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2018年 第40卷 第3期 刊出日期:2018-06-15
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    专题综述
    力学与实践. 2018, 40(3):  245-252.  doi:10.6052/1000-0879-18-054
    摘要 ( 422 )   HTML ( 19 )   PDF (1757KB) ( 438 )  

    介绍了结构拓扑优化研究领域的一些基本概念和主要问题。分析了拓扑优化结构的类桁架性质以及离散化性质,给出了几个作为标准 算例的典型解析解答。简述了各种结构拓扑优化数值方法的优化策略和特点。解释了连续体结构拓扑优化数值方法中普遍存在的单元依 赖性、奇异性、棋盘格等数值计算不稳定问题现象。介绍了准则法、序列规划方法和启发式算法等各种数学优化求解方法的基本原理。使 初学者初步建立结构拓扑优化相关基本概念。

    应用研究
    力学与实践. 2018, 40(3):  253-258.  doi:10.6052/1000-0879-17-395
    摘要 ( 248 )   HTML ( 54 )   PDF (11176KB) ( 255 )  

    轻质夹芯结构在能量吸收领域有很广泛的应用。本文采用数值仿真的方法分析了球形密闭夹芯结构在内爆载荷作用下的动态响应。发现与主要靠夹芯层吸能的平板或曲板结构不同,球形密闭夹芯结构的内壁在能量耗散中起关键作用。与相同质量的均质球壳相比,夹芯层可以有效地降低外壁的变形和应力水平。此外,利用理论分析的方法,得出了几何尺寸对球形夹芯结构能量吸收特性的影响。最后指出,在爆炸容器的设计中,如果充分利用球形夹芯结构的内壁进行耗能,可以显著提高结构的抗爆当量。

    力学与实践. 2018, 40(3):  259-266.  doi:10.6052/1000-0879-17-334
    摘要 ( 262 )   PDF (527KB) ( 262 )  

    对外加电场作用下无穷大电解质溶液中二维Janus 导电颗粒的受力特性进行研究。在量级分析的基础上,对电解质溶液电渗流动的基本方程组进行解耦,通过引入有限域确保解的存在性,进而得到圆形颗粒周围电场和流场的解析解与半解析解。基于半解析解给出颗粒所受力矩与外加电场方向角之间的变化曲线,从而得到二维Janus 圆形颗粒的平衡姿态及其稳定性特性。在此基础上,通过数值方法给出了电解质溶液中二维Janus 胶囊的受力特性,平衡姿态及其稳定性特性。

    穿孔壁面通道流动阻力特性研究
    董家宁, 张洪军, 杨阳
    力学与实践. 2018, 40(3):  267-272.  doi:10.6052/1000-0879-17-390
    摘要 ( 270 )   PDF (1405KB) ( 378 )  

    利用计算流体力学方法对穿孔壁面通道内部流动进行了数值模拟,分析了其流动沿程摩擦阻力特性。计算中,假设流体不通过小孔进出穿孔壁面背后的吸声材料。经实验对比,采用Realizable k--" 湍流模型结合增强型壁面函数,可获得比较理想的计算结果,数值模拟与实验测量的压损值相对偏差在10% 以内。对于穿孔壁面通道流动阻力计算,提出了等效粗糙度概念,结合达西公式、克罗布鲁克公式计算获得了等效粗糙度数值。研究了穿孔板小孔孔径、穿孔率对等效粗糙度的影响,发现等效粗糙度与孔径成二次方关系、与穿孔率成线性关系。

    基于塑性损伤理论的软泥页岩地层井壁稳定性分析1)
    张鹏伟, 孙峰, 叶贵根, 薛世峰
    力学与实践. 2018, 40(3):  273-280.  doi:10.6052/1000-0879-17-369
    摘要 ( 248 )   PDF (9439KB) ( 323 )  
    软泥页岩在地层高压、流体环境下独有的力学变形特性一直是井壁稳定性控制工程领域的研究热点。针对软泥页岩低强度、高塑性的特点,考虑孔隙渗流、塑性损伤引起的渗透率变化等因素,建立了渗流-- 应力耦合形式的井壁稳定性评价数值模型,研究了流体渗流、泥浆压力、水平应力差的影响。结果表明,对过平衡钻井,当泥浆压力超过地层孔隙压力10% 时,渗流-- 应力耦合效应导致井壁塑性损伤区扩大至少65%,需予以考虑。水平应力差的增大会促进井壁塑性损伤区向最小水平主应力方向集中,且损伤区深度增大。
    力学与实践. 2018, 40(3):  281-288.  doi:10.6052/1000-0879-17-347
    摘要 ( 278 )   PDF (12331KB) ( 276 )  

