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2013年 第35卷 第3期 刊出日期:2013-06-08
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    教育研究
    力学与实践. 2013, 35(3):  91-93.  doi:10.6052/1000-0879-12-135
    摘要 ( 1173 )   PDF (1061KB) ( 960 )  

    工程流体力学作为一门本科专业基础课程,它基础性强,应用性很广,概念多且抽象不易理解,偏微分方程多,要使学生能够很好理解、掌握其中的知识对教学手段有较高的要求. 随着数学的发展,计算机的不断进步,目前各种商业CFD (computational fluid dynamics)通用性软件包性能日趋完善,应用范围不断扩大,已为工业界广泛接受和应用. 针对本科《工程流体力学》课程缺少计算流体力学(CFD)数值模拟部分的内容,本文提出了将CFD 理念引入本科工程流体力学课堂的意义、目的和实施方法,以便能促进学生对《工程流体力学》课程内容的理解掌握和应用能力的加强,培养学生对现代工业的设计和研究工作的适应力和创造力.

    力学与实践. 2013, 35(3):  80-82.  doi:10.6052/1000-0879-12-238
    摘要 ( 890 )   PDF (671KB) ( 592 )  

    一般是利用拉格朗日-狄利克雷定理,通过计算保守系统的势能来确定平衡位置的稳定性.本文表明还可以通过运动学、计算微振动固有频率和恢复力矩等方法,来判定平面刚体在粗糙平面上平衡的稳定性,从多方面说明了稳定条件的力学和几何意义.

    应用研究
    力学与实践. 2013, 35(3):  72-75,71.  doi:10.6052/1000-0879-12-268
    摘要 ( 1066 )   PDF (469KB) ( 887 )  

    提出了基于改进位移模式的二阶非自伴两点边值问题Garlerkin有限元的超收敛算法. 用常规有限元解的位移模式与高阶有限元解的位移模式之和构造新的位移模式,基于Garlerkin 方法,采用积分形式推导了单元平衡方程. 对于线性单元,本文给出了有代表性的算例,结点和单元的位移、导数都达到了h4阶的超收敛精度.

    教育研究
    力学与实践. 2013, 35(3):  76-77.  doi:10.6052/1000-0879-12-323
    摘要 ( 787 )   PDF (356KB) ( 697 )  

    吴大猷先生指出,应用Hamilton原理时,坐标变分δq 系任意变化,而广义动量变分δp则非随意的. 有人认为δq与δp独立,还有人认为δq与δp可以看作是独立的. 整理一下各种表述,并提出管见.

    应用研究
    矩形液池内热毛细对流的流动不稳定性
    周彬, 朱鹏, 段俐, 康琦
    力学与实践. 2013, 35(3):  39-45.  doi:10.6052/1000-0879-13-099
    摘要 ( 773 )   PDF (7170KB) ( 1147 )  

    热毛细对流及其不稳定性是微重力流体科学研究的重要内容. 对该问题的研究不仅有利于人们对微重力环境下流体行为、对流不稳定性和湍流转捩过程等基础物理现象的进一步认识,而且也将促进晶体生长、薄膜制备等空间和地面高新技术的发展. 实验研究了矩形液池中浅液层在水平温度梯度作用下产生的热毛细对流及其稳定性. 实验中,成功地利用PIV (particle image velocimetry) 技术对1mm2/s 硅油液层内的浮力热毛细对流流场结构进行了大量观测. 结果表明,液层中的流场结构经历了多种状态的转变,该过程会受到液层厚度的影响. 当液层厚度较小时,比如当d=2:8mm 时,随着液池两端温差的增大,液层中的流场结构会经历单胞对流到双胞对流再到多胞对流的转变,到达多胞对流状态之后,继续增大温差,对流涡胞的数量会有所减少,而当温差进一步增大到一定程度以后,整个液层转变为三维非定常流动;当液层厚度较大时,比如当d=4:5mm 时,随着温差的增大,流动模式的转变主要体现在水平截面流场截面上面,当温差增大到一定程度以后,在靠近高温端的附近区域会出现具有明显三维效应的"梭形结构",该梭形结构的尺寸随着温差的增大而增长,并在温差超过某个临界值时失去对称性,整个液层转变为三维非定常流动.

