
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    不同自由度下覆冰四分裂导线舞动特征分析
    刘小会，闵光云，严波，孙测世，蔡萌琦
    2020, 41(2): 370-383. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.02.017
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    基于哈密顿变分准则，推导了单档导线的振动控制方程，通过建立的气动荷载模型得到考虑气动荷载影响的覆冰导线舞动控制方程．进行风洞试验并得到覆冰四分裂导线的三分力气动系数，利用泰勒定律将气动系数在攻角α = 0处展开，得到了气动系数的三次拟合曲线．采用摄动法求解了二自由度下覆冰导线的位移响应，接着采用数值法求解了三自由度下覆冰导线的位移响应．最后，通过具体的数值算例分析了两者位移响应的区别．算例分析表明：二自由度下覆冰导线的位移响应与三自由度下覆冰导线的位移响应存在一定的区别，三自由度下覆冰导线的舞动更符合导线真实状态下的舞动，其结果更具有参考价值．