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  • 2021年, 42卷, 第1期
    刊出日期：2021-03-06
      
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  • 双网络水凝胶损伤本构模型研究进展
    朱萍萍, 仲政
    2021, 42(1): 1-13. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.01.001
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    新型高分子生物材料——双网络水凝胶不仅保持了传统水凝胶优良的物理性质，而且具有超高的刚度、强度和韧性等优异的力学性能，具有广阔的应用前景．它们在大变形下表现出应力软化、颈缩、应变硬化、损伤各向异性和损伤交叉效应等复杂的非线性力学行为．研究双网络水凝胶的损伤力学十分必要．本文聚焦共价交联型双网络水凝胶，描述了它们在实验中观察到的力学行为以及相应的微观损伤机理，介绍了现有的损伤本构模型，并概括了这些模型的优点与不足，最后对双网络水凝胶的损伤力学研究进行了简明扼要的展望．
  • 三维Schrödinger 方程的改进无单元Galerkin 方法
    程珩, 彭妙娟, 程玉民
    2021, 42(1): 14-26. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.01.002
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    建立了三维Schr?dinger 方程的改进的无单元Galerkin（简称IEFG）方法．采用改进的移动最小二乘法（简称IMLS）建立三维Schr?dinger 方程的试函数，代入该问题基于罚函数法施加本质边界条件的Galerkin 积分弱形式，推导IEFG 方法的计算公式，然后采用差分法求解IEFG 方法得到的方程，得到了最终的离散方程．利用算例讨论了权函数、影响域比例参数和罚函数对精度的影响，以及解的收敛性、误差和计算效率，说明了本文IEFG 方法的正确性，以及具有比无单元Galerkin（简称EFG）方法更高计算效率的优点．
  • 基于精化高阶理论的层合板热-力问题有限元分析
    刘晓圣, 姬军, 刘麟, 王庆, 周亦夫, 郭力
    2021, 42(1): 27-36. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.01.003
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    基于精化高阶理论，建立了层合板有限元模型，编制了相应的MATLAB 程序．分析了三层四边简支层合板在力荷载作用下的响应，与解析解吻合良好．分析了热-力共同作用下层合板的响应，与基于ABAQUS 软件建立的精细有限元模型计算结果相对比，验证了模型的高效性．研究了跨厚比和铺设方式对层合板层间应力的影响，结果表明：跨厚比对层间应力影响显著，两者之间大致呈反比例函数关系；对称铺设方式可以有效降低层合板中的层间应力．
  • 考虑制作缺陷的变角度纤维复合材料层合板的屈曲
    曹星, 聂国隽
    2021, 42(1): 37-45. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.01.004
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    假设纤维方向角沿层合板的长度方向线性变化，研究含丝束重叠、间隙等制作缺陷的变角度纤维复合材料层合板的屈曲问题．采用ABAQUS 有限元软件建立层合板的有限元模型，选用S4 壳单元计算四边简支层合板在两端压缩荷载作用下的屈曲临界荷载及屈曲模态，并进行详细的参数分析．研究结果表明：当起始角相同时，含或不含制作缺陷的层合板的屈曲临界荷载均随着终止角的增大而逐渐提高，说明纤维的不同铺设方式对层合板的屈曲性能有很大影响．含重叠缺陷的层合板的屈曲临界荷载均大于不含缺陷层合板的值，而含间隙缺陷的层合板的屈曲临界荷载均小于不含缺陷层合板的值．当层合板的重叠、间隙缺陷共存且面积相等时，层合板的屈曲临界荷载与不含缺陷时层合板的值接近，制作缺陷对变角度纤维复合材料层合板屈曲模态的影响较小．本文研究结果可为含缺陷的变角度纤维复合材料层合板设计提供一定参考．