    力学与实践. 2013, 35(3):  46-50.  doi:10.6052/1000-0879-13-100
    摘要 ( 878 )   PDF (3311KB) ( 1083 )  

    运用大涡模拟(large eddy simulation, LES) 方法对有限长正方形棱柱绕流进行了研究. 棱柱高宽比为5,一端固定于平板上,另一端为自由端. 平板表面边界层厚度可忽略不计. 基于自由流速度和棱柱宽度的雷诺数为3 900. 由计算结果发现,有限长棱柱的尾流在自由端后下扫流的作用下具有显著的三维性. 尾流中会交替出现两种典型的流动状态:一种是柱体两侧所脱落的涡在尾流中形成类似卡门涡街的交错排列状态;另一种是柱体尾流中涡团对称分布且无明显的周期性. 两种典型流动状态的交替出现,对有限长棱柱气动力特性有直接的影响.

    专题综述
    肠道与内窥镜的生物摩擦特性研究进展
    王泽, 周明, 卢雅琳, 叶霞, 徐亚妮, 徐修玲
    力学与实践. 2013, 35(3):  20-26,19.  doi:10.6052/1000-0879-13-164
    摘要 ( 795 )   PDF (10133KB) ( 1169 )  

    肠道是人体主要的消化吸收器官,由于其结构狭窄曲折表面结构复杂,内窥镜诊断时会产生组织损伤、胶囊滞留等并发症. 由此激发起肠道与内窥镜的摩擦特性研究,该研究对解决这些并发症以及开发无损诊断内窥镜具有举足轻重的作用. 本文概括介绍了内窥镜的种类,综述了胶囊式内窥镜与肠道、微机器人与肠道的摩擦问题,内容主要集中在两个方面:(1) 胶囊式内窥镜减摩研究,包括摩擦特性研究方法、胶囊结构与摩擦阻力的关系、摩擦机理研究、摩擦阻力预测模型建立以及内窥镜结构优化;(2) 肠内微机器人实现自主行走的增摩研究,包括增大摩擦力的方法以及机理研究. 最后,提出了该领域值得进一步解决的科学问题.

    目录
    力学与实践. 2013, 35(3):  0-0.  doi:10.6052/1000-0879-20130300
    摘要 ( 455 )   PDF (160KB) ( 301 )  
    专题综述
    直升机旋翼/机体动稳定性研究进展
    贺天鹏, 李书, 李小龙
    力学与实践. 2013, 35(3):  1-19.  doi:10.6052/1000-0879-13-191
    摘要 ( 1499 )   PDF (6385KB) ( 2071 )  

    首先对直升机旋翼/机体动不稳定性问题的种类进行了简要概述,包括旋翼挥舞/变距、变距/摆振、挥舞/摆振和挥舞/摆振/变距耦合等孤立旋翼动不稳定性问题,以及直升机地面共振和空中共振等旋翼/机体耦合动不稳定性问题,然后分别从气动力与结构的高精度数值模型、动稳定性的计算分析方法和实验模型测试3 个方面详细介绍了直升机旋翼/机体动不稳定性问题的研究现状,并着重讨论了直升机旋翼/机体动稳定性分析技术最近的主要研究方向:耦合CFD(computational fluid dynamics)/CSD(computational structuraldynamics) 的直升机旋翼气弹动稳定性分析、复合材料旋翼动稳定性分析及其材料不确定性影响、带减摆器的旋翼/机体动稳定性分析和先进直升机构型的旋翼/机体动稳定性分析,最后对直升机旋翼/机体动稳定性研究的发展趋势进行了展望.