    基于最大主应力准则,利用扩展有限元法对钢筋混凝土三点弯曲梁的裂纹扩展进行数值模拟。通过与已有模型试验结果的比对,验证了该方法的准确性与有效性。研究发现,带裂纹钢筋混凝土构件的裂纹扩展与力学性能不但受到单裂纹的尺寸、位置、倾角的影响,而且还受多裂纹间位置关系的影响;其中,裂纹横向分布位置和裂纹纵向分布位置是影响带裂纹钢筋混凝土梁裂缝扩展的主要因素。

    水平管中残余变形管柱的摩擦力实验
    周志宏, 吕涨, 殷卓成, 郑广, 余礼, 彭雄文
    力学与实践. 2018, 40(3):  289-293.  doi:10.6052/1000-0879-17-392
    摘要 ( 181 )   PDF (893KB) ( 276 )  

    连续油管钻井技术已经广泛应用到油井的各作业中,由于连续油管平时缠绕在滚筒上,塑性变形很大,虽然经过注入头的矫直,仍然会有较大的残余弯曲变形,会严重影响水平井延伸长度。本文通过相似实验得到管柱不同曲径比下所受到的摩擦力曲线拟合函数,然后再通过相似分析验证模型实验的正确性并得到各相似常数,进而求得连续油管与管壁之间的摩擦阻力。经实验数据分析得出5.08 cm (2 in) 的连续油管在经过多次弯曲变形后在水平井段所受到的阻力是理想未发生变形的2.3 倍。由此可以按摩擦系数的两倍来估算管柱所受到的实际延伸摩阻。

    考虑剪切效应的工字梁弯曲应力比拟杆法1)
    吴思远, 王正中, 彭文哲, 刘少军, 李斯
    力学与实践. 2018, 40(3):  294-299.  doi:10.6052/1000-0879-17-258
    摘要 ( 453 )   PDF (5266KB) ( 301 )  

    随着工字形短深梁和宽翼缘梁结构的发展,截面非线性剪切变形对弯曲应力的影响愈加突出,导致传统设计中所采用的初等梁理论计算结果误差较大,不再适用。本文基于比拟杆法综合考虑剪切效应,推导出工字形梁横力弯曲应力解析计算公式,并与有限元及现有解析计算方法进行对比分析。结果表明:当跨高比较小,翼缘腹板面积比较大时剪切效应对弯曲变形有显著影响。同时相比于现有解析方法,本文计算结果精度较高且适用范围更广,可用于梁结构设计。

    力学与实践. 2018, 40(3):  300-307.  doi:10.6052/1000-0879-17-286
    摘要 ( 238 )   PDF (8401KB) ( 220 )  

    介绍一种可用于计算生物力学的离散梯度方法,此方法可利用离散的点云模型直接进行数值模拟分析而不需要传统的几何模型。将离散梯度法应用于点云模型需要首先确定模型中点之间的相邻关系和每个点所分配的材料体积,然后通过用广义的有限差分的形式定义了梯度插值向量,并以此向量来近似函数在每个离散点上的梯度。从弱形式出发,推导建立了适用于弹性固体大变形问题的求解器,并具有和有限元法中双线性四边形单元一致的准确性和收敛性。着重描述了一种可以从医学图像中快速提取材料点并建立点云模型的方法,以及利用三角划分和重心划分确定材料点之间的相邻关系和每个材料点体积的具体过程。通过腹主动脉瘤膨胀的静力学模拟分析,展示了离散梯度法的实用性和准确性。该算法实现了基于医学图像进行生物力学分析的过程自动化,为病体特异性的研究和治疗提供便利和实用的工具。

    鼻腔结构异常及其矫正术后气流场改变的数值分析1)
    唐媛媛, 孙秀珍, 于申, 宿芳*
    力学与实践. 2018, 40(3):  308-313.  doi:10.6052/1000-0879-17-432
    摘要 ( 313 )   PDF (2526KB) ( 230 )  

