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2014年 第36卷 第4期 刊出日期:2014-08-08
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    应用研究
    求平行力系中心的几何方法
    杜茂林, 陈国良
    力学与实践. 2014, 36(4):  491-492.  doi:10.6052/1000-0879-13-227
    摘要 ( 853 )   PDF (391KB) ( 899 )  
    在求平行力系中心位置的过程中,要用到合力矩定理. 现有方法把合力的作用点设为平行力系中心,较难理解. 该文应用合力矩定理时,把合力作用点假设为合力作用线上任意一点,平行力系合力作用线总是通过一个固定点的物理意义非常明确.
    教育研究
    力学与实践. 2014, 36(4):  500-504.  doi:10.6052/1000-0879-13-158
    摘要 ( 900 )   PDF (1751KB) ( 1856 )  
    MATLAB 的PDE(partial differential equations)工具箱为平面问题求解结果提供了彩色可视化图形,便于弹性力学的学与教. 工具箱采用椭圆型偏微分方程求解平面问题的结果实质上是弹性力学位移法的数值解,该文推导并整理出PDE 的边界方程参数,用于描述弹性力学中常见的边界条件. 结合弯矩和均布载荷作用下的简支梁、受内外压的圆环板和受拉的带孔矩形板3 个例子,说明PDE 求解平面问题的方法与可视化的结果.
    应用研究
    . 2014, 36(4):  420-421,402.  doi:10.6052/1000-0879-13-332
    摘要 ( 595 )   PDF (706KB) ( 965 )  
    鸡蛋在液体中的平衡稳定性问题可作为应用拉格朗日定理判断保守系统稳定性的有趣例子. 分析表明,当液体比重超过某个临界值时,鸡蛋可在液体中实现竖直状态的稳定平衡. 讨论鸡蛋平衡位置数目与稳定性随液体比重变化的静态分岔问题.
    专题综述
    非饱和土真三轴试验研究进展
    张常光, 赵均海, 陈新栋, 朱东辉
    . 2014, 36(4):  413-419.  doi:10.6052/1000-0879-13-110
    摘要 ( 427 )   PDF (3204KB) ( 854 )  
    研究非饱和土的强度是非饱和土理论及其工程应用的首要问题,但因复杂应力状态下基质吸力的控制技术、量测技术和吸力平衡时间等原因,非饱和土真三轴试验研究的进展迟缓. 在介绍非饱和土刚性真三轴仪、柔性真三轴仪和刚柔复合型真三轴仪的基础上,重点分析已有非饱和土刚性和柔性真三轴试验结果,总结现有非饱和土真三轴仪及其试验研究的不足,同时指出Mohr-Coulomb 强度准则和外接圆Drucker-Prager准则对非饱和土真三轴试验结果的不适用性. 应开展更多不同种类非饱和土的完整真三轴试验研究,特别是非饱和黏性土;应结合非饱和土的应力状态变量和强度特性,建立符合工程实际受力状况的非饱和土真三轴强度准则,完善非饱和土的理论基础.
    应用研究
    . 2014, 36(4):  470-473.  doi:10.6052/1000-0879-13-228
    摘要 ( 413 )   PDF (354KB) ( 536 )  
    在考虑剪切效应及阻尼的基础上,采用线性振动理论研究了双模量梁动载荷问题的冲击计算. 建立了双模量梁动载荷问题的振动微分方程,推导出了双模量梁动载荷问题的动位移、动载荷系数、冲击时间的表达式,并讨论分析了剪切效应及阻尼对双模量梁动载荷冲击问题的影响. 算例分析表明,对于某些双模量梁动载荷冲击问题,剪切效应及阻尼的影响是不能忽略的.
    变截面杆纵振动问题的试探函数方法
    那仁满都拉, 包乌日汗
    . 2014, 36(4):  466-469.  doi:10.6052/1000-0879-13-362
    摘要 ( 399 )   PDF (296KB) ( 664 )  
    给出了一种试探函数法,并研究了变截面杆的纵振动问题. 先给出振动控制方程的特殊函数形式的试探解,然后要求此解满足控制方程,反过来确定了控制方程各种可能的系数函数(即截面变化函数)并得到了控制方程的精确解. 作为例子,给出了一种变截面杆在3 种边界条件下的频率方程,计算出了固有频率. 研究表明,试探函数法简单、直接,适合于研究变截面杆的纵振动问题. 对于杆扭转振动、薄膜振动以及管中波传播等问题,该方法同样有推广应用价值.