    应用研究
    真实气体效应对返回舱气动力特性的影响
    李俊红, 潘宏禄, 程晓丽
    力学与实践. 2013, 35(3):  27-34.  doi:10.6052/1000-0879-12-430
    摘要 ( 724 )   PDF (14175KB) ( 791 )  

    采用7 组元6 反应化学动力学模型,通过数值方法研究了真实气体效应对阿波罗(Apollo) 返回舱流场及气动力特性的影响. 并利用典型弹道点的飞行和实验数据验证了化学非平衡流计算程序的可靠性. 计算结果表明:真实气体效应主要发生在物面附近很薄的激波层内,真实气体效应使得激波脱体距离减小;真实气体效应使阻力系数和升力系数增加,且在小攻角时增加幅度最大;真实气体效应产生附加的低头力矩,使压心位置后移. 真实气体效应的影响随着马赫数的增加变化不明显.

    舵布置位置对船舶操纵性影响试验研究
    曹留帅, 朱军, 葛义军
    力学与实践. 2013, 35(3):  35-38.  doi:10.6052/1000-0879-12-464
    摘要 ( 752 )   PDF (1996KB) ( 1067 )  

    舵合理布置于船尾螺旋桨后方能有效吸收螺旋桨尾流,达到船舶操纵性能优化设计的目的. 根据螺旋桨尾流特征,设计了舵的4个横向和3个纵向,共计6个舵布置位置方案,通过自由自航模型试验考察舵布置位置对操纵性的影响. 在湖上开展了船模回转、Z形操舵和回舵试验,速降和静横倾角的试验结果符合一般操纵性规律,表明试验结果的有效性.

    力学与实践. 2013, 35(3):  51-56.  doi:10.6052/1000-0879-13-034
    摘要 ( 709 )   PDF (2784KB) ( 1113 )  

    人工多圈管冻结过程中的温度场、应力场及水分场的相互作用,是一个非线性多场耦合问题,影响因素多. 本文以淮南顾北矿作为模型设计原型,通过模型试验对多圈管冻结土体过程的温度场、应力场及水分场变化进行研究,获得了冻结温度场、冻结压力及含水量随冻结时间的变化规律,其成果对建立水热力耦合数学模型提供可靠依据并能更好的指导矿井工程实践.

    力学与实践. 2013, 35(3):  57-61.  doi:10.6052/1000-0879-12-379
    摘要 ( 717 )   PDF (2118KB) ( 920 )  

    将实验研究与损伤力学理论分析相结合,对红砂岩进行饱水状态下的冻融循环试验及不同冻融次数下的力学特性试验,分析了岩石的冻融损伤劣化过程,系统研究了岩石的变形破坏规律及损伤扩展力学特性.研究表明:红砂岩呈现出剥落和断裂的冻融损伤劣化模式;随着冻融次数的增加,岩石的强度及弹性模量急剧降低,并表现出压密性增大、弹性减弱、塑性增强的特征;岩石初始细观结构的缺陷经过损伤的非线性演化,表现出宏观力学性能的劣化.

    力学纵横
    力学与实践. 2013, 35(3):  61-61.  doi:10.6052/1000-0879-20130309
    摘要 ( 1535 )   PDF (252KB) ( 1050 )  
    应用研究
    力学与实践. 2013, 35(3):  62-65,45.  doi:10.6052/1000-0879-12-474
    摘要 ( 765 )   PDF (1133KB) ( 1035 )  

    为了更加准确地测量低渗透多孔介质中液体流动的启动压力梯度,本文设计了一种在微管中测量启动压力梯度的方法:将静态法和稳态流动实验相结合,研究微管内的去离子水从静态到流动状态整体的压力反应. 实验结果表明:由稳态流动实验得到微管启动压力梯度,是静态法所得启动压力梯度值的14.5倍,说明在以往通过动态实验值所推得启动压力梯度数值过大. 这可以解释为在油藏工程中,实验室测得的启动压力梯度往往过大,无法向现场推广的原因. 研究表明:可以将该方法用于低渗透岩心的启动压力梯度测量实验中,更加准确的获得低渗透油藏的启动压力梯度值. 本文的研究不仅证明了微米尺度下启动压力梯度的存在,而且给出了更加准确测量启动压力梯度的方法.

