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  • 2020年, 41卷, 第3期
    刊出日期：2020-09-06
      
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     薄壁曲梁的稳定性研究进展
    乔丕忠，黄思馨，李志敏，祁洋
    2020, 41(3): 385-400. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.03.001
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     曲梁是桥梁、建筑、船舶、航空和航天工程中常见的薄壁构件，根据外载荷与主曲率平面的关系，又被称为拱或水平曲梁．随着工程材料的日益发展，如复合材料、功能梯度材料的引入，曲梁的应用范围更加广泛，进一步推进了薄壁曲梁稳定性问题的研究．本文首先对薄壁梁结构的稳定性行为进行了分类．接着简述了薄壁构件的基本假设，对比了近几十年来薄壁曲梁的基本理论，针对复合材料薄壁曲梁，总结了相应的本构关系，并对各理论间存在的分歧进行了归纳．结合最新的薄壁曲梁研究，根据平衡法、能量法和虚位移（虚功）原理推导出控制微分方程，阐述了相应的求解方法，如解析法、半解析法和数值解法．为验证薄壁曲梁理论的准确性，曲梁承载能力试验验证尤为重要，但目前国内外相关研究还很少，亟待发展．最后讨论了现阶段薄壁曲梁研究的局限性和未来发展的方向．
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     LSCF材料氧化还原过程的力化学耦合瞬态三维模拟
    李子川，仲政，秦豹
    2020, 41(3): 401-409. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.03.002
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     镧锶钴铁氧体(LSCF)具有良好的化学催化性能和导电性能，未来有望被应用于能源工程领域．在周围环境氧气浓度变化时，LSCF 会通过化学反应与周围环境交换氧．这一过程往往会引起化学应力并可能危害设备安全．本文对LSCF 棒在氧化还原循环过程中的反应-扩散过程进行了力化学耦合建模．表面处的化学反应动力学考虑了浓度、应力和温度的影响．通过有限元方法分别求解出三种给定的不同表面化学反应速率下棒伸长量和棒端部附近第一主应力的瞬态解．
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     基于平面度的燃料电池电化学性能模拟
    谷宇晨，蒋聪盈，官万兵，仲政
    2020, 41(3): 410-418. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.03.003
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     固体氧化物燃料电池的翘曲会影响电极-盖板界面的接触情况，从而影响电化学性能，对相关制造工艺提出了很大的挑战．为了分析燃料电池平面度对放电过程的影响，揭示其潜在的风险，我们建立了两个基于有限元法的仿真模型，对考虑平面度缺陷的燃料电池封装和放电进行分析．在对固体氧化物燃料电池进行平面度测量的基础上，首先建立了具有真实燃料电池翘曲特性的几何模型，分析封装过程中接触压力的分布情况．然后将接触电阻的仿真结果导入到三维多物理场耦合模型中，模拟具有平面度缺陷的燃料电池电化学性能．计算结果展示了燃料电池两侧封装过程中接触压力的分布情况．通过对比有接触电阻和无接触电阻的燃料电池电流密度，分析了电池与盖板的接触对放电过程的影响．结果表明，燃料电池的凹陷面较难达到满意的接触状态，需要比凸起面更大的封装压力．燃料电池表面接触电阻的变化将引起电流传导路径的变化，产生局部高电流或低电流．这项工作强调了在燃料电池中保持均匀分布的接触电阻的重要性，为今后的优化工作奠定了基础．
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     不同集流方式下对称双阴极固体氧化物燃料电池的电-化-热-力数值模拟及失效分析
    俞成荣，朱建国，周晔欣，张红英，蒋聪盈，谷宇晨，官万兵
    2020, 41(3): 419-429. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.03.004
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     本文围绕新型对称双阴极固体氧化物燃料电池电堆单元在不同集流位置下热应力分布情况和优化集流方式，建立了一个基于电-化-热-力多场耦合理论的三维SOFC 电堆单元数值模型．引入固体力学热-力学理论，结合Weibull 失效概率分析方法，讨论了不同集流方式对SOFC 内部应力分布及失效的影响．研究结果表明，双侧阴极同时开展电子集流方式下的电解质平均电流密度比单侧单一集流方式下高，改变阳极集流位置会改变电极高温区的分布；SOFC 电堆单元上电极结构处的最大主应力明显大于其他组件上的最大主应力；阳极集流位置设置在阳极气体入口处时电极结构上的最大主应力和失效概率大于集流位置设置在阳极气体出口处的最大主应力和失效概率．
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     单足机器人周期跳跃控制的虚拟约束方法
    张奇志，张瑞，周亚丽
    2020, 41(3): 430-440. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.03.005
