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  • 2021年, 42卷, 第2期
    刊出日期：2021-06-06
      
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  • 基于应力波传播机理的混凝土无损检测研究综述
    陆林军, 余海帆, 乔丕忠
    2021, 42(2): 197. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.02.001
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    混凝土结构在基础设施中应用广泛，但环境与荷载导致材料和结构的老化损伤问题，势必影响材料性能及耐久性和结构完整性及安全性．构建有效的混凝土材料性能评估和结构损伤识别体系是当前研究热点．现有研究因对应力波传播机理不深入理解、损伤定位定量模型理想化、损伤形式简化等问题仍存在局限性．因此，开发普适全面、稳定可靠的无损检测系统，对在建或既有混凝土结构服役状况进行长期、实时跟踪，具有重要学术意义和工程应用价值．本文结合混凝土无损检测领域的国内外研究现状及进展，从智能压电材料振动机理研究、混凝土无损检测方法发展、基于应力波的无损检测研究进展这三个逻辑层面，即按照研究手段到研究方法再到具体研究方案的顺序，循序渐进地对混凝土材料性能评估和结构损伤识别的研究进行了成果总结和方法提炼；基于此进一步概述了该领域所存在的瓶颈问题、研究重难点，最后提出了针对这些局限性的混凝土无损检测研究展望．
  • 硅基薄膜电极充放电过程应力演化解析解研究
    管箫, 张锴, 郑百林
    2021, 42(2): 217. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.02.002
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    为了研究硅电极在充放电过程中的应力演化，在忽略弹性变形的情况下提出了一个考虑粘塑性的简化力学模型，分别导出了出现相分离和不出现相分离时薄膜电极内应力场的解析解，该模型的计算结果与现有的实验结果相吻合．计算结果表明，当存在相分离时，电极中的应力取决于薄膜电极的厚度和充电速率的乘积；在未出现相分离现象时，应力仅取决于充电速率．这个解析形式的力学模型对于锂离子电池电极材料的设计有着重要的指导意义．
  • 考虑毛细作用微梁剥离的实验和力学模型
    江子义, 邓学晶, 刘建林
    2021, 42(2): 230. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.02.003
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    毛细力诱发的粘附现象在自然界和工农业生产中广泛存在，例如微机电系统、微纳米自组装、油气驱替等．本文系统研究了两根微梁的毛细粘附行为，包括梁剥离过程中液桥的形貌以及剥离力-位移变化规律．试验发现，微梁在毛细力作用下的剥离部分经历了液膜粘附和液滴粘附两个阶段．考虑两个阶段的液桥形状特征，分别建立系统的能量泛函，采用变分原理推导了考虑毛细力的微梁剥离的非线性微分方程和边界条件．基于Matlab 编程求解方程，得到了剥离力-位移曲线，理论计算与试验结果具有很好的一致性．另外，参数研究表明，接触角和表面张力系数对液膜粘附的微梁剥离影响显著，而对液滴粘附的剥离影响较小；微梁刚度对两个阶段的剥离都有明显影响．本文的试验结果和理论分析对于实际工程中微结构的定量设计具有一定参考价值．
  • 分数阶流变岩体中深埋圆形支护隧道力学分析
    梁浩光, 王华宁, 高翔
    2021, 42(2): 239. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.02.004
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    为用更少的参数描述不同岩体的实际流变特性，引入分数阶Kelvin粘弹模型并对深埋圆形支护隧道的开挖过程进行力学分析．利用Laplace变换原理、分数阶微积分得到了衬砌支护力和洞口位移的时效解答，并对解答的正确性进行了验证．讨论了不同分数阶阶次下支护力、洞口位移及等效应力随时间变化的规律．分析结果表明，阶次较小的模型，洞口位移在短期内迅速增大，随后缓慢增长，在经历很长时间后仍在持续增长，且等效应力在相同时刻下更接近于0，更容易发生破坏，因此在工程中对阶次较小模型对应的岩体要关注其长时间后的蠕变位移和受力状态．