  • 基于数字图像相关技术的岩样破坏实验的应用研究
    米红林, 色麦尔江·麦麦提玉苏普, 杨晓东
    2021, 42(1): 46-53. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.01.005
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    为了解喀喇昆仑公路（中国段）沿线岩石裂纹演化及受力后的力学性能（位移和应变），采用数字图像相关技术，对三点弯曲加载条件下的灰白石英粉砂岩和片麻岩试件在万能试验机上进行了破坏实验，得到了外力作用下裂纹生成、扩展等演化过程及两种岩样在加载直至破坏过程中的位移场和平均应变曲线．实验结果表明，在相同条件下，灰白石英粉砂岩比片麻岩更易脆断，片麻岩在受力断裂破坏时出现了多条裂纹，导致试件加剧断裂，研究成果为了解这一地域的岩石强度及破坏规律提供了实验依据．
  • 短柱型复合材料加筋壁板轴向压缩破坏分析方法研究
    晋增贵, 黄烨, 董义佳, 刘涛, 李志敏
    2021, 42(1): 54-66. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.01.006
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    复合材料加筋结构可作为航空结构中的承力部件，其损伤与破坏对航空器的结构安全和服役性能至关重要．本文通过试验和数值仿真手段研究了短柱型复合材料结构压缩失效机理和极限承载力．通过短柱型单加筋板的轴向压缩破坏试验，分析梳理出界面脱粘和材料压溃两种典型失效形式；分别建立加筋板壳单元模型和实体单元模型，引入内聚力模型和Hashin 准则描述界面脱粘效应与材料破坏，结果表明壳单元模型配合内聚力模型和Hashin 准则可以有效地预测加筋板的极限承载力．分别讨论了加筋板长度、筋条高度、筋条/蒙皮刚度比等参数对加筋板的屈曲承载力的影响，为短柱型复合材料加筋壁板压缩损伤与破坏预测分析提供有益的参考．
  • 近断层地震动作用下地铁车站中柱减震效果研究
    陈曦, 陈清军
    2021, 42(1): 67-79. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.01.007
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    为研究近断层地震动作用下地铁车站中柱减震效果，本文首先从PEER 强震数据库中选取我国台湾集集大地震中典型近断层地震动记录，进行了近断层地震动频谱特性分析．然后，以某地铁车站为背景，分别建立中柱安装橡胶隔振支座和没有安装橡胶隔振支座的土-地铁车站结构相互作用体系有限元模型．在此基础上，选取4 条具有明显脉冲特性的近断层地震动记录和El Centro 波作为输入，对土-地铁车站结构相互作用体系进行了地震反应分析，对比分析了减震模型和原型结构的位移响应和应力响应等结果，探讨了近断层地震动作用下地铁车站中柱的减震效果．结果表明：近断层脉冲型地震动具有较大的加速度、速度和位移时程幅值，并有明显的速度脉冲效应，0.1~1 Hz 的低频成分丰富；在地铁车站中柱柱端安装橡胶支座后，改变了车站结构的传力机制，使得顶板的内力及变形不能有效的传递到中柱上，起到了非常明显的减震效果；中柱增设橡胶支座后结构整体刚度变小，车站结构侧墙内力和水平变形较原型结构有明显增大．
  • 梁长对移动荷载下梁响应影响研究
    镇斌, 拜寅康
    2021, 42(1): 80-86. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.01.008
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    本文研究了梁跨长对移动荷载下梁稳态响应的影响．在以往的研究中，通常采用Galerkin 方法或者有限元方法计算不同长度的梁的动力响应．当梁长的增加不再明显改变梁的动力响应时，可认为梁此时的长度可以代替无穷长时的情况．采用上述方法的研究表明，当梁长大于10 m 时，就可以用有限长梁近似无限长梁的响应．本文通过求解有限长梁和无限长梁在移动荷载下的动力响应比较分析发现，上述结论在某些参数下并不成立．本文给出了能否使10 m 长梁来近似模拟无限长梁的具体判据．本文是对结构力学教材中梁结构振动计算问题的进一步分析和讨论，所得结论有助于更深入地理解移动荷载作用下有限长梁的响应以及梁结构影响线问题．