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     研究单足机器人周期跳跃控制问题．弹簧支撑倒立摆模型可以比较准确地描述动物的跳跃行为，但无控制的自然跳跃抗干扰能力较差，一般采用轨迹跟踪控制方法实现单足机器人周期跳跃．当系统存在比较大的误差时，传统的时间轨迹跟踪控制方法存在明显的不足．引入虚拟约束技术，采用基于空间路径跟踪的控制方法可以克服时间轨迹跟踪的不足．采用点足机器人模型，并通过控制腿伸缩的方式为系统提供动力，将跳跃过程分为地面摆动和腾空飞行两个阶段，并通过起飞和着陆两个事件完成两个阶段之间的转换，整个系统模型属于欠驱动非光滑动力学系统．根据简化的动力学方程获得系统的虚拟约束解析表达式，并采用部分反馈线性化方法结合PD 控制设计系统的控制律．分析了系统的混合零动力学方程，并证明了闭环系统的临界稳定性．仿真结果表明，提出的控制方法可以实现单足机器人的周期跳跃控制，并且对外部干扰具有较强的鲁棒性．
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     波浪作用下网帘的水动力载荷和变形计算
    罗敬，郭晓宇，王本龙
    2020, 41(3): 441-451. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.03.006
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     离岸水产养殖中的网箱养殖逐渐成为全球水产养殖业的主导．海洋环境中网箱的水动力荷载对网箱结构的整体设计提出了更高的要求．本文建立了一种计算波浪荷载下网帘结构水动力和变形的数值计算方法，利用质点杆单元模型模拟网帘结构，通过Morison 公式求解网帘结构在波浪荷载下的受力，得到网帘结构的空间分布，同时运用迭代法对网帘结构结点受力及运动变形时的位移进行数值迭代计算，通过双目测距系统对网帘结构变形测量的结果，获得等效弹性系数，并对数值结果进行了验证．
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     一种利用岩块特征长度估算二维渗吸量的新方法
    郑欢，刘志峰，王敏，于金彪，曹伟东，王晓宏
    2020, 41(3): 452-464. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.03.007
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     对于存在大量亲水疏油岩块的天然裂缝性油藏，自发渗吸是基质岩块和裂缝系统油水交换的重要驱动机制．对于一维渗吸问题，前期存在自相似解析解，后期可以用近似解析解描述，从而可以很方便地估算出岩块剩余油饱和度和岩块出油速率．本文研究了二维矩形岩块在不同边界条件下渗吸过程的近似解析解，通过引入特征长度，将二维岩块渗吸问题等效为一维，从而可以有效利用一维近似解析解来估算出二维岩块渗吸过程中剩余油饱和度和岩块出油速率随时间的变化．本文提出了一个新的混合特征长度，在渗吸前期取岩块面积与岩块开放边界长度之比；在渗吸后期，特征长度根据前期特征长度和Ma 等提出的特征长度按饱和度插值确定．通过数值检验比较了几种常见的特征长度取法和本文提出的混合特征长度取法，结果表明新的混合特征长度总体性能优于其他已有的特征长度取法，并且适用于本文列举的所有边界条件．
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     基于顺序雨流法和临界平面法的多轴变幅低周疲劳寿命评价
    张世越，吴昊
    2020, 41(3): 465-476. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.03.008
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     在多轴变幅疲劳寿命预测过程中，合适的雨流计数法对复杂加载历程分析非常重要，但是大多数雨流计数过程往往无法保持原始的加载顺序特性，进而会导致非保守的疲劳损伤和寿命预测．本文提出一种考虑加载顺序效应并基于临界面概念的多轴实时顺序雨流法，该方法既具有实时顺序计数特点，同时与Bannantine-Socie多轴雨流法结合，可以实现对主要通道内的载荷历程实时的雨流计数．基于Morrow 模型，提出一种新的考虑加载顺序的线性损伤累积方法．相对于传统雨流计数法需要得到完整的载荷数据后才能进行分析的特点，新方法计算效率更高，实用性更强．通过对316L 不锈钢的多轴疲劳试验数据的分析，验证了该方法在多轴疲劳寿命预测过程中的有效性．
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     高速磁浮双向主动控制系统模型参数分析
    蔡文涛，王春江，滕念管，文泉，王先
    2020, 41(3): 477-485. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.03.009
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     磁浮控制系统是磁浮列车的重要组成部分，是保证磁浮运行的安全性和平稳性的关键部分．本文以PID控制器为研究对象，为了研究磁浮列车中悬浮控制的动态性能与控制参数的变化规律，建立了基于状态反馈的PID 磁浮控制系统的数学模型，并通过多体动力学软件SIMPACK 联合可视化仿真工具MATLAB/SIMULINK 建立了耦合分析模型，进行了多参数的比较分析．系统讨论了单磁铁控制器在不同PID 控制参数下，磁浮间隙和磁浮电磁铁加速度等监测控制量的变化曲线，并针对双向受力状态的不同，分别研究了具体工况下高速磁浮的竖向和横向控制性能．研究表明：本文所使用的高速磁浮控制系统模型，具有较强的抗干扰性和鲁棒性，控制性能优秀，其参数分析方法可为未来实际工程的建设提供技术支撑．
