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2017年 第39卷 第2期 刊出日期:2017-04-15
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    目录
    力学与实践. 2017, 39(2):  0-0. 
    摘要 ( 301 )   PDF (132KB) ( 320 )  
    专题综述
    典型纳尺度结构的热振动
    刘汝盟, 王立峰
    力学与实践. 2017, 39(2):  109-119.  doi:10.6052/1000-0879-16-429
    摘要 ( 566 )   PDF (13573KB) ( 880 )  

    热振动是一定温度下纳尺度结构的固有运动,对其动力学行为有着重要的影响. 当空间进入纳米尺度,结构呈现离散性,量子效应、边界效应、范德华力等变得不可忽略,纳尺度结构在热噪声随机激励下的动力学行为表现出众多异乎寻常的特性. 以碳纳米管和石墨烯为代表的纳尺度碳材料具有优良的力学、电学和化学性质. 在此介绍多种针对纳尺度结构热振动问题的研究方法、及碳纳米管和石墨烯的低温热振动、碳纳米管的非线性热振动研究进展.

    早龄期混凝土抗裂性环形试验研究进展
    王福禄, 董伟, 袁文岩
    力学与实践. 2017, 39(2):  120-129,151.  doi:10.6052/1000-0879-16-352
    摘要 ( 360 )   PDF (1237KB) ( 722 )  

    早龄期混凝土极易在限制收缩条件下产生裂缝进而影响结构的安全性、耐久性和适用性,因此提供一种简单有效的方法来评估早龄期混凝土在限制收缩条件下的抗裂性,就显得非常重要. 由于能够提供一定的约束刚度并易于实验室操作,限制收缩环形试验被广泛应用到混凝土在限制收缩条件下的抗裂性评估. 主要从限制收缩环形试验的发展、破坏机理、影响因素三方面进行阐述. 通过限制收缩环形试验进行不同目的的混凝土试验研究,推动了限制收缩环形试验的不断发展;破坏机理主要有最大拉应力理论以及基于断裂力学的断裂能机制预测混凝土的开裂;环形试验的影响因素主要有试件几何尺寸,边界条件,混凝土材料性能以及预制裂缝四个方面. 最后介绍了一种椭圆环试验方法,可有效评估高约束度下混凝土的抗裂性.

    应用研究
    力学与实践. 2017, 39(2):  130-134.  doi:10.6052/1000-0879-16-372
    摘要 ( 349 )   PDF (5581KB) ( 1028 )  

    结合页岩扫描电镜图像,提出页岩气藏物理模型,采用表征单元体积(representative elementaryvolume, REV) 尺度格子Boltzmann 方法,考虑滑脱效应,模拟页岩气在页岩气藏中的流动. 模拟结果表明,页岩气主要沿着天然裂缝窜进,但在有机质和无机质中也存在缓慢的流动,且有机质中的流速要略大于无机质中的流速. 通过改变地层压力,研究地层压力对页岩气渗流特性的影响. 研究结果表明,整个流场的速度和渗透率均随着地层压力的下降而增加.

    单裂缝中携砂液流动规律研究
    李鹏, 苏建政, 张岩, 张旭辉, 鲁晓兵
    力学与实践. 2017, 39(2):  135-144.  doi:10.6052/1000-0879-16-284
    摘要 ( 392 )   PDF (11413KB) ( 611 )  

    裂缝中携砂液流动是一种固液两相流,携砂液的运移与支撑剂的铺置是水力压裂裂缝保持导流能力的关键. 本文基于FLUENT 流体计算软件,采用双流体模型,将颗粒看作拟流体,携砂液按照牛顿流体处理,分析了支撑剂体积分数αs、阿基米德数Ar、颗粒雷诺数Re以及裂缝入口边界对流动规律的影响. 研究结果表明:携砂液在裂缝中的流动过程中,发展成为支撑剂体积分数不同的四个区域,包括砂堤区、颗粒悬浮区、颗粒滚流区和无砂区;支撑剂的沉降程度随着支撑剂体积分数和阿基米德数的增加而增加,而随着雷诺数增加而降低;入口为网眼型时,进入裂缝后过流面积的增加导致流速突降,使得支撑剂更容易在入口处产生堆积,在同一入口流速下,较均匀入口的工况铺砂高度大.