  • 聚乙烯I-II 复合型疲劳裂纹扩展实验研究
    钱杨帆, 陈特, 陈一铭, 杨凤鹏
    2021, 42(1): 87-97. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.01.009
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    本文采用中密度聚乙烯(MDPE)单边斜切口板状试样，完成了多种条件下的I-II 复合型疲劳裂纹扩展试验．通过对裂尖和裂尖银纹区演化的全程显微测量，获取了各试样疲劳裂纹扩展过程的一致性特征，其过程分为初始银纹区萌生、银纹区转向、裂纹宏观扩展三个阶段．通过计算发现最大周向拉应力准则能精确预测第一阶段初始银纹区的萌生角度．试验表明第二阶段中银纹区发生转向，且第三阶段中裂纹始终沿垂直于外载荷方向的路径扩展，该现象通过银纹机理结合对裂尖奇异场的分析得到了解释，并从断面分析中得到印证．对比不同加载角下试样的裂纹扩展过程，发现裂纹萌生时间随加载角增大显著增长，但裂纹扩展特征一致．
  • 基于激光超声的GH4169 高温合金残余应力检测
    潘宗星, 宋俊凯, 高玉魁
    2021, 42(1): 98-107. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.01.010
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    目前GH4169 高温合金残余应力的检测手段多为有损检测或者检测受限的无损检测，激光超声作为一种具有非接触、高精度和无破坏性等优点的检测手段，鲜被应用于检测GH4169 高温合金残余应力的分布特征．本文采用ABAQUS 有限元软件模拟了热弹机制下，激光超声检测GH4169 高温合金残余应力的声弹效应，为使用实验室自主研发的激光超声检测设备检测GH4169 涡轮盘的残余应力提供基础，并重点将激光超声检测结果与X 射线检测结果作对比．结果表明：GH4169 高温合金的表面波波速与应力之间具有良好的线性关系；在实际检测过程中，由于检测范围不同，激光超声检测结果与XRD 检测结果有一定差距，但均为压应力且趋势一致．
  • 悬臂梁中开闭裂纹的损伤识别
    杨骁, 应方乾, 孟哲
    2021, 42(1): 108-119. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.01.011
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    利用裂纹诱导弦挠度函数，建立了悬臂Euler-Bernoulli 中开闭裂纹位置、深度、初始张开角等损伤参数的识别方法．为此，首先将梁中开闭裂纹等效为单向扭转弹簧，给出了考虑裂纹缝隙效应的裂纹梁等效抗弯刚度，并得到悬臂Euler-Bernoulli 开闭裂纹梁弯曲挠度的显式闭合解及裂纹诱导弦挠度函数，证明了裂纹诱导弦挠度的分段线性函数．其次，基于单向扭转弹簧的性质，建立了通过多步加载进行梁中开闭裂纹参数及其上下侧属性的识别方法．最后，通过数值算例验证了本文所建立的开闭裂纹损伤识别方法的适用性和可靠性，考察了裂纹分布位置、深度和初始张开角以及裂纹识别区间和挠度测量误差等参数对识别结果的影响，结果表明：当裂纹处于张开状态时，裂纹处裂纹诱导弦挠度斜率改变量随着施加荷载的增加而增加；当裂纹闭合时，其裂纹诱导弦挠度斜率改变量将保持为常量；裂纹损伤参数的识别误差随测量误差的增加而增加，但整体识别结果具有较高的精度，较好的鲁棒性．
  • 高超声速稀薄流曲形槽道ABLE 翼型气动特性分析
    张帅, 方蜀州, 郭建, 许阳
    2021, 42(1): 120-129. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.01.012