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     基于物理中面与高阶剪切变形理论FGM 圆板的后屈曲分析
    张大光
    2020, 41(3): 486-498. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.03.010
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     本文假定FGM 材料的主要参数是温度相关的，且沿板的厚度发生变化，基于物理中面与高阶剪切板理论，用多级数Ritz 法分析了在径向压力作用下的FGM 圆板后屈曲，以及在热场作用下FGM 圆板热后屈曲力学行为．并且进一步详细地讨论了不同边界条件、热场、体积分数对后屈曲力学行为的影响．值得特别指出的是，具有可移动简支边界的FGM 圆板受边界径向轴力作用在物理中面与几何中面下的后屈曲载荷-挠度曲线结果比较在文献中具有创新性，有助于澄清在文献中所存在的一类典型错误．此外，本文所采用的多级数Ritz 法，可以计算屈曲前耦合挠度的影响，该方法具有一定的创新性与优越性，并且值得进一步推广．
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     基于树脂层强度预测分层萌生载荷
    李鹏，黄争鸣
    2020, 41(3): 499-507. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.03.011
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     轴向拉伸下的层合板在自由边缘附近存在奇异应力场，容易产生分层萌生进而导致结构破坏．而大多数基于材料力学方法的分层萌生研究对强度参数的确定有较强的主观性，缺乏合理解释．本文通过在层间插入一定厚度的树脂层，将分层萌生视为层间树脂层在三维应力状态下的强度破坏，根据有明确试验标准的树脂强度和Mohr 判据判断是否发生分层萌生．采用Pipes-Pagano 的均匀轴向拉伸模型计算应力场，对层间应力与树脂层面外应力进行了对比．取临界长度为4 个单层板厚度对T800/914 层合板的分层萌生进行了预测，结果表明预测值与实验值吻合良好．
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     几何非对称桩基结构波浪力和群桩系数实验研究
    李志阳，倪轩，薛雷平
    2020, 41(3): 508-518. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.03.012
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     本文通过对几何非对称群桩进行的一系列规则波和不规则波实验，对六种不同间距、四种不同角度排列的群桩进行了研究．根据非对称群桩波浪力实验数据对无量纲波浪力经验公式进行了修正．在此基础之上推导了非对称群桩结构的群桩系数．
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    航空导管弯曲试验的疲劳裂纹萌生寿命
    朱峰，杨宏伟，王本劲，戴瑛，贺鹏飞
    2020, 41(3): 519-527. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.03.013
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    飞行器液压导管受接头和卡箍等约束，在使用的振动环境中，会因弯曲应力而导致破裂，影响到飞行安全．本文对飞行器液压系统通用的不锈钢导管的裂纹萌生寿命进行了试验研究．首先在对8 mm、12 mm 无缺陷导管和含U 型缺口8 mm 导管的疲劳试验和有限元分析的基础上，得到了导管的最大拉应变-裂纹萌生寿命数据．然后采用基于强度极限和弹性模量估算法的Manson-Coffin 公式来预测导管裂纹萌生寿命．最后引入加载类型修正系数、表面质量修正系数、试样尺寸修正系数、应力集中敏感系数和有效应力集中系数，使修正后的公式对三种类型的导管均有较好的裂纹萌生寿命预测精度．
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    基于强度表征的混凝土脆性指标影响因素研究
    吴剑锋，李慧剑，王彩华，孟德亮，李佶芩
    2020, 41(3): 528-536. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.03.014
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    借鉴岩石脆性指标的评价方法，依据峰值抗压强度和残余抗压强度对混凝土脆性指标进行了计算．讨论了粗骨料粒径和试样形状对混凝土脆性指标的影响，分析了抗压强度、峰值应变、单位体积吸收能、破碎分形维数与脆性指标的关联．结果表明：棱柱体试样的脆性指标均比同粒径的圆柱体试样脆性指标高；棱柱体试样与圆柱体试样的脆性指标均随粗骨料粒径的增大、抗压强度的降低而呈增大趋势；棱柱体试样与圆柱体试样的脆性指标均随峰值应变的减小、单位体积吸收能的减小和破碎分形维数的减小而增大．