    低雷诺数下柔性翼型气动性能分析
    陶真新, 李绍斌, 宋西镇
    力学与实践. 2017, 39(2):  145-151.  doi:10.6052/1000-0879-16-258
    摘要 ( 339 )   PDF (17047KB) ( 503 )  

    基于流固耦合方法对吸力面5% 至95% 弦长处为三段柔性结构的NACA0012 翼型绕流进行了数值模拟,研究了不同弹性模量下柔性翼型的气动性能和结构响应. 结果表明:在大攻角下,翼面变形影响着翼型表面的非定常流场,起到延缓失速和提高升力的作用;失速后柔性翼的升力系数下降得较为缓慢,且柔性越大,升力系数下降得越平缓;适当减小弹性模量能够提高翼型的气动性能,然而弹性模量过小反而不利于翼型气动性能的提升,并且翼面会产生大幅度的振动.

    井眼轨迹控制工具主轴载荷与造斜能力关系研究
    张红, 向正新, 钱利勤, 冯定, 涂忆柳
    力学与实践. 2017, 39(2):  152-157,134.  doi:10.6052/1000-0879-16-309
    摘要 ( 248 )   PDF (7452KB) ( 755 )  

    井眼轨迹控制工具是随钻实时完成导向功能的一种导向式钻井工具. 在复杂工况下,主轴承受钻压、扭矩和偏置机构作用力等,十分复杂. 在课题组前期研究的基础上,对样机主轴的力学行为开展了进一步的研究,在建立主轴静力学模型的基础上,分析了工具外壳刚度、偏置机构安装位置等因素对主轴力学行为与造斜能力的影响规律. 研究发现,主轴下端偏转角、偏心机构作用力和最大截面弯矩会随着偏心位移增加呈线性增加;随着外壳刚度的增加和偏置机构安装的位置与上支撑轴承之间距离的增加,工具造斜能力也会增强;通过分析偏置机构安装位置和外壳刚度对主轴力学行为的影响规律发现,随着外壳刚度的增大和偏置机构安装位置与上支撑轴承之间距离的增大,主轴最大截面弯矩也会增大. 最后,给出了最佳的外壳刚度与偏置机构安装位置建议.

    力学与实践. 2017, 39(2):  158-164.  doi:10.6052/1000-0879-16-288
    摘要 ( 276 )   PDF (5746KB) ( 907 )  

    随着超深井、定向井、水平井、大位移井及大斜度井在石油钻井工程中的广泛应用,由井下复杂工况引起的钻杆接头过早失效问题日益突出,导致钻井周期增长,成本增加,成为制约钻井工程效益的主要因素之一. 近年来,不少学者对钻杆接头进行了大量研究,多数采用二维轴对称模型,少数采用三维力学模型,但并未同时考虑螺纹升角和井眼弯曲作用等因素的影响,而钻杆接头的极限承载能力研究更是鲜见报道. 针对上述问题,基于虚功原理、von Mises 屈服原则及接触非线性理论,同时考虑螺纹升角和井眼弯曲作用,建立了钻杆接头的三维数值仿真模型与井眼曲率到加载弯矩的转换模型,研究了钻杆接头的上扣特性、井眼曲率对连接强度和密封性能的影响,考虑预紧力、弯曲载荷及动载安全系数,计算了钻杆接头的极限工作拉力和极限工作扭矩. 研究结果表明:上扣扭矩使钻杆接头产生一定的初始接触压力,保证钻杆接头井下作业过程中的连接强度与密封性能;井眼曲率对钻杆接头井下作业过程中的连接强度与密封性能影响极大,常见的某些工况会导致钻杆接头的连接强度和密封性能丧失,考虑服役时的随机振动与冲击,常规的超深井、水平井、定向井、大位移井及大斜度井弯曲段钻杆接头的设计和选型应着重考虑井眼曲率的影响;针对设计的每种钻杆接头,都应考虑常见的井眼曲率和轴向拉伸载荷进行极限工作拉力和极限工作扭矩的精细化数值计算,以确保其安全工作.

    微生物矿化风沙土强度及孔隙特性的试验研究
    李驰, 刘世慧, 周团结, 高瑜, 姚德
    力学与实践. 2017, 39(2):  165-171,184.  doi:10.6052/1000-0879-16-286
    摘要 ( 304 )   PDF (8227KB) ( 371 )  