  • 纤维增强橡胶复合材料界面力学性能有限元分析
    刘霞, 焦文祥, 杨晓翔
    2021, 42(2): 253. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.02.005
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    基于剪滞理论，引入双线性内聚力模型研究了纤维与基体界面应力传递机理．采用ABAQUS模拟了非理想界面在单纤维拔出过程中的脱粘失效，分析了不同脱粘阶段界面剪应力分布情况，以及界面刚度和纤维长径比对界面应力传递和拔出载荷的影响规律．结果表明，在纤维受载失效过程中，纤维的拔出过程可分为4个阶段，即界面的完全粘结、损伤演化、逐渐脱粘、完全脱粘．界面的刚度和纤维长径比对界面应力传递与最大拔出力均有一定的影响．界面刚度、纤维长径比主要影响纤维的最大拔出载荷以及界面脱粘失效位移．
  • 水力压裂解析模型裂缝扩展参数敏感性分析
    王永亮, 张辛, 朱天赐, 张晴
    2021, 42(2): 263. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.02.006
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    水力压裂形成复杂裂缝网络是致密储层油气开采的重要技术，掌握水压裂缝扩展机理是控制压裂行为和优化压裂效果的关键．水压裂缝动态扩展行为涉及储层岩体、注入压裂液、压裂实施工艺等方面，其中水力压裂扩展时间、压裂液流体动力粘度系数、压裂液流体注入流速、储层岩石剪切模量成为决定裂缝扩展长度和裂缝开度的重要因素．本研究采用KGD、PKN两类等高解析模型对主控因素的参数敏感性进行分析，直观、快速、可靠地获得水压裂缝扩展长度、张开度动态演化行为的量化数值．研究发现，压裂持续开展过程中水压裂缝扩展长度呈线性增长、开度逐渐趋于稳定，高流体动力粘度导致裂缝难扩展、形成较大裂缝开度，通过增加压裂液流体注入流速可同时增加裂缝扩展长度和开度，较高的岩石剪切模量将降低水压裂缝的开度．通过对比两类解析模型在不同参数下的水压裂缝扩展结果，分析压裂参数与裂缝扩展的相关性和敏感系数，讨论水力压裂解析模型的裂缝扩展参数敏感性．
  • 发动机缸体铸铁件消应热处理工艺的评价
    李娜娜, 田普昌, 陈静, 陈怀宁, 姜云禄
    2021, 42(2): 272. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.02.007
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    发动机缸体铸铁件生产过程中产生的铸造残余应力需要采取合适的热处理工艺消除，缸体热处理前后的残余应力变化情况可用于评价热处理工艺的有效性．文中首次采用压痕应变法与深孔法相结合，分别测量发动机缸体表面与内部残余应力分布规律，综合评价了发动机缸体铸铁件热处理前后的残余应力水平．两种不同型号缸体热处理前后残余应力测量结果表明，目前的热处理工艺并不能有效降低残余应力峰值，该热处理工艺需要进一步优化调整或考虑取消现有的热处理工艺方案．
  • 压电复合材料中正n边形孔边裂纹的反平面问题研究
    徐燕, 杨娟
    2021, 42(2): 279. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.02.008
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    本文基于Cauchy积分理论和Schwarz-Christoffel(SC)变换技术，针对压电复合材料中带一条裂纹的正n边形孔口缺陷的反平面断裂力学进行了探究．假设满足电不可通边界条件，利用Cauchy积分公式和留数定理，获得了任意正n边形裂尖处应力和电位移两个场强度因子以及全能量释放率的封闭形式的显式解．当正n边形边数取定时，所得解可退化为已有结果，以此验证方法的有效性．并通过数值算例，对比分析了n=3, n=4, n=5三种特殊情形对应的等效场强度因子和无量纲能量释放率与孔口边长、裂纹长度和受到的力、电载荷之间的曲线图．数值结果显示：正n边形孔洞的尺寸和裂纹长度均会促进裂纹扩展，且前者的影响更显著一些；正n边形边的数量增加会阻止裂纹的扩展；在电不可通边界条件下，机械载荷对裂纹的扩展始终贡献显著，电场对断裂行为的影响取决于机械载荷．本研究结果具有一般性，适用于任意正n边形孔边裂纹问题的求解，为压电复合材料元器件的优化设计和断裂特性分析提供了新思路．