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    无铅焊料合金压入蠕变性能参数表征研究
    马宇宏，肖革胜，刘二强，杨雪霞，树学峰
    2020, 41(3): 537-542. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.03.015
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    微互连焊点高温下的服役可靠性很大程度上决定了电子产品性能的优劣，本文通过微纳米压入法开展了典型无铅焊料合金Sn-3.0Ag-0.5Cu 的高温蠕变性能研究，采用“快速加载–保载–快速卸载”的测试方式获取不同温度下完备的蠕变行为，分析发现温度升高焊料软化加剧、蠕变变形更为明显；得到了焊料合金不同温度下的稳态蠕变应力指数n 与不同硬度下的蠕变激活能Q，分析了温度与硬度对二者的影响并给出激活能Q 与lnH之间的关系．
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    无铆连接模具参数对异种金属板料接头成形的影响
    杨程，姚杰，牛艳，王瑞静
    2020, 41(3): 543-553. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.03.016
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    为了研究无铆连接模具参数对 304 不锈钢和 AL6061 板料接头成形的影响，基于 DEFORM-2D 建立了有限元模型，分析了凹模深度、凹槽深度和凸模直径三个主要模具参数对接头成形的影响．研究结果表明，凹模深度越大，越有利于下板料变形，反之，则有利于上板料变形．当凹模直径一定时，凹槽深度和凸模直径过小不利于形成互锁，而凹槽深度不宜过大，避免出现充不满现象，凸模直径过大导致接头颈厚值过小．通过正交试验发现，对接头成形的影响程度从大到小依次为凸模直径、凹槽深度和凹模深度，确定了最优模具参数，并通过无铆连接实验验证了正交试验的可靠性．此外，通过剪切实验获得了接头最大剪切失效载荷为 1.8 kN．
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    自由度缩聚的柔度损伤诊断法
    李国庆，罗帅，张丽
    2020, 41(3): 554-561. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.03.017
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    为了提高结构在模型自由度缩聚情况下的损伤识别结果的精度，本文推导了基于改进Guyan 缩聚法的结构振动方程式．通过求解振动特征方程，利用其特征值和特征向量构建结构缩聚后的柔度矩阵表达式，并引入结构缩聚后的柔度曲率矩阵差和柔度曲率矩阵变化率两个损伤指标，将引入的新损伤指标应用于平面桁架的损伤识别．研究表明：不管是单损伤还是多损伤，仅仅需要一阶模态参数，利用其引入的新损伤指标就可以精确地识别出损伤杆单元位置．即使在高强度噪音的影响下，也保证了其损伤识别结果的精确性．验证了本文基于改进的Guyan 缩聚法推导出的损伤指标具有较好的损伤定位性能和较高的抗噪性能．
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    轴向运动二维传输结构动力学有限元建模与仿真
    随岁寒，晋会杰，李成
    2020, 41(3): 562-570. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.03.018
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    基于物理中面概念和经典薄板理论，应用有限元法研究了机械工程中的二维传输结构作轴向运动时的面外自由振动特性．根据实际工程结构特点及设计要点，考虑受双向预张应力作用的传输薄板结构模型，由哈密顿原理出发严格导出了结构的有限元动力学方程，得到了体现轴向传输结构特性的陀螺矩阵．该矩阵具有反对称结构，这与加权余量法所得的陀螺矩阵结构不同．采用3 节点三角形单元离散求解域，且单元不受轴向运动影响，给出了单元密度对计算结果精度的影响．分析了传输结构预张应力和轴向速度与自由振动固有频率的关系；考察了不同结构的陀螺矩阵对数值结果的影响．将部分结果与ANSYS 软件模拟对比，显示出良好的一致性，证明了本文方法的有效性．研究结果可为典型传输带等结构的振动控制提供参考，建模方法可为ANSYS等计算软件添加轴向运动结构新模块提供理论依据．
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    矩形夹层板稳定性分析
    陈英杰，吕婷婷，王超，崔鹏
    2020, 41(3): 571-581. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.03.019
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    本文在Reissner 理论基础上，应用功的互等定理推导了夹层矩形板稳定问题的基本解，在已推导出的夹层板基本解的基础上，利用功的互等法求解了两对边固定一边简支一边自由、两邻边简支另两邻边自由且角点支承、两邻边简支另两邻边自由且角点悬空三种不同边界条件下夹层板的稳定问题，给出了挠曲面方程及其对应的执行方程；进行了数值计算，并与有限元结果进行对照分析．结果表明：本文方法求解过程更简单，提供了一种求解夹层板稳定问题的新方法，计算结果对解决工程实际问题具有一定的参考价值．