    身边力学的趣话
    关于石转磨力学原理的注记
    尤明庆, 苏承东
    . 2014, 36(4):  520-523.  doi:10.6052/1000-0879-13-397
    摘要 ( 799 )   PDF (1511KB) ( 840 )  
    基于网上视频、照片以及实物,考察了石磨的工作特性. 石磨上下盘被谷物完全分隔,间隙由谷物尺度及给料速率确定;两盘具有相同的分区平行线齿槽,因上盘反扣而旋向不同,以齿槽剪切和齿面碾压破碎谷物并向外输送;分区数达到8 后,上下盘的齿槽夹角总是小于90°而具备剪断功能;主槽偏离中心布置可避免直线相会引起的冲击载荷. 硅质或钙质胶结的砂岩和石灰岩制作石磨要优于花岗岩.
    . 2014, 36(4):  511-516.  doi:10.6052/1000-0879-13-470
    摘要 ( 455 )   PDF (11394KB) ( 1451 )  
    从散文《肥皂泡》和世界名画《吹肥皂泡的少年》谈起,漫谈了肥皂泡的形成、色彩和破裂,介绍了与肥皂泡有关的科学技术问题,并以北京奥运游泳馆水立方为例,讨论了肥皂泡和建筑的关系.
    应用研究
    接触面起爆方式下的冲击波加载研究
    晋艳娟, 张柱, 刘建月
    . 2014, 36(4):  429-432.  doi:10.6052/1000-0879-13-450
    摘要 ( 359 )   PDF (814KB) ( 988 )  
    基于叠加原理,利用炸药接触面起爆方式,实现对可压缩固体材料的矩形波加载. 通过联立爆炸产物和可压缩固体的(u,p)曲线以及综合考虑炸药与材料试件各自由边所受稀疏波干扰情况,从理论上给出冲击波平台压力和冲击波加载平台宽度的计算方法,为将来利用接触爆炸实现对材料试件的近似矩形波加载提供理论基础.
    . 2014, 36(4):  461-465.  doi:10.6052/1000-0879-13-476
    摘要 ( 489 )   PDF (2012KB) ( 479 )  
    地震作用诱发的场地土震陷问题引起了人们广泛关注. 以阜新地区风积土为研究对象,进行了50年超越概率2% 和10% 的地震载荷及等幅正弦载荷作用下风积土的震陷试验,探讨了振动次数、动应力幅值和含水量对风积土震陷系数的影响规律,建立了风积土震陷系数经验公式. 依据分层总和法估算了2 条地震载荷和等幅正弦载荷作用下风积土场地震陷量,并对场地风积土的震陷性进行了评价. 以上研究成果将为阜新地区风积土地基的抗震防震设计提供参考依据,具有重要的工程应用价值.
    . 2014, 36(4):  437-441,446.  doi:10.6052/1000-0879-13-550
    摘要 ( 354 )   PDF (1494KB) ( 779 )  
    应变模态变化率指标在服役梁结构的损伤定位方面已有应用,但现有研究大多忽视了梁上的初始局部抗弯刚度具有离散性的情况,因此难以区分真实损伤和初始离散性造成的局部刚度变化,对于实际梁结构的应用效果不佳. 先提出了一种通过求解线性方程组来得到梁上各区间真实初始抗弯刚度的方法,然后采用应变模态变化率指标来进行损伤定位. 研究结果表明,该方法可以处理梁上初始局部抗弯刚度具有离散性的情况,实现准确的损伤定位.
    目录
    . 2014, 36(4):  0-0. 