    力学与实践. 2013, 35(3):  66-71.  doi:10.6052/1000-0879-13-012
    摘要 ( 965 )   PDF (1011KB) ( 867 )  

    基于比例边界有限元法和连分式展开推导了无限域弹性动力分析的求解方程,实现了一种局部的高阶透射边界. 采用改进的连分式法求解无限域的动力刚度矩阵,克服了原连分式算法可能会造成矩阵运算病态的问题. 该局部高阶透射边界在时域里表示为一阶常微分方程组,其稳定性取决于其系数矩阵的广义特征值问题. 如果出现虚假模态,采用移谱法来校正系数矩阵以消除虚假模态. 通过两个算例验证了该高阶透射边界的精确性、鲁棒性.

    教育研究
    再论Kane难题
    刘延柱
    力学与实践. 2013, 35(3):  77-79.  doi:10.6052/1000-0879-12-170
    摘要 ( 673 )   PDF (310KB) ( 495 )  

    刚体的摩擦斜碰撞问题是经典力学中尚未解决的难题. 关于摩擦斜碰撞的Whittaker假定可导致机械能增大的Kane难题. 本文在分析Whittaker假定缺陷的基础上,提出可能的解决方案. 以小球对固定平面的斜碰撞为例,证实所建议方案的有效性.

    力学与实践. 2013, 35(3):  82-84.  doi:10.6052/1000-0879-12-325
    摘要 ( 723 )   PDF (1258KB) ( 949 )  

    叙述和比较了曲柄滑块机构滑块运动方程的近似解和精确解. 导出了理想状态下滑块的运动方程的精确表达式;使用Taylor公式将精确表达式展开获得近似表达式,并保留一阶和二阶;通过数值算例分别比较了滑块的位移、速度和加速度表达式的近似解和精确解;观察数值结果:只有当曲柄和连杆长度比值较小时,近似解才接近精确解;它们的比值较大时,近似解和精确解的差别较大.

    力学与实践. 2013, 35(3):  85-86.  doi:10.6052/1000-0879-12-410
    摘要 ( 678 )   PDF (197KB) ( 472 )  

    在理论力学教学中采用了协作学习方式来全面提高学生的能力. 在简单介绍协作学习方法以后,阐述了理论力学协作学习的准备工作以及具体实施办法:分散讨论课,集中讨论课,课堂测验的运作方式以及讨论课评分的方法. 改革实践表明,对于大班上课而言,协作式学习方法具有传统方法无可比拟的优越性,值得在理论力学课堂中进行推广.

    力学与实践. 2013, 35(3):  87-89.  doi:10.6052/1000-0879-12-147
    摘要 ( 657 )   PDF (505KB) ( 1040 )  

    推导了含有多余广义坐标的离散动力系统的拉格朗日方程,利用该方程给出了一类双线摆在平衡位置小幅振动时近似频率的计算公式,与传统的拉格朗日乘子法相比,更适合对动力系统动力学性能的定性分析.

    力学与实践. 2013, 35(3):  89-91.  doi:10.6052/1000-0879-12-444
    摘要 ( 643 )   PDF (382KB) ( 472 )  

    根据流体力学课程的性质、特点,结合自身现场工作及教学体会,构建了流体力学课程教学改革网络体系. 既实现了丰富、指导课堂教学和实践教学的近期目标,又加速了让学生终身学习的长远目标的实现. 研究对于推动教学改革进程、探索学分制下的专业基础课教学模式有一定的借鉴意义.

    力学纵横
    环壳百年忆张维
    孙博华
    力学与实践. 2013, 35(3):  94-97.  doi:10.6052/1000-0879-13-231
    摘要 ( 588 )   PDF (579KB) ( 585 )  

    本文介绍环壳研究百年和纪念张维先生百年诞辰.