  • 承压热冲击下RPV承载力影响因素的数值分析
    孙欣, 李相清, 柴国钟
    2021, 42(2): 291. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.02.009
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    为研究承压热冲击下含缺陷的核反应堆压力容器(RPV)的极限承载力，借助ABAQUS软件建立含表面裂纹的RPV的3D有限元模型．通过热-力耦合分析，分别得到筒体区和喷嘴区的瞬态温度场和应力场．考虑到实际RPV断裂试验工作具有相当大的危险性，使用扩展有限元法(XFEM)对裂纹的扩展情况进行数值模拟．通过对含有不同位置和尺寸裂纹、具有不同壁厚容器的极限承载力分析，得到满足强度条件的各临界裂纹尺寸．结果表明，当表面裂纹距喷嘴口的距离达到一定程度，其长度对RPV结构的极限承载力不构成影响．在喷嘴区，随裂纹距喷嘴口距离的减小，临界裂纹尺寸迅速减小，喷嘴口上仅允许深长比较小的浅表面裂纹出现．
  • 不同攻角下2:1 矩形截面棱柱绕流的大涡模拟研究
    王玮, 曹曙阳
    2021, 42(2): 304. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.02.010
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    本文研究了高雷诺数下(Re=24 000)，宽高比为2:1的矩形截面棱柱在不同风攻角下的绕流问题．基于大涡模拟理论和Smagorinsky亚格子应力模型，运用开源CFD软件OpenFOAM对Navier-Stokes控制方程进行求解，对均匀来流作用下的矩形截面棱柱绕流问题进行了三维数值模拟．通过对平均分量、脉动分量的比较，验证了数值模拟结果的准确性与可靠性，并给出了阻力系数、升力系数、斯特罗哈数随攻角的变化规律以及平均流场和湍流流场的流场特征．基于本文研究结果，通过开源CFD可视化软件ParaView给出了不同攻角下的流型变化，结合平均压力系数的分布，详细解释了不同流型的特征，这些结果验证了基于风洞实验所提出的假设流型，相关结论可为结构风工程设计提供参考依据．本文所采用的软件均为开源软件，其开源特性具有良好的科研价值．
  • 混掺精细钢纤维/PVA 水泥基复合材料单轴抗压试验及本构模型研究
    刘雁宁, 李辉, 李海旺
    2021, 42(2): 317. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.02.011
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    通过进行10组30个精细钢纤维-PVA纤维混杂水泥基棱柱体的单轴抗压试验，测得其应力-应变曲线和抗压强度，分析了单掺与混掺情况下纤维掺量对材料抗压性能的影响．试验结果表明：混掺精细钢纤维对提高材料抗压性能有利，包含0.4 %精细钢纤维的混掺试件轴心抗压强度较单掺对比组提高了7.5 %，峰值应变提高了58 %．基于试验数据，建立了适用于精细钢纤维-PVA纤维混杂水泥基材料的轴心受压应力-应变本构模型，模型结果与试验曲线吻合良好．
  • 超声弹性成像应用在角膜疾病诊断中的有限元分析
    陶兴明, 方利华, 林鲁超, 何兴道, 伏燕军, 黄采敏
    2021, 42(2): 326. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.02.012