    风沙土广泛分布于沙漠地区,其颗粒细小均匀,粒间无粘聚力,易引起风蚀形成沙尘暴的尘源. 自行设计实验室制备方法及工艺,通过微生物诱导碳酸钙矿化(microbial induced calcite precipitation, MICP)技术固化沙漠风沙土. 分析MICP 矿化砂土试样的强度特性,以及菌液浓度,岩土基质的孔隙率及颗粒级配对MICP 矿化砂土强度的影响. 试验结果表明,当砂土试样的矿化时间为7 天,菌液浓度OD600 值在0.5~0.8 之间,经MICP 矿化后的风沙土其无侧限抗压强度平均值为0.66MPa,内摩擦角平均值为36°,对运用MICP技术矿化沙漠风沙土的可行性进行了试验验证. 当岩土基质具有较大的孔隙率且级配良好时,MICP 矿化过程更加充分,MICP 矿化砂土试样呈现出更好的强度特性. 进而,利用核磁共振技术分析MICP 矿化前后砂土试样的孔隙特征,测试结果显示经MICP 矿化作用后试样的孔隙发育良好,孔隙半径大多分布在30 μm~50 μm之间,半径为100 μm 的孔隙提供大部分孔隙体积,且矿化作用后较未矿化前砂土试样孔隙率减小约15%.

    一类二自由度系统振动的黄金分割率
    朱贝贝, 孙兰宁, 赵忠虎
    力学与实践. 2017, 39(2):  172-174.  doi:10.6052/1000-0879-16-306
    摘要 ( 284 )   PDF (310KB) ( 615 )  

    作为数学史上一个重要的比例关系,黄金分割理论已在美学、建筑学甚至工程学中发挥了一定的作用. 为了研究一类二自由度系统振动的黄金分割效应,首先介绍了黄金分割的基本理论,然后分别分析了该类二自由度体系的自由振动特征,以及简谐载荷作用下受迫振动的共振机制. 结果表明,结构圆频率与层刚度和质量之比、两结构质点振幅之比都符合黄金分割率,结构在振动中具有和谐之美.

    两自由度可调非线性减振器
    杨柳, 杨绍普, 杨月婷
    力学与实践. 2017, 39(2):  175-179.  doi:10.6052/1000-0879-16-241
    摘要 ( 242 )   PDF (997KB) ( 397 )  

    研究了可调非线性减振器的优化设计. 基于哈密尔顿最小势能原理建立非线性动力学模型,系统局域参数内,实现非线性系统幅值优化. 利用平均法求解可调非线性减振器频响方程. 分析系统解的稳定性,优化系统参数,降低系统幅值响应.

    力学与实践. 2017, 39(2):  180-184.  doi:10.6052/1000-0879-16-157
    摘要 ( 304 )   PDF (246KB) ( 394 )  

    讨论变分法逆问题理论中的两种构造拉格朗日函数的基本方法:Santilli 方法和Engels 第一方法.(1) 指出Santilli 方法的理论意义在于直接用构造法证明自伴随微分方程能够从变分原理导出,即表示为欧勒-拉格朗日方程形式. (2) 提出利用Santilli 方法构造的结果, 不是唯一的拉格朗日函数,而是一规范等效的拉格朗日函数族,为此修正了该方法. (3) 指出在实际应用中Santilli 方法的局限性,特别是对某些力学系统,可能因对参变量的定积分发散,而不能有效构造拉格朗日函数. (4) 分析Engels 第一方法的意义和优越性,同时指出这种方法存在与Santilli 方法相似的局限性. (5) 以两个力学系统为例,说明上述讨论的结论.

    教育研究
    力学与实践. 2017, 39(2):  185-191.  doi:10.6052/1000-0879-17-009
    摘要 ( 500 )   PDF (382KB) ( 1136 )  

    振动力学相关课程,是很多工科专业本科和研究生的重要课程,调研国内外主要大学相关课程设置及教材采用和推荐情况,对课程教学和教材改革有重要的参考价值. 本文对国内、美国若干所主要工科院校振动力学相关课程设置的专业、学时数以及采用或参考的教材进行了调研. 参照国内从早期到目前为止的大部分教材,并对照美国几本使用较广的教材,全面总结分析了国内振动力学相关教材的发展历程、编写特点. 最后,对提高振动力学教材编写水平、非力学类工科专业的振动课程设置及教学提出了几点建议.

    弹性力学的三段式教学方法
    张伟伟, 田锦邦
    力学与实践. 2017, 39(2):  191-195.  doi:10.6052/1000-0879-16-287
    摘要 ( 421 )   PDF (1517KB) ( 702 )  

    提出了弹性力学三段式教学方法,即围绕每一知识点,按照工程背景、数理基础、力学原理进行划分,在教学实施中遵循先工程,后数理,再力学的讲解顺序. 工程背景可与材料力学知识点进行衔接;数理基础与高等数学、解析几何等数理课程衔接,实现知识点的迁移教学;最后利用力学原理构建弹性力学的基本理论. 以弹性力学中平衡方程的讲解为例,阐述了三段式教学方法的实施过程. 该方法对降低学生学习弹性力学中的畏难情绪,提高学习信心有一定的积极作用.