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    将曲形槽道人工钝头(Artificial Blunted Leading Edge, ABLE)概念应用于对称菱形翼中，针对飞行器可能出现的高空稀薄流流域进行分析，旨在探究ABLE 概念在近空间稀薄流流域内的适用情况．利用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法，对比分析了攻角为0~10°下菱形翼与ABLE 菱形翼的气动性能，并探讨了槽道构型参数对翼型气动性能的影响．结果表明，槽道参数设计合理时，ABLE 概念能以较小的热流增量为代价显著提升翼型的升阻比，增升效果明显；与连续流情况下有明显差异，在稀薄流中，虽然槽道将前缘驻点高压区移除，但是由于槽道增加的湿润面积致使粘性阻力大幅度增加，导致ABLE 概念翼型减阻性能不佳；除此之外，由于明显的稀薄气体效应，翼型气动力性能严重劣化．
  • 挖掘机工作载荷谱识别方法研究
    李文玉, 夏日, 许金泉
    2021, 42(1): 130-139. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.01.013
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    为了快速准确地识别挖掘机等工程机械的工作载荷谱，基于时域内动应变响应与载荷的关系，提出一种新的工作载荷谱识别方法．首先，采集工作中的挖掘机结构上若干测点工作应变谱；其次建立有限元模型，通过有限元方法计算挖掘机在各种可能外载的单位载荷下的应变；最后，建立实测响应与数值模拟测点单位应变之间的关系，通过时间迭代求解结构响应与载荷间关系的线性方程组得到工作载荷谱．为说明方法的实用性和有效性，通过在结构上选择的7个基底测点的假设应变谱和数值模拟单位应变，获得挖掘机样机的工作载荷谱．文章最后讨论了在本文所提方法基础之上求解结构关键位置疲劳应力的方法．
  • 双旋转附属圆柱对主圆柱尾流控制的影响
    涂佳黄, 吴苏莉, 肖毅凡, 文广龙, 梁经群
    2021, 42(1): 140-148. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.01.014
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    基于Fluent 软件平台，采用数值模拟方法对非稳态圆柱体结构尾流流动特性进行了研究．对在Re = 50~200范围内，双旋转附属圆柱的转速对主圆柱体尾流流动特性的影响进行了分析．研究结果表明：随着附属圆柱旋转速率的增加，主圆柱体表面所受阻力系数平均值与均方根值、升力系数均方根值均会减小．同时，旋转速率的变化对柱体结构表面压力分布的影响显著，压力系数在附属圆柱的位置产生了跳跃性变化．另外，当附属圆柱转速达到临界值时，尾流涡街变窄，涡脱落现象消失，并且系统的能量效率到达最佳状态．
  • 飞行器船尾设计对亚声速底阻影响及风洞试验验证
    徐国武, 罗雨, 陈冰雁, 关发明, 罗小云, 岑梦希
    2021, 42(1): 149-155. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.01.015
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    减小阻力尤其是底部阻力，是飞行器增加航程的重要手段，而船尾布局则是减小底部阻力的有效措施．为研究船尾修型设计在亚声速段对飞行器阻力的影响规律，对某飞行器外形开展船尾修型设计并进行数值模拟，分析了不同船尾形状和船尾角度对飞行器阻力的影响情况，并开展了风洞试验验证．结果表明，船尾修型设计可以有效减小底部阻力；船尾采用曲线过渡的减阻效果优于直线过渡；在限定船尾过渡段尺寸（轴向长度80 mm、法向高度40 mm）的情况下，船尾角度超过45°的修型设计，对底部的减阻效果更为明显；风洞试验结论与数值分析结果一致．
  • 西南民居明销直榫节点抗弯性能研究
    王展光, 石昂, 邵建华
    2021, 42(1): 156-167. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.01.016