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    弹性成像在医学成像领域具有广阔的应用前景．在本文中，有限元法被用于模拟角膜组织的超声弹性成像，通过改变角膜病变组织与正常组织杨氏模量的数值大小及分布，模拟角膜病变的不同情形，分析计算各种不同情形时的应变、应力和位移分布，并对仿真结果进行分析．当角膜正常组织与病变组织的杨氏模量之比为1:4时，病变区域中心的应变为-0.00854，而对应正常角膜相同位置的应变为-0.02277，为病变区域中心的应变值的2.67倍．病变区域中心的应力为0.04337，而对应正常角膜相同位置的应力为0.02729，相当于病变区域中心的应力值的0.64倍．当角膜正常组织与病变组织的杨氏模量之比为4:1时，情况刚好相反．基于角膜组织的粘弹性，优化了角膜组织模型．结果表明，利用应变压缩方法可以实现离体组织的弹性成像，超声弹性成像中病变组织与正常组织的生物力学响应差异明显，研究结果可为弹性成像在眼科临床应用上提供理论指导．
  • 静载荷对夹层圆板超谐波共振的影响
    郭炜, 杜国君, 胡宇达
    2021, 42(2): 339. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.02.013
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    研究静载荷作用下夹层圆板的超谐波共振问题．基于Hoff型夹层板理论，给出了静载荷作用下夹层圆板的非线性动力学方程．应用Galerkin法推导了静载荷作用下夹层圆板的轴对称非线性振动方程．运用多尺度法分别对系统的三次超谐波问题和二次超谐波问题进行了求解，并依据Lyapunov稳定性理论得到了系统稳态运动的稳定性判据．通过算例，得到了周边简支约束下夹层圆板三次超谐波共振和二次超谐波共振的幅频响应曲线图、振幅-静载荷响应曲线图、振幅-激励力幅值响应曲线图；研究了不同参数对系统振幅的影响规律，并对解的稳定性进行了分析．
  • 一种结构动力响应分析的快速高阶算法
    黄欣奕, 李莹, 李鸿晶
    2021, 42(2): 351. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.02.014
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    为了提高基于高阶格式的结构动力响应微分求积分析方法的计算效率，发展了一种求解动力方程的快速算法．利用微分求积原理将结构动力方程转化为标准Sylvester方程的形式，通过对系数矩阵进行矩阵分解，进而将动力响应Sylvester方程化为一系列标准线性方程组，采用相关成熟算法求解这些线性方程组后即可获得结构动力时程响应的全部解答．结构动力响应微分求积分析方法为高阶数值方法，一步计算可以获得多个时点处的动力响应．基于本文快速算法，不必直接对矩阵方程进行求解．数值算例表明，本文快速算法能够准确地计算出结构动力响应，具有数值精度高、收敛性好的优点．
  • 浙东大运河非饱和粉质黏土抗剪强度特性的试验研究
    汤有志, 吴瑞潜, 杨光
    2021, 42(2): 360. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.02.015
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    浙东大运河绍兴段的土体整体上受河流相和海相沉积的影响，地质条件非常复杂．其中粉质黏土作为浅表层土体，受雨水影响较大，其状态经常处于饱和状态与非饱和状态之间．为了进一步探究绍兴段典型非饱和粉质黏土的稳定性差异，以及本构关系和强度指标的变化规律，通过全自动非饱和土应力路径三轴仪，对试验土样进行了三轴剪切试验．试验结果表明，初始干密度从1.4 g/cm3增加到1.6 g/cm3时，土体的抗剪强度、总黏聚力、有效内摩擦角和吸附内摩擦角均增大，应力-应变关系曲线由应变硬化型向应变软化型转变，并且基质吸力和净围压越大，区别越明显；基质吸力从0增加到300 kPa时，土体的抵抗变形能力提高，抗剪强度和总黏聚力增大，有效内摩擦角基本无明显变化，吸附内摩擦角逐渐减小．研究结果揭示了浙东大运河绍兴段非饱和粉质黏土的抗剪强度特性的变化规律，为该地域土质边坡、基坑等工程提供理论依据．
  • 轴对称结构极限下限分析的自然单元法
    陈莘莘, 钟雅莹, 王崴
    2021, 42(2): 370. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.02.016