    开设实验结构力学课程的设想
    王焕定, 陈再现
    力学与实践. 2017, 39(2):  196-198.  doi:10.6052/1000-0879-15-073
    摘要 ( 250 )   PDF (252KB) ( 381 )  

    首先指出了目前结构力学教学的现状与不足,接着论述了目前教学、设计和科研中存在的两个问题. 为弥补其不足并提升结构力学的教学质量,提出了开设实验结构力学课程的设想,说明了开设此课程的已有条件、实验内容和预期达到的目的.

    力学与实践. 2017, 39(2):  199-202.  doi:10.6052/1000-0879-16-138
    摘要 ( 369 )   PDF (486KB) ( 586 )  

    剪切变形对位移的影响程度,不仅取决于高跨比,截面形式对其影响也较大. 通过实例讨论了工程中广泛采用的三种形式截面:一般截面、薄壁型截面、复合材料截面. 分析表明:(1) 相较于一般截面形式,薄壁型截面梁中剪切变形对位移的影响较大,尤其是短而高的薄壁梁,剪切变形引起的位移更不能忽略. (2) 复合材料截面梁,剪切变形引起的位移受截面材料弹性模量比、不同材料截面高度比影响较大:截面材料弹性模量比越大,加强材料越厚,剪切变形对位移的影响越大. 这会导致复合材料截面,即使是细长的梁,剪切变形引起的位移有时也不能忽略.

    广义变分原理在求解杆系装配应力中的应用
    谭邹卿, 杨云澜, 田玉祥, 蒋学东
    力学与实践. 2017, 39(2):  202-205.  doi:10.6052/1000-0879-16-208
    摘要 ( 360 )   PDF (396KB) ( 522 )  

    利用拉格朗日乘数法建立广义变分原理以求解有误差杆件结构装配应力. 引入拉格朗日乘数并结合静力平衡方程,构造无条件广义变分原理的新泛函,求解新泛函的极值问题,获得超静定的变形协调方程,从而计算有误差杆件结构的装配应力. 结果表明:该方法求解装配应力的通用性较强,不但克服传统几何方法建立变形协调方程的缺陷,而且具有计算过程简洁以及便于掌握等优点.

    力学与实践. 2017, 39(2):  205-207,195.  doi:10.6052/1000-0879-16-290
    摘要 ( 302 )   PDF (1476KB) ( 351 )  

    试验是确认科学知识正确与否的重要手段,贯穿于力学的理论研究和工程应用之中. 通过测量排水体积和单摆周期, 间接测量铁块质量,讨论试验设计和数据处理及其相关问题.

    力学纵横
    力学与实践. 2017, 39(2):  208-210.  doi:10.6052/1000-0879-16-136
    摘要 ( 329 )   PDF (1145KB) ( 490 )  

    谈赛格威车向双轮自平衡滑板的演变,分析二者的异同. 解释自平衡滑板利用两侧分离底板的转动控制加速减速和左右转弯的力学原理.

    透过椭圆焦点看物理规律
    徐康, 刘章军
    力学与实践. 2017, 39(2):  210-214.  doi:10.6052/1000-0879-16-265
    摘要 ( 418 )   PDF (1186KB) ( 723 )  

    介绍了不同学科领域里与椭圆有关的3 种物理规律:光线反射规律、开普勒第二定律、细杆平衡规律, 并对其进行相互推导, 得出结论: 这3 个物理规律是等价的, 它们的本质都是椭圆所特有的几何特征, 它们只是这一本质在不同领域的不同表现.

    力学与实践. 2017, 39(2):  214-217,174.  doi:10.6052/1000-0879-16-414
    摘要 ( 340 )   PDF (566KB) ( 552 )  

    保守系统的运动微分方程,可以使用第二类Lagrange方程列写,从Langrage 方程也可以推导出保守系统的机械能守恒. 有老师提到,曾有学生在作业中用机械能守恒给出正确的Lagrange 方程. 本文探讨这种做法的可行性,并针对某些特殊情况给出了由机械能守恒得到Lagrange 方程的具体步骤.

    力学与实践. 2017, 39(2):  218-218. 
    摘要 ( 418 )   PDF (609KB) ( 562 )