    鼻腔结构的改变将伴随鼻腔空气动力学特性改变,进而促使下鼻甲等发生自适应性变化。选取鼻中隔偏曲患者并行鼻中隔偏曲矫正术,部分行下鼻甲骨折外移术,将术前和术后患者行鼻腔CT 扫描,根据CT数据对鼻腔气道进行表面三维重建,运用计算流体动力学方法分析术前和术后鼻腔气道的空气动力学特征。通过研究发现,鼻腔结构矫正手术不是以双侧鼻腔气道容积对称为目的,而是应将整个鼻腔结构看作一个整体,尽可能地保护鼻腔的\绿化带",最终达到重塑鼻腔结构之目的,使鼻腔的生理功能恢复正常。

    教育研究
    力学与实践. 2018, 40(3):  314-315.  doi:10.6052/1000-0879-17-325
    摘要 ( 262 )   PDF (341KB) ( 435 )  
    理论力学的运动学部分有加速度合成定理:点的绝对加速度等于相对加速度、牵连加速度与科氏加速度的矢量和。在相对运动动力学部 分有牵连惯性力和科氏惯性力。一般都说,科氏加速度和科氏力由科里奥利(Coriolis GG, 1792—1843)于1835年首先提出。本文简述科氏力的历史与发展。
    力学与实践. 2018, 40(3):  316-318. 
    摘要 ( 182 )   PDF (16784KB) ( 218 )  
    论经典力学中的参考系
    吴昊, 马凯解敏
    力学与实践. 2018, 40(3):  319-321.  doi:10.6052/1000-0879-18-048
    摘要 ( 205 )   PDF (805KB) ( 369 )  
    力学最本质的问题是物体的受力与其运动的关系问题,本文对经典力学中的参考系进行了梳理和讨论,主要得到了以下结论:(1)探讨了牛顿第一运动定律在物理学和力学上的基础意义,利用该定律既可以对惯性参考系进行定义,同时也能够对时间进行度量;(2)指出了\绝对静止坐标系" 未必存在,但近似的\绝对静止坐标系" 却很容易找到;(3)分析了质心平动参考系的特殊性,总结了其对惯性参考系动力学理论在形式上的影响。
    关于力系等效、主矢和合力概念的讨论1)
    陈培见, 彭娟, 赵玉成*, 罗宁*, 高峰*, 董纪伟*
    力学与实践. 2018, 40(3):  322-324.  doi:10.6052/1000-0879-17-329
    摘要 ( 416 )   PDF (339KB) ( 428 )  

    力系简化问题是工程力学课程非常重要的一节,深入理解该问题对于后续力学课程的学习和力学知识的正确运用具有很重要的指导作用。然而教科书中对于该部分的讲解不够清晰, 给学生和青年教师带来了较大的困惑。因此,笔者根据自己的教学实践和科研经历,力求通过对相关问题的论述,理清力系简化,主矢和合力等概念,这对于力学教学和科研问题中力学知识的成功运用具有重要作用。

    基于平板电脑的理论力学课堂教学模式1)
    郭铁丁, 康厚军, 程露敏
    力学与实践. 2018, 40(3):  325-328.  doi:10.6052/1000-0879-17-357
    摘要 ( 243 )   PDF (337KB) ( 304 )  
    针对理论力学课程教学中传统黑板板书和PPT课件演示两种方式的不足,提出了一种基于平板电脑的新型课堂教学模式。文中介绍了该教学模式的基本组成及独特优势,并结合作者的教学实践给出了基于平板电脑的3种具体课堂教学方案,讨论了它们的优势和不足。
    试论“课堂实时反馈系统”在力学课堂教学中的应用1)
    宋娟, 冯维明, 王少伟, 刘广荣
    力学与实践. 2018, 40(3):  329-331.  doi:10.6052/1000-0879-18-037
    摘要 ( 167 )   PDF (1587KB) ( 432 )  
    课堂实时反馈系统是通过移动网络将教师电脑终端和学生智能设备有效联通,使授课者实时掌握每位学生的学习情况,实现学生个体与教师间的交互为目的的教学系统。本文借助课堂实时反馈系统,对力学课程课堂教学开展教学实践。教师根据实时反馈的教学数据,优化课堂教学策略,跟踪学生的学习进程和学习效果,为学生构建互动、合作的课堂环境,赋予学生更完整、深入的学习体验。
    基础力学课程微课体系的构建1)
    李晨, 孙伟, 浦奎英, 唐静静
    力学与实践. 2018, 40(3):  332-336.  doi:10.6052/1000-0879-17-398
    摘要 ( 178 )   PDF (833KB) ( 313 )  
    微课和传统课堂教学的有机结合可以帮助基础力学课程走出课时压缩的困境并实现层次化教学,因此构建基础力学微课体系有重要意义。首先阐明了构建基础力学微课体系的基本思想,在此基础上提出了微课体系的基本框架和实现的具体步骤,然后基于基础力学的课程特点构建了微课体系各部分的详细目录,最后分别以知识点\动点、动系和定系选择的基本原则" 和\弯曲强度典型例题" 说明了微课内容的选择和组织。总之,基础力学微课体系的构建以传统课堂教学为基础,与课堂教学相结合,重内容、轻形式,循序渐进,逐步发展完善。
    如何推动箱子更省力?
    李俊峰, 马曙光
    力学与实践. 2018, 40(3):  337-338. 
    摘要 ( 216 )   PDF (789KB) ( 402 )  
    力学纵横
    哥廷根学派的发展历程
    刘沛清, 杨小权†
    力学与实践. 2018, 40(3):  339-343.  doi:10.6052/1000-0879-17-296
    摘要 ( 337 )   PDF (10112KB) ( 508 )  