    摘要 ( 237 )   PDF (139KB) ( 347 )  
    专题综述
    力学与实践. 2014, 36(4):  383-395.  doi:10.6052/1000-0879-14-168
    摘要 ( 969 )   PDF (3014KB) ( 1295 )  

    格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method,LBM)能够直接计算局部剪切速率并可以达到二次精度,因此在非牛顿流动数值模拟中展现出一定优势。尽管已证实LBM 对于非牛顿流动的适用性,但是LBM 需要通过即时调节BGK(Bhatnagar-Gross-Krook)碰撞项中的松弛时间来实时反映黏度改变,当松弛时间接近1/2 时,迭代会出现数值不稳定现象。该文对LBM 在非牛顿流体研究中的进展进行了总结,介绍了增加数值稳定性的方法并对结果的精度进行了比较,在此基础上对LBM 在非牛顿研究中的进一步发展进行了展望。

    疏松砂岩水力压裂裂缝形态研究综述
    张卫东, 杨志成, 魏亚蒙
    . 2014, 36(4):  396-402.  doi:10.6052/1000-0879-13-438
    摘要 ( 474 )   PDF (3092KB) ( 855 )  
    疏松砂岩水力压裂裂缝的典型特征是大量分支缝、微裂缝和一定钝度的裂缝尖端及剪切带的形成等. 主要通过对相关文献的调研,分析了剪切作用、拉伸作用等对裂缝形态特征(起裂、转向、延伸)等力学行为所产生的影响,通过针对一些疏松砂岩的压裂实验研究发现,其滤失过程主要受到缝尖区域的影响,而且滤失一般发生在裂缝扩展之前. 裂缝缝尖周围的局部应力往往是影响裂缝起裂和裂缝开度的主导参数,裂缝的形态特征则是应力、渗透率、流态等综合作用的结果,对疏松砂岩裂缝形态特征的形成做了进一步的解释.
    高强高性能混凝土高温爆裂机理研究进展
    王里, 刘红彬, 鞠杨, 刘金慧, 田开培, 葛志顺
    . 2014, 36(4):  403-412.  doi:10.6052/1000-0879-13-272
    摘要 ( 607 )   PDF (2106KB) ( 869 )  
    高强高性能混凝土已得到广泛应用,然而高温或火灾下的性能衰减与爆裂成为制约其应用的瓶颈问题,高温爆裂破坏机理尚不清楚. 该文对国内外高温或火灾下高强高性能混凝土爆裂机理的研究进行综述,阐述了蒸汽压、热应力、热开裂3 种热爆裂机理及其影响因素,分析了目前研究存在的困难与挑战. 提出建立一个以蒸汽压致爆机理为主,热应力和热开裂机理为辅的多因素耦合的爆裂模型来定量分析高强高性能混凝土的高温爆裂机理.
    应用研究
    . 2014, 36(4):  422-428.  doi:10.6052/1000-0879-13-441
    摘要 ( 469 )   PDF (3729KB) ( 641 )  
    台风和孤立子都是小尺度不稳定流动受扰动的激励,吸收基本流场的能量而形成的. 当它们各自所受的耗散、弥散、平流或对流作用分别达到平衡时,其运动形态在一段较长时间内保持稳定. 通过研究螺旋结构,考察它们在局域能量维持方面相似的动力学特性. 通过理论分析和大型地球流体模拟转盘的双台风实验、以及拟开展的数值实验,将探索和检验“能否将台风看作是大尺度三维螺旋孤立子”,这既是研究台风和孤立子的形成机制及其动力学特性的一种新的思路,也是将二者融合起来研究的方法论的一种新途径.
    压电材料动态裂纹问题的奇异积分方程法
    赵鹏, 秦太验, 张琳楠
    . 2014, 36(4):  433-436.  doi:10.6052/1000-0879-13-488
    摘要 ( 425 )   PDF (540KB) ( 633 )  
    利用广义Betti-Rayleigh 互易公式给出了二维压电材料非渗透裂纹问题的一般解和奇异积分方程,其中未知函数为裂纹上的位移间断和电势间断的导数. 在理论分析的基础上,使用高斯-切比雪夫求积公式及Lubich 卷积积分方法建立了问题的数值求解方法,并给出典型算例的广义动应力强度因子随时间变化的规律.
    搭接剪切试件的优化设计
    兰天宝, 苏飞
    . 2014, 36(4):  442-446.  doi:10.6052/1000-0879-13-394
    摘要 ( 518 )   PDF (5782KB) ( 1054 )  
    在采用搭接剪切试件进行的剪切强度实验中,试件失效往往是由于试件两端的剥离应力过大,而不是切应力造成的,这往往造成错误的实验结果. 通过有限元和光弹实验相结合的方法研究在搭接结构中引入凹槽以使试件所受的切应力均匀分布并减少两端的剥离应力,从而提高实验精度的可行性. 研究表明,只要凹槽的形状和位置合适,完全可以达到上述效果,从而实现了搭接剪切试件的优化设计.