    力学与实践. 2013, 35(3):  97-99.  doi:10.6052/1000-0879-12-435
    摘要 ( 1005 )   PDF (951KB) ( 967 )  

    许多工程问题需要测定各种材料在高应变率下的力学特性. 为达到这个目的,分离式Hopkinson 杆是现今世界上公认最成熟的、应用得也最广泛的现代实验技术. 这套装置的构型并不复杂,却能有效地获得大多数工程材料在每秒102~104的高应变率下的应力应变曲线. 这种实验装置的名称源自最初提出相关创意和原始设计的英国剑桥大学工程科学教授B. Hopkinson. 其实,B. Hopkinson 追随他的父亲J. Hopkinson 献身于工程科学,还有一段非常动人的故事.

    黄瓜卷须II:显微组织与力学行为的实验模拟
    蒋持平, 尚伟, 赵婧, 姜开厚
    力学与实践. 2013, 35(3):  99-102.  doi:10.6052/1000-0879-13-090
    摘要 ( 712 )   PDF (6739KB) ( 1099 )  

    对卷须显微组织的研究表明,它的一侧存在一个双层凝胶状细胞的纤维带,当卷须外端拴住支撑物后,此纤维带出现不对称的木质化收缩,引起卷须自盘卷. 老卷须的弯曲刚度远大于扭转刚度,因此盘卷成的螺旋弹簧在拉伸时刚度增加,盘卷圈数增加. 卷须的力学行为可以由预应力双层复合条的力学模型来模拟,据此,北京航空航天大学材料力学实验室开发了一个选修教学实验.

    自动扶梯事故典型案例分析
    陈光南, 赵伯锐, 马培忠, 朱衍勇
    力学与实践. 2013, 35(3):  102-105.  doi:10.6052/1000-0879-12-224
    摘要 ( 1346 )   PDF (3985KB) ( 1222 )  

    根据断口特征和受力状态分析,探讨了某品牌自动扶梯驱动主机与座板联接螺栓的疲劳破坏原因. 该螺栓疲劳断裂很可能缘于驱动主机系统的异常振动以及螺栓长度不足导致螺栓与座板啮合段螺纹根部的应力高度集中. 电机系统动力学特性分析进一步表明:系统之所以发生异常振动,缘于制造商对该系统联接方式进行的不当设计变更.

    力学与实践. 2013, 35(3):  105-106.  doi:10.6052/1000-0879-13-244
    摘要 ( 618 )   PDF (1900KB) ( 850 )  

    《力学诗趣》在1998 年10月由南开大学出版社出版,是中国力学学会与中国科学院力学研究所联合主办的《力学与实践》杂志"身边力学趣话" 栏目,在20 世纪90 年代最早刊登的20 篇文章,2001 年5月获中国科学技木协会、中华人民共和囯新闻出版署、国家自然科学基金委员会、中国作家协会联合颁发的"第四屆全国优秀科普作品奖" 的二等奖.

    力学与实践. 2013, 35(3):  107-108.  doi:10.6052/1000-0879-13-059
    摘要 ( 556 )   PDF (298KB) ( 464 )  

    科技工作包括创新科学技术和普及科学技术这两个相辅相成的方面. 大家都深知科技创新的重要性,却往往忽略了科技普及. 普及科学技术,提高全民科学素质,既是激励科技创新,建设创新型国家的内在要求,也是营造创新环境,培育科学家的"摇篮" 工程. 科学家只有站在"巨人" 的肩膀上,才能看得更远. 这里的"巨人",就是指社会公众的科学素质. 科学工作者必须正视这种历史必然,采取有效的方式促进公众理解科学,做好科学传播链上的第一"发球员".

    力学与实践. 2013, 35(3):  109-110.  doi:10.6052/1000-0879-20130327
    摘要 ( 631 )   PDF (702KB) ( 771 )  
    力学与实践. 2013, 35(3):  111-112.  doi:10.6052/1000-0879-13-233
    摘要 ( 765 )   PDF (170KB) ( 886 )  

    本文总结了第九届全国周培源大学生力学竞赛个人赛的命题工作,介绍了命题思路,每一道题所涉及的知识点和能力考核目标,也介绍了命题与基础力学教学相结合,在综合素质与创新能力的考核,对学生易犯错误的针对性设计,以及使赛题集新颖、灵活和趣味性于一体,又兼具拔尖人才选拔功能等方面的探索.