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  • 2022年, 43卷, 第1期
    刊出日期：2022-03-25
      
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  • 二维共振结构板波动调控研究进展
    金亚斌, 温治辉
    2022, 43(1): 1-13. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2022.01.001
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    薄板结构是航空航天器、舰艇、高铁等现代工程装备上广泛应用的结构，其波动性能的优劣关系到设备综合性能及整体技术升级．在制备或复杂工况，结构的几何完备性会产生一些缺陷或参数扰动，会降低基于精准设计的波动调控性能．基于工程应用技术需求，二维共振结构板的高鲁棒性、高品质因子束缚态等波动特性研究不断发展．本文首先介绍了二维共振结构板波动调控发展历程，主要阐述了平面波展开法、多重散射法等二维共振结构波动表征基本理论．简述了二维共振结构板在波导与传感、鲁棒能量采集以及按需智能设计等最新研究成果．最后对二维共振结构板目前的局限性做了总结并对未来的理论研究进行探讨.
  • 水下散体颗粒滑坡产生海啸波的实验研究
    路天庆, 陆昊成, 刘桦
    2022, 43(1): 14-25. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2022.01.002
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    海底滑坡海啸作为仅次于地震海啸的重要海啸形态，常常发生于靠近海岸带的陆架和陆坡等区域，且由于其近岸灾害影响显著、物理机制复杂、难以监测和预警等特点，给靠近海岸带的居民造成了巨大的生命财产损失．关于水上滑坡海啸的实验研究相对比较充分，而对水下滑坡海啸和部分淹没滑坡海啸的研究则相对较少．本研究在大型波浪水槽中进行了斜坡上散体水下滑坡激发海啸的机理实验，研究了滑坡体的滑移距离、海啸波的形成过程以及海啸波的幅值、波速、非线性等特征，系统地认识了滑坡体质量、水深以及滑坡角度对滑坡海啸波高的影响规律，并提出了改进的水下滑坡海啸特征参数经验公式．
  • 箱型结构损伤分析的空间网格多尺度模拟方法
    杜连玉, 李兆霞
    2022, 43(1): 26-33. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2022.01.003
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    为高效模拟空间效应显著的结构在关键局部的损伤，本文研究建立了以损伤分析为目标的空间网格多尺度模拟方法．首先基于变形协调法和内力平衡法，研究了空间网格多尺度建模中的跨尺度界面连接方法，对比分析了两种界面连接合理性．以三跨连续刚构混凝土箱梁在地震载荷下的损伤为分析案例，验证了空间网格多尺度模型在结构损伤分析中的可行性及其在计算效率上的优越性．分析结果表明：空间网格多尺度模型可以精确模拟结构的静力效应和动力特性；空间网格多尺度模型既考虑了结构空间效应，又可以高效分析箱梁结构局部易损部位的损伤演化过程，从而为空间效应显著的结构损伤分析提供了更为实用精细的计算模拟方法．
  • 基于多点动态捕捉的机器人关节位移与几何参数标定
    李婧瑜, 杨简宁, 张笑宇, 宋汉文
    2022, 43(1): 34-45. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2022.01.004
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    机器人关节位移及几何参数误差是导致位姿出现误差的主要原因，对二者进行高精度标定可提高机器人的绝对精度．传统标定方法的精度受机器人位姿的影响，且需多次实验．本文提出一种基于多点动态捕捉测量的标定方法，可通过单次实验，同时标定串联机器人的关节位移和几何参数．首先基于多点动捕测量获取机器人各连杆上靶标点的3D坐标，结合罗德里格斯变换实现关节位移的求解．其次结合机器人运动学模型和坐标转换关系，实现几何参数误差小量的标定．对方程线性化处理以提高计算效率，并用最小二乘法降低噪声对结果的影响．最后通过对6自由度串联机器人进行仿真，验证了该标定方法的可行性．