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    作为一种基于自然邻近插值的新型无网格法，自然单元法克服了大多数无网格法难以施加本质边界条件的困难．将自然单元法与减缩基技术相结合，建立了一种轴对称结构极限下限分析的数值格式和求解算法．通过不断修正自平衡应力场，轴对称结构极限下限分析可转化为一系列的非线性数学规划子问题，并由复合形法求解．在每个非线性规划子问题中，自平衡应力场表示为一组带有待定系数的自平衡应力场基矢量的线性组合，并且这些自平衡应力场基矢量可由弹塑性增量分析的平衡迭代结果得到．算例结果表明，本文所提的轴对称结构极限下限分析方法行之有效．
  • 风荷载作用下上海地区外墙外保温系统性能研究
    赵红晓
    2021, 42(2): 379. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.02.017
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    高层建筑随着高度的增加受到风荷载值也增加，外墙外保温系统受到风荷载影响亦增加．外墙外保温系统在交付后，开裂、脱落、渗水现象时有发生，严重时会造成脱落，存在安全质量隐患．本文根据上海地区外墙外保温的实际情况，对外墙外保温系统的风荷载设计值、空腔风压力损失、粘结力等进行计算，综合分析了风荷载对外墙外保温系统的影响及破坏机理，并提出了针对性的措施．
  • 非线性材料杆系结构的内力求解
    吴晓, 刘奇元
    2021, 42(2): 388. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.02.018
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    随着科技的发展，已研发出了许多非线性材料，这些非线性材料组成的结构已在工程实际中得到了广泛应用．本文研究了静不定非线性材料结构杆件内力的求解这一关键问题．利用非线性材料结构余能及静力平衡条件，构造了新泛函数，对新泛函数进行一阶求导，即可方便求得静不定非线性材料结构杆件的内力．同时，指出了非线性材料杆系结构的内力求解时存在漏解的原因：结构材料的应力与应变本构关系为非线性幂函数，把结构余能对杆系的内力求一阶偏导，令所得到的位移方程等于零，该方程为一元二次方程，应有两个实数解，而有关文献却遗漏了一个实数解．
  • 预应力混凝土简支梁桥锚下有效预应力分析
    韩智强, 周勇军, 赵洲, 刘世忠, 晋民杰
    2021, 42(2): 397. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.02.019
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    为了确定预应力混凝土简支梁桥在施工张拉与运营养护全寿命过程中结构锚固端锚下有效预应力值，基于梁挠曲变形理论与简支梁受力特性，推导出简支梁桥锚下有效预应力计算公式，并提出了一种预应力混凝土简支梁桥下有效预应力简便检测方法．以某40 m预制简支T梁桥为依托工程，通过对不同工况下简支梁桥跨中挠度值与锚固端有效预应力值进行测量，计算了不同工况下简支梁桥锚下有效预应力值，并与实测值进行了比较．研究结果表明：本文所提简支梁桥锚下有效预应力计算公式能较准确预测锚固端有效预应力值，依托工程简支梁桥锚下有效预应力公式计算值与实测值相对误差最大仅为4.83 %，计算精度满足工程需求；所提出的预应力混凝土简支梁桥锚下有效预应力简便检测方法可为桥梁全寿命预测提供指导与借鉴．
  • 以《力学设计与操作》课程为例，浅谈力学创新实践型教学
    马新玲
    2021, 42(2): 405. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.02.020
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    面对新一轮科技革命和产业变革，培养实践水平与创新能力兼具的工程人才，必须落实到课程改革．本文提出了一种力学创新实践型教学模式，以学生为中心，成果为导向，从知识、能力、价值观三个层次的培养目标出发，通过开设《力学设计与操作》课程实现对教学设计的具体实施．经过七年的持续优化改进迭代，将“学与做”稳固结合，注重理论授课与竞赛促学的反馈优化调整，发展了优质本科生科创团队，教学成果显著，深受学生欢迎．本文是对该课程的介绍、分析与总结，希望对我国“新工科”建设背景下创新型的卓越工程人才课程改革起借鉴作用．