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    西南传统民居主要为榫卯连接的木结构，其主要采用直榫连接方式，为了研究西南民族木结构中的明销直榫节点力学性能，设计了两个足尺节点并进行单向加载试验，得到节点的弯矩-转角曲线以及失效形态．在试验基础上，建立榫卯节点的理论模型，推导出相关参数的理论公式，并运用有限元软件ABAQUS 对影响节点抗弯能力的因数进行数值模拟分析．研究结果表明：明销直榫节点在单向加载的情况下，其弯矩-转角曲线大致为弹性受力阶段、塑性发展阶段，将双折线模型理论曲线与试验曲线和数值模拟曲线进行比较，三者吻合较好．明销直榫节点的屈服弯矩和极限弯矩随榫头高度、榫头宽度、摩擦系数增加逐渐增大．
  • 改进的Bingham 岩石蠕变模型研究
    王游, 赵翔
    2021, 42(1): 168-177. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.01.017
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    传统Bingham 模型只能模拟岩石的瞬时弹性变形和稳态蠕变变形，不能模拟岩石蠕变全过程．为了克服这方面的不足，首先定义一个非线性函数来模拟岩石的衰减蠕变变形，基于Harris 函数建立一个带时间触发的非线性损伤黏性体，与传统Bingham 模型进行串联，从而建立一个新的非线性蠕变模型，根据塑性力学原理推导了一维和三维蠕变方程．利用1stOpt 通用的全局优化算法，对前人所做的蠕变试验数据进行模型验证和参数辨识，同时基于理论曲线对模型参数进行敏感性分析．结果表明，该模型曲线与蠕变试验曲线具有较高的吻合度，在相同时刻，岩石蠕变变形量均随参数的增大而增大；模型曲线对参数n 的敏感性要高于对参数m ．该模型可为开展类似研究工作提供一定的参考．
  • 广义平均形状改变能密度断裂准则及应用
    黄如旭, 万正权
    2021, 42(1): 178-186. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.01.018
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    基于形状改变能为材料起裂扩展控制参量的物理事实及裂纹尖端断裂控制区能量平均概念，提出了计及裂纹尖端应力场特征级数展开奇异项和常数项的广义平均形状改变能密度(GADSED)准则，建立了I-II-III 混合型裂纹断裂判据计算式，为工程结构疲劳断裂评估提供了新选择．基于提出的GADSED 准则，系统分析了T应力对裂纹断裂判据的影响，结果表明：当参数|Ba|数值相同时：负值T应力的I-II 混合型裂纹更易起裂扩展，正值T应力的KΙf值高于负值T应力的KΙf值，正负T应力的KIIf值相同；T应力在区间0 < Bα < 0.45 时增大了KΙf值（3 %以内），T应力降低了KIIf值．根据GADSED 准则完成了双轴疲劳载荷平板表面I 型裂纹扩展寿命预报，结果表明：基于GADSED 准则的裂纹扩展寿命预报值约为传统方法预报值的40.7 %，可为工程实际评估提供借鉴．
  • 连体构架避雷针风振计算的简化方法
    董新胜, 张军锋, 马勤勇, 杨洋, 管品武
    2021, 42(1): 187-196. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.01.019
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    为简化构架避雷针风振时域计算从而有效降低计算耗时，以单跨和三跨构架避雷针结构为例，根据构架体系的结构特性和风振特点，提出一种简化计算方法，即对每个塔架单独建模并考虑结构刚度和质量系统的一致性和横梁荷载的等效加载，从而对每个塔架单独进行动力计算，并对这种简化方法的合理性进行了验证．研究发现，构架避雷针的频率较小，风振效应较为显著，但在各方向均以一阶振型为绝对主力；构架避雷针的塔架在平面外的荷载耦联效应极小，平面内也仅表现有位移均值的耦联效应：这两个结构特性也为风振简化计算提供了便利．对每个塔架的简化模型，通过在塔架与原横梁连接处设置弹簧和附加质量来实现对原结构一阶振型的等效，并通过影响线法将横梁分布风荷载等效为塔架的集中荷载．由此简化方法所得的结构风振静动力响应结果均与原始结构有良好一致性，并且计算效率得以显著提升．