  • 胶结砂砾石层面直剪试验及破坏行为细观研究
    郭兴文, 张小川, 钱龙, 蔡新, 刘庆辉
    2022, 43(1): 46-55. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2022.01.005
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    本文采用宏观试验和细观模拟相结合的方法研究胶结砂砾石层面在剪切过程中的破坏行为．首先进行了不同法向应力作用下的胶结砂砾石层面直剪试验，获得了不同的剪切面破坏特征：随着法向应力的不断增加，剪切破坏面凹凸起伏程度、骨料脱落现象越发明显．其次为了深入探究层面破坏现象，按照室内试验采用的骨料级配粒径建立细观颗粒数值模型，结合物理试验对模型进行参数标定，并进行数值模型的层面直剪模拟和细观分析．结果表明，数值模型可以再现宏观直剪试验层面破坏特征；法向应力越大，层面区域颗粒发生错动和翻转的数量越多；层面破坏方式为颗粒间的张拉和剪切混合破坏，裂隙均集中在层面位置，随着法向应力的增加，裂隙的集中区域逐渐由“面”向“带”转变．
  • 变角度纤维复合材料圆柱壳的轴压屈曲
    聂聪聪, 陈晓东, 聂国隽
    2022, 43(1): 56-63. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2022.01.006
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    变角度纤维复合材料的纤维方向角可沿铺层面内连续变化，因此相应结构的性能具有更高的设计灵活性和更大的优化空间．本文假设纤维方向角沿圆柱壳的轴向呈正弦函数变化，对变角度纤维复合材料圆柱壳在两端简支边界条件下的轴压屈曲问题进行研究．基于Donnell经典壳体理论，推导变角度纤维复合材料圆柱壳的前屈曲控制方程并运用伽辽金法进行求解，然后采用瑞利里兹法求解屈曲问题．通过和现有文献及有限元数值结果的对比，验证了本文模型的收敛性和正确性，通过数值算例分析了纤维起始角和终止角的变化对圆柱壳的屈曲临界荷载的影响．本文的研究结果可为变角度纤维复合材料圆柱壳的分析和设计提供一定的参考．
  • 基于对数螺旋滑裂面的有限宽度土体被动土压力计算方法
    林彤, 李明广, 陈锦剑
    2022, 43(1): 64-74. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2022.01.007
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    基于半无限空间假定的经典朗肯和库仑土压力理论无法准确求解有限宽土体的被动土压力．为了求得不同宽度及墙土摩擦角影响下的被动土压力，首先，基于对数螺旋滑裂面假定，建立大主应力与滑裂面的耦合关系，结合应力莫尔圆导出了滑裂面与两侧墙体的夹角，提出了有限宽度土体的滑裂面控制方程；然后，通过对滑动土楔薄层单元应力分析，推导出被动土压力的大小和分布表达式；最后，采用离散元软件对不同宽度填土进行单侧挡墙平动模式下的被动土压力试验模拟，结果表明，所提出计算理论与数值模拟结果基本一致．该方法求解形式简单，具有很好的工程应用价值．
  • 含中心裂纹梯度纳晶金属的数值模拟
    张振楠, 杨帆, 王莉华
    2022, 43(1): 75-83. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2022.01.008
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    梯度纳晶金属由于其微观组织的梯度分布，力学属性也呈现梯度变化，这使得其表现出不同于传统均匀材料的断裂行为．利用材料力学参数的梯度分布来表征梯度纳晶金属中晶粒尺寸的梯度变化，并编写ABAQUS和MATLAB脚本程序建立分层有限元模型．通过数值模拟计算了含有初始中心裂纹的梯度纳晶金属在受远端均匀拉应力作用下的裂尖J积分，分别研究了屈服应力梯度、裂纹角度和裂纹长度对金属材料断裂韧性的影响，并与传统粗晶进行了对比．结果表明梯度纳米结构的存在导致梯度纳晶金属内部的中心裂纹两端表现出不同的断裂韧性，小晶粒一侧裂尖的抗裂韧性优于大晶粒一侧裂尖，且屈服应力梯度绝对值越大，两者差距越大．梯度纳晶金属的断裂韧性受中心裂纹角度和长度变化的影响与传统粗晶金属基本一致，同时在晶粒尺寸梯度的作用下梯度纳晶的裂尖J积分略低于粗晶，即整体上拥有更好的抗裂韧性．