    哥廷根学派于19 世纪初发源于德国的哥廷根大学。德国著名数学家和流体力学家高斯开创了哥廷根数学学派时代,他把现代数学提高到一个新的水平。到19 世纪末,哥廷根大学出了一位知名的数学家菲利克斯·克莱因,他除了在纯粹数学上的成就外,还大力提倡应用数学,成为哥廷根数学学派和哥廷根应用力学学派的领袖。年仅29岁的世界流体力学大师普朗特因发表了著名的边界层理论而成为哥廷根应用力学学派的创始人和推动者。普朗特杰出的学生美籍科学家冯·卡门把应用力学从德国带到美国,这是哥廷根学派的传承和发扬光大。以陆士嘉、钱学森、郭永怀、钱伟长和周培源为代表的中国科学家先后在普朗特和冯·卡门实验室学习和工作,他们回国后在空气动力学、流体力学等应用力学领域取得了举世的成就,为中国的力学发展奠定了坚实基础,为中国航空航天技术事业的发展做出了卓越贡献。哥廷根学派最重要的科研思想是:一切从实际出发,通过观察分析物理现象,总结和提炼规律形成理论继而达到解决实际问题的目的,这种认识和探索自然规律的核心是,理论与实际紧密结合,科学与技术的紧密结合。

    力学与实践. 2018, 40(3):  344-347.  doi:10.6052/1000-0879-17-341
    摘要 ( 342 )   PDF (9334KB) ( 364 )  
    作为冲击加载的一种类型,撞击指的是一个具有质量m 的物体(或结构) 以某一初速度V0 撞到另一个物体(或结构) 的加载行为,以及由之产生的力学和物理现象。动量--冲量定理是求解撞击问题的基本方程,但仅由此定理并不能解出撞击后各物体的速度,所以刚体动力学中通常建议引进一个\恢复系数" 来求得解答。可是,恢复系数" 实际上并不是材料常数,而且仅凭动量-- 冲量定理和\恢复系数" 仍然不能得出撞击脉冲的参数,如峰值力、撞击时长和脉冲形状。本文基于冲击接触力学和结构冲击动力学,对确定撞击脉冲提出了一些思考,并指出工程中沿用的\动载系数" 是缺乏理论根据的,许多撞击问题值得深入探讨。
    “空而不悬”的悬空寺
    左冉东, 张铮, 苏飞, 王硕
    力学与实践. 2018, 40(3):  348-350.  doi:10.6052/1000-0879-17-217
    摘要 ( 233 )   PDF (8422KB) ( 385 )  
    用材料力学求解静不定梁的方法对悬空寺的横梁与立木进行力学建模,定性定量地对横梁及立木进行变形与受力分析,着重讨论了横梁支撑立木的受力与曲屈问题,从而建立起立木支撑载荷、立木长与直径的关系,明确了立木屈曲的几何特征范围。
    福建省第十届大学生结构设计竞赛结构优化分析1)
    张红章, 曾武华, 王逢朝, 范卫琴, 崔秀琴
    力学与实践. 2018, 40(3):  351-356.  doi:10.6052/1000-0879-17-305
    摘要 ( 256 )   PDF (4542KB) ( 241 )  

    以增加结构模型承载自重比与实现结构鲁棒性为目标,通过力学计算、有限元分析和实体模型试验,从材料性质、结构选型、杆件截面设计和制作工艺等方面,对结构模型进行了优化分析,提出了准确掌握材料性能和结构受力特点是结构模型优化的前提条件。