    金属局部腐蚀的三维元胞自动机模型
    郭东旭, 任克亮, 王燕昌, 郭晓菊, 张恩山
    . 2014, 36(4):  447-452.  doi:10.6052/1000-0879-13-495
    摘要 ( 777 )   PDF (12875KB) ( 1543 )  
    针对环境作用下金属表面容易形成坑蚀而致使结构性能退化这一问题. 采用元胞自动机方法,建立描述腐蚀环境中金属表面坑蚀形成及演化的三维模型,对不同腐蚀溶液浓度和温度条件下结构表面蚀坑随时间的变化过程进行了模拟,为定量评估服役环境中结构的剩余强度及寿命提供可能.
    多层膜结构热应力计算
    刘星, 朱嘉琦, 韩杰才
    . 2014, 36(4):  453-456.  doi:10.6052/1000-0879-14-107
    摘要 ( 755 )   PDF (874KB) ( 1523 )  
    多层保护膜结构在光学窗口等领域有广泛应用,其中膜层中的热应力对系统的功能和可靠性有重要影响. 推导了条形多层薄膜结构系统中应力应变的计算方法,并针对薄膜厚度远小于基底厚度的薄膜结构计算进行了相应的简化,得到了其一阶近似以及零阶近似应力的计算公式. 采用此公式对ZnS-Y2O3-SiO2 双层膜系红外窗口系统进行了求解分析. 计算结果显示,热应力在两层薄膜上的相对误差分别为1.54% 和0.09%,零阶近似可以很好地满足计算精度要求.
    钻柱力学中接触力计算方法研究
    周志宏, 覃江, 龚小霞, 冯定, 涂忆柳
    . 2014, 36(4):  457-460,452.  doi:10.6052/1000-0879-13-555
    摘要 ( 461 )   PDF (1660KB) ( 1017 )  
    钻柱在井底的接触力计算是一个复杂的非线性问题. 选取较为精确的三维钻柱力学模型(简称ABIS)作为研究对象,力图从复杂的求解过程中探索出更直观的方法. 从钻柱某个节点的接触力与位移关系,推广到该节点接触力与钻柱其他所有节点的位移均存在同样的关系,进而建立了整根钻柱位移与作用在钻柱上的所有接触力的更直观的柔度关系式. 据此提出新的接触力计算方法,算例结果表明该方法显著提高迭代速度.
    . 2014, 36(4):  474-477.  doi:10.6052/1000-0879-13-197
    摘要 ( 473 )   PDF (634KB) ( 455 )  
    先用几何图解法对一简单线弹性杆系变形作分析计算,发现功能原理更可行有效. 方法是假设用一个和载荷P 相垂直的力H(虚拟力)先作用于杆系,根据功能原理导出在载荷P 作用下的位移计算公式. 并把这一方法推广到多个杆件组成的弹性杆系(桁架)中,并建立相应计算公式. 可望实现计算机编程,大大简化这一类问题的工程计算.
    . 2014, 36(4):  478-482.  doi:10.6052/1000-0879-13-300
    摘要 ( 668 )   PDF (9864KB) ( 946 )  
    置换法应用于求解一端外伸梁,在对称弯曲的条件下,根据直梁挠曲线所在平面内其与切线所成图形的边角几何关系,推导出求解该形梁的挠度和转角的置换法位移方程,其变量是相应的置换梁自由端的挠度、梁长、梁轴线位置坐标等. 对具体载荷梁的求解过程是:先以具体量值填充左、右置换梁自由端的挠度,再将其代入该置换法位移方程的统一表达式,即得到所求梁段的挠度、转角的方程全解. 所用的计算为代数方程的分式四则运算,只需挠曲线和叠加原理概念,无需积分,一般无需查挠度表,结果精确. 给出工程背景的算例.
    . 2014, 36(4):  483-485.  doi:10.6052/1000-0879-13-206
    摘要 ( 574 )   PDF (251KB) ( 626 )  
    基于线弹性体本构方程系数矩阵的对称性,提出了其对应的逆命题问题,即若材料本构方程是线性且对称的,能否由此确定物体是完全弹性的?论文通过构造势函数的方法对该问题给出了肯定的回答,从而论证了对于符合线性本构关系的材料,其本构方程的对称性与物体的完全弹性相互蕴含,因而是相互等价的.