  • 复杂应力状态下GCr15 轴承钢的动态剪切及熔融特性研究
    王财源, 余丰
    2022, 43(1): 84-92. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2022.01.009
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    本文探究了GCr15轴承钢压剪试样在冲击载荷下的绝热剪切和熔融破坏特性．首先，实验研究发现GCr15轴承钢的力学性能具有拉-压不对称性、应力状态及应变率敏感性．因此，通过引入应力三轴度、洛德角、应变率和绝热剪切温升机制扩展了经典J-C本构模型，并对GCr15轴承钢的动态单轴压缩和压剪试验结果进行了数值实现．研究结果表明，应力三轴度和洛德角是影响动态冲击下压剪试样的绝热剪切产生和熔融特性的重要因素．
  • 损伤效应对悬索2:1内共振响应影响分析
    郑攀攀, 赵珧冰, 吴先强, 陈林聪
    2022, 43(1): 93-101. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2022.01.010
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    损伤是结构振动测试和运营维护中不可避免的问题，损伤效应会导致结构振动特性发生改变．本文以受损悬索为例，探究该非线性系统同时发生主共振和2:1内共振时，损伤效应对其面内耦合共振响应影响．首先基于哈密顿变分原理，引入与损伤程度、范围和位置相关的三个无量纲参数，建立受损悬索面内动力学模型，并推导其无穷维非线性运动微分方程．以2:1耦合共振为例，采用Galerkin法和多尺度法得到系统直角坐标形式的调谐方程．数值算例表明：损伤会导致悬索固有频率降低，使得频率间公倍关系发生改变，影响系统耦合共振响应；损伤会引发系统振动特性发生明显定量和定性改变，尤其是共振响应幅值及弹簧特性；损伤对直接激励模态响应幅值的影响比对内共振激发对响应幅值的影响要明显；损伤会导致霍普夫、鞍节点、叉形和倍周期分岔的位置发生偏移，从而影响分岔点附近系统的动力学行为；系统动态解和周期运动与损伤密切相关，损伤会导致系统展现出完全不同类型的吸引子．
  • 基于微纳米压入法的高熵合金柏氏矢量研究
    李万军, 肖革胜, 孟璐, 树学峰
    2022, 43(1): 102-109. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2022.01.011
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    采用微纳米压入法对CoCrFeNiMn高熵合金进行多种应变率下的压入测试研究，实验获得了材料硬度与压深之间的关系并通过计算分析得到了其不同工况下的柏氏矢量值，探究了压入深度和应变率对柏氏矢量的影响．实验结果表明，所测材料柏氏矢量值在一定范围内呈现出一定的波动性，随着压深的增大，柏氏矢量表现出尺寸效应，即柏氏矢量随压深呈增加趋势；并且在同等压深下，柏氏矢量存在率效应，随着应变率的增加，柏氏矢量值先减小后增加，柏氏矢量从滑移主导向原子失配主导的转变是其率效应转变的主要原因．
  • 大型客机后缘襟翼操纵与非对称控制
    黄勇, 徐武, 朱林刚, 李凯
    2022, 43(1): 110-121. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2022.01.012
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    针对大型客机后缘襟翼操纵与非对称控制的复杂结构及运动机构动力学仿真问题,通过零部件模态综合法建立刚柔混合多体动力学模型，替代传统的有限元法，综合考虑结构柔性、关节轴承摩擦、滑轮架摩擦、机翼盒段变形协调支持边界影响，实现了大型客机后缘襟翼在空中多状态/多工况载荷综合作用下的仿真分析．总体上看，仿真计算的各作动器驱动载荷变化规律与试飞结果一致，驱动载荷最大值误差小于10 %．受内襟翼靠近机身部分的翼面风洞测压数据及机身变形支持边界等不确定因素影响，初始启动和襟翼小偏度时各作动器操纵载荷仿真结果与试飞结果相对误差偏大．通过数值仿真，进行后缘襟翼单作动器脱开故障的非对称控制需求及其交联装置动态冲击过程分析，仿真结果表明内外襟翼交联装置可以有效减小后缘襟翼单作动器脱开故障非对称变形影响．
  • 事件空间中Herglotz 型非保守Lagrange 系统的Noether 定理
    蔡锦祥, 张毅
    2022, 43(1): 122-131. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2022.01.013
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    研究事件空间中Herglotz型非保守Lagrange系统的Noether定理．首先，将Herglotz广义变分原理推广到事件空间，并基于该原理导出事件空间中Herglotz型Lagrange方程；其次，引入无限小变换，研究Hamilton-Herglotz作用量的不变性，建立事件空间中Herglotz型Noether对称性的定义，并给出其判据方程；第三，提出并证明事件空间中Herglotz型Noether定理和Noether逆定理．最后，以Emden方程和黏性阻尼振子为例介绍Herglotz型Noether定理的应用．
  • 基于三阶剪切变形理论的悬臂输流管道自由振动
    赵志贤, 随岁寒, 杨昌锦, 李成
    2022, 43(1): 132-140. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2022.01.014
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    采用三阶剪切变形理论，结合有限元法研究了悬臂输流管道的自由振动问题．利用虚功原理建立了输流管系统的有限元方程，同时将悬臂端弹性支承以势能的形式引入到系统方程中，求解了系统前三阶的复频率．分别探讨了流体速度和弹簧刚度对系统复频率实部和虚部的影响，重点分析了弹簧刚度与前三阶固有频率间的关系．在弹性支承刚度为零的特例下，对比了本文结果与Timoshenko梁理论的结果，证明了本文方法的可靠性．研究发现系统固有频率的实部恒为负值，表明一端带有弹性支承的约束形式有利于提高悬臂输流管道自由振动的稳定性；流体的流动对管道振动起到了阻尼作用，在流动速度足够大的情况下，各阶振动固有频率均趋于零；当弹簧刚度为无穷大，且流体速度足够大时，输流管道将发生失稳．
  • 热载荷作用下梯度多孔材料梁弯曲及过屈曲力学行为的研究
    孙昊栋, 王娅娟, 马连生
    2022, 43(1): 141-148. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2022.01.015
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    基于Bernoulli-Euler梁理论，引入物理中面解耦了复合材料结构的面内变形与横向弯曲特性，研究了梯度多孔材料矩形截面梁在热载荷作用下的弯曲及过屈曲力学行为．假设沿梁厚度方向材料的性质是连续变化的，利用能量法推导了矩形截面梁的控制微分方程和边界条件，并用打靶法对无量纲化的控制方程进行数值求解．利用计算得到的结果分析了材料的性质、热载荷、边界条件对矩形截面梁非线性力学行为的影响．结果表明，对称材料模型下，固支梁与简支梁均显示出了典型的分支屈曲行为特征，而其临界屈曲热载荷值均会随着孔隙率系数的增加而单调增加．非对称材料模型下，固支梁仍显示出分支屈曲行为特征，但其临界屈曲热载荷不再随着孔隙率系数的变化而单调变化；而对于两端简支梁，发生了弯曲变形，弯曲挠度随载荷的增大而增大．
  • 压电压磁复合材料中正六边形孔边裂纹的反平面断裂问题
    徐燕, 杨娟
    2022, 43(1): 149-158. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2022.01.016
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    基于线性磁电弹性理论，利用Schwarz-Christoffel(CS)变换技术和Stroth公式，首次系统研究了压电压磁复合材料中含带两个不对称裂纹的正六边形孔口问题在部分渗透磁电边界条件下的解析解.当忽略磁场时，磁电非渗透裂纹和磁电渗透裂纹两种极端情况下的解析解答可退化为文献已有研究结果.数值结果揭示了正六边形孔口尺寸、裂纹长度以及力电载荷和磁载荷对能量释放率的影响规律.研究结果表明：减小孔口边长和裂纹长度可以提高材料的可靠性；机械载荷总是促进裂纹扩展；在磁电非渗透和磁电部分渗透边界条件下，负电场和负磁场会延缓裂纹的扩展，而正电场可以增强或阻碍裂纹的扩展，这取决于所施加的电场和磁场的强度以及机械载荷的水平；在磁电渗透边界条件下，电场和磁场对裂纹的扩展没有影响.