    . 2014, 36(4):  486-490.  doi:10.6052/1000-0879-13-297
    摘要 ( 588 )   PDF (875KB) ( 521 )  
    提出了物体在无摩擦情况下沿一段柔性绳索下滑运动力学问题的分析方法,利用牛顿第二定律建立耦合运动方程组,采用龙格-库塔(Runge-Kutta)方法编写程序对已建方程组进行求解,用Matlab 中的曲线拟合命令对方程组的数值解进行公式拟合,用得到的物体运动公式结合耦合运动方程组可求出物体下滑各时段绳索的内力. 提出的分析方法对物体在不同初始状态下的计算结果表明:绳索内力随物体的简谐振动呈周期性变化;物体下滑高度越高,经过相同位置时速度、加速度和绳索内力就越大.
    教育研究
    混沌摆的建模和仿真
    唐有绮, 陈立群
    . 2014, 36(4):  493-496.  doi:10.6052/1000-0879-14-125
    摘要 ( 487 )   PDF (1979KB) ( 1349 )  
    考察一类混沌演示实验装置——混沌摆. 应用拉格朗日方程建立四自由度无阻尼非线性自由振动的动力学方程.用数值仿真揭示系统存在准周期运动和混沌运动,并说明了混沌运动具有初值敏感性.
    . 2014, 36(4):  497-499.  doi:10.6052/1000-0879-13-150
    摘要 ( 416 )   PDF (244KB) ( 921 )  
    在结构力学的计算中,通常的方法有能量法、解析法等.能量法在结构计算中有广泛的应用,它适用于线弹性或非线性条件. 该文从数学的角度讨论能量法结构计算的原理,通过对虚功原理、卡氏第二定理、极小势能原理的证明推导,明确了虚功原理是平衡微分方程和变形协调方程的结合体,与材料应力应变关系无关,适用于线性和非线性问题;卡氏第二定理只在线弹性条件下成立;极小势能原理应用的前提条件之一是材料应力应变关系是严格增函数,可以是线弹性也可以是非线性.
    . 2014, 36(4):  504-507.  doi:10.6052/1000-0879-13-559
    摘要 ( 453 )   PDF (1919KB) ( 869 )  
    本文对静定结构约束力的计算提出了隔离体选择的一般性方法,即根据几何构造特点采取适当的方法:两刚片法、三刚片法、二元体法及通用的约束力的计算方法.
    力学纵横
    . 2014, 36(4):  508-511.  doi:10.6052/1000-0879-13-367
    摘要 ( 498 )   PDF (1136KB) ( 764 )  
    激波管是实验室内产生激波的设备,大型激波风洞在空气动力学方面有广泛的应用. 俞鸿儒院士是我国最早研究激波管和激波风洞的科学家之一,参与并主持了激波管与激波风洞的研制. 本文通过访谈整理了激波管自动破膜,激波风洞氢氧燃烧和爆轰驱动技术的相关研究过程,并介绍了激波风洞研制过程中相关测试仪器的设计和改造情况.
    身边力学的趣话
    . 2014, 36(4):  517-519.  doi:10.6052/1000-0879-13-380
    摘要 ( 492 )   PDF (3441KB) ( 1515 )  
    介绍了蜘蛛丝由普通蛋白质和弱的化学键连接的独特微结构,以及它将普通力学性能的材料,通过从微观到宏观多级自组装,获得同时具有高强度和高延展性的超级力学性质的跨尺度力学原理. 同时也介绍了蜘蛛丝在纳米尺度的微结构优化及其应力应变曲线的独特的线弹性-软化-硬化性质. 第Ⅲ 部分将继续介绍这种应力应变曲线对建造的具有超级抗损伤和超级带缺陷工作能力的蜘蛛网的作用.
    生物微小样品力学加载测试系统科普简介
    蒋乐伦, 乔西凤, 黄勇, 凌金田, 陈珂云, 潘程枫, 张素华
    . 2014, 36(4):  524-526.  doi:10.6052/1000-0879-13-448
    摘要 ( 390 )   PDF (2165KB) ( 1175 )  
    研制了生物微小样品力学加载系统,能够实现10~1 000 μm)生物样品0.5mN~1N 力学加载实验,包括拉伸、压缩、穿刺等,应用于深入了解样品力学性能与微观结构之间的关系. 介绍了目前国内外力学加载实验仪器的研究进展,简单介绍生物微样品力学加载实验系统对静电纺丝微米丝拉伸及蜂针穿刺过程的力学测试. 最后提出了力学加载系统的预期应用领域.