  • Winkler 地基上裂纹Timoshenko 梁的弯曲解析解
    杨骁, 施文祥, 郑超引
    2022, 43(1): 159-170. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2022.01.017
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    将梁中裂纹等效为无质量线性扭转弹簧，研究了温克勒(Winkler)基础上具有任意开裂纹数目Timoshenko梁的弯曲变形．利用Delta广义函数和Heaviside函数以及Laplace变换，给出了Winkler基础上具有任意裂纹数目Timoshenko梁弯曲变形的解析通解．在此基础上，研究了Winkler基础上受均布荷载作用简支裂纹Timoshenko梁的弯曲变形，数值分析了裂纹数目和位置以及深度、梁剪切刚度和基础反力系数等对裂纹Timoshenko梁弯曲变形的影响．结果表明：在裂纹处，梁挠度存在尖点，转角存在跳跃；梁挠度随着裂纹深度和数目的增加而增加，但横截面弯矩和转角减小；随着基础反力系数的增加，梁挠度、弯矩和转角减小；随着剪切刚度的增加，梁挠度减少，弯矩和转角增大．
  • 膨胀性非牛顿流体多孔介质流动的模拟分析
    李勇, 钱蔚旻, 何录武
    2022, 43(1): 171-177. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2022.01.018
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    在表征体元尺度采用格子Boltzmann方法分析膨胀性非牛顿流体在多孔介质中的流动，基于二阶矩模型在演化方程中引入表征介质阻力的作用力项，求解描述渗流模型的广义Navier-Stokes方程．采用局部法计算形变速率张量，通过循环迭代得到非牛顿粘度和松弛时间．对多孔介质的Poiseuille流动进行分析，通过比较发现结果与孔隙尺度的解析解十分吻合，并且收敛较快，表明方法合理有效．分析了渗透率和幂律指数对速度和压力降的影响，研究结果表明，膨胀性流体的多孔介质流动不符合达西规律，压力降的增加幅度小于渗透率的减小幅度．当无量纲渗透率Da小于10-5时，流道中的速度呈现均匀分布，并且速度分布随着幂律指数的减小趋于平滑．压力降随着幂律指数的增加而增加，Da越大幂律指数对压力降的影响越明显．
  • 基于裂纹诱导弦挠度的梁开闭裂纹损伤识别
    欧阳煜, 李航, 楚鹏辉
    2022, 43(1): 178-189. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2022.01.019
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    考虑裂纹缝隙效应，建立了Euler-Bernoulli梁中开闭裂纹位置、深度和初始张开角等损伤参数的识别方法．首先，基于梁中开闭裂纹的等效单向扭转弹簧模型，给出了开闭裂纹Euler-Bernoulli梁静力弯曲挠度的显式闭合解．在此基础上，证明了裂纹诱导弦挠度函数由分段三次多项式组成，并基于其构造特征，建立了基于测量挠度的梁中开闭裂纹位置、裂纹等效扭转弹簧柔度、裂纹初始张开角和裂纹上下侧属性等参数的数值识别方法．最后，通过数值实验考察了挠度测量误差和裂纹位置等对裂纹识别结果的影响，结果表明：裂纹位置、裂纹等效扭转弹簧柔度和裂纹初始张开角等的识别误差随挠度测量误差增大而增大，但裂纹识别结果具有较强的鲁棒性，在工程实际中具有一定的应用前景．
  • 工科特色理论力学课程育人的三维融合模式建设
    汤可可, 王华宁, 温建明
    2022, 43(1): 190-195. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2022.01.020
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    课程思政是提升工科人才培养质量，落实立德树人根本任务的重要途径．人才培养目标的高要求给工科课程思政带来较大挑战．本文以同济大学的工科人才培养为背景，探讨了具有同济标志工科特色的理论力学课程思政内容建设．课程教学中以时间尺度上经典力学的发展脉络为纵线，融合力学支撑的科学和工程前沿研究以及同济大学参与的国家重大工程等维度元素，实现理论力学课程思政的协同育人目标．