钻井式煤炭地下气化技术的发展及关键力学问题¹⁾

刘曰武, 刘畅, 丁玖阁

2021, 43(1): 1-12. DOI: 10.6052/1000-0879-20-023

摘要 ( 280 )

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煤炭地下气化技术是有希望解决我国能源危机的重要手段之一,是煤炭资源高效清洁利用的有效手段之一,是拓展天然气资源实现战略资源接替的有效方法之一。本文通过调研国内外煤炭地下气化技术,将煤炭地下气化技术分为两类,即钻井式技术和巷道式技术,并重点叙述了钻井式煤炭地下气化技术开发模式。钻井式煤炭地下气化技术的发展可分为4个阶段：(1) 基础理论研究阶段;(2) 钻孔式技术开发模式阶段;(3) 不同贯通方法直井钻井开发模式阶段;(4) 水平井钻井开发模式阶段。本文分别对钻孔式、直井钻井式以及水平井钻井式等3种煤炭地下气化技术开发模式的技术核心进行了论述。通过对比不同技术开发模式的使用状况,对其优劣进行了评价。在总结煤炭地下气化技术开发模式发展历程的基础上,指出了地下煤气化技术的发展趋势,对我国将要到来的煤炭地下气化商业化开发局面有积极的指导意义。

非对称铺层复合材料层合板质量优化设计¹⁾

王伟, 张有宏, 常新龙, 胡宽, 王春文

2021, 43(1): 13-19. DOI: 10.6052/1000-0879-20-321

摘要 ( 185 )

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复合材料广泛应用于航空航天等领域,追求轻量化设计已经成为研究重点。对复合材料层合板质量优化设计,可以减少层合板的纤维用量,减小层合板的质量,降低成本。首先研究复合材料层合板在承受轴向载荷时,产生的形变量、应力示意图,分析容易发生失效部位;以层合板铺层厚度为设计变量,最大应变、铺层比例等为约束条件,最小化层合板质量为优化目标,对碳纤维复合材料层合板铺层厚度等设计变量进行优化,利用强度理论对优化结果进行校核,结合力学试验对比分析优化前后层合板力学性能。结果表明：碳纤维复合材料层合板经过优化后,总质量减轻约16.7%,优化后的层合板满足复合材料强度理论,实验结果与软件仿真具有一致性,说明优化方法是合理可靠的。

蠕变历程中电厂承压材料SA508-III钢的细观应力研究¹⁾

陈小芹, 李方军, 谢志刚, 李相清

2021, 43(1): 20-25. DOI: 10.6052/1000-0879-20-252

摘要 ( 116 )

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长期服役温度下(300 ${^\circ}$C以上)的承压容器及管道极易发生热老化和高温蠕变,微观组织表征为晶内粗大第二相粒子、晶界粗化和蠕变空洞,因而材料的细观非均匀性也使得细观应力分析变得更加复杂。首先详细阐述了Eshelby等效夹杂理论,针对电厂服役承压材料SA508-III钢的微观组织变化,当基体中夹杂一种掺入体时,即稀疏材料系统(夹杂数量少)结合蠕变第一阶段和第二阶段初期,非稀疏材料系统则结合蠕变第二阶段中期,分别进行掺入体的细观应力应变分析,并计算在温度变化或有外载荷作用时的应力和转变应变。在此基础上,进一步结合承压材料在蠕变第二阶段后期和第三阶段微观组织特征,推导了基体中夹杂两种不同掺入体的转变应变及弹性模量。

循环荷载作用下考虑Hansbo渗流的饱和黏土固结分析

时刚, 朱邦华, 张玉蓉

2021, 43(1): 26-37. DOI: 10.6052/1000-0879-20-323

摘要 ( 101 )

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针对传统一维Terzaghi固结理论的局限性,本文引入了考虑时间效应的UH (unified hardening)本构模型,将Hansbo渗流模型耦合到UH本构模型固结方程中,建立了几种典型循环荷载作用下基于UH模型和考虑Hansbo渗流模型的固结方程。采用FlexPDE软件进行了数值分析,将计算结果与已有文献结果对比,验证了该算法的可靠性。在此基础上,研究了饱和黏土在几种典型循环荷载作用下的渗流固结特性,分析了各模型参数对饱和黏土固结特性的影响。结果表明：在循环荷载作用下,地基的平均固结度、沉降量等始终处于循环状态;Hansbo渗流模型参数对平均固结度的影响相对于Darcy渗流参数影响程度较大,其中UH模型中次固结系数对固结过程影响程度较大。另外,Hansbo渗流参数及土的回弹指数和渗透指数等对固结过程的影响主要体现在中期,固结过程后期将处于稳定循环状态。

基于数字图像的不同倾角节理灰岩破裂模式及细观尺度破裂过程研究¹⁾

牛运玖, 叶海旺, 李宁, 王其洲, 雷涛

2021, 43(1): 38-45. DOI: 10.6052/1000-0879-20-262

摘要 ( 140 )

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为研究节理倾角对灰岩破裂模式及破裂过程的影响,使用数字图像对灰岩的细观非均匀性进行表征,采用岩石破裂过程分析系统(RFPA2D-DIP)对不同倾角节理灰岩的细观破裂过程及宏观破坏模式进行了研究。结果表明,细观结构对各倾角节理试样的力学特性和最终破坏模式有重要影响,含节理灰岩的弹性模量及抗压强度具有明显的各向异性,随着节理倾角的增大均呈U型变化;含节理灰岩在单轴压缩条件下以拉伸破坏为主并伴随少量剪切破坏,细观拉伸破裂的聚集导致了宏观剪切带的形成;含节理灰岩的最终破坏模式随着方位角$\alpha$的不同表现出6种形式：直线形($\alpha =45^\circ$,$\alpha=75^\circ$);N形($\alpha =60^\circ$);斜Z形($\alpha=0^\circ$);斜N形($\alpha =90^\circ$);M形($\alpha=15^\circ$);V形($\alpha =30^\circ$)。

基于势能显式基面力元法的再生混凝土细观裂缝研究¹⁾

王耀, 刘娟, 吴春杨, 胥民尧

2021, 43(1): 46-56. DOI: 10.6052/1000-0879-20-308

摘要 ( 133 )

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为研究再生混凝土内部微裂纹演变过程与再生骨料取代率、骨料分布及骨料形状的关系,建立再生骨料取代率为0%,30%,50%,70%及100%的二维圆形及任意凸多边形随机骨料模型,通过势能显式基面力元法模拟位移控制模式的单轴压缩试验。结果表明：基面力元法可以用于研究再生混凝土等非均质材料的细观断裂损伤;单轴受压时内部微裂纹首先出现在粘结带位置,随后绕骨料形成离散裂纹,最终在骨料密集区域形成1~2条斜向45$^\circ$连续破坏裂缝;试件内部微裂纹沿圆形骨料切向方向发展为与骨料直径呈垂直状态的斜向连续破坏裂缝,沿凸型骨料外轮廓线向骨料尖端方向发展为与骨料外轮廓线呈平行状态的斜向连续破坏裂缝;随着骨料取代率的增加,再生混凝土抗压强度逐渐递减,最终趋于稳定,凸型骨料再生混凝土抗压强度略高于圆形骨料再生混凝土。

沉积方向和粒径组成对砂土力学特性的影响¹⁾

罗强, 尹畅, 张虎, 李晓磊, 马可栓

2021, 43(1): 57-65. DOI: 10.6052/1000-0879-20-277

摘要 ( 101 )

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运用砂土毛细效应所形成的假凝聚力制备具有不同沉积方向的试样, 开展三轴固结排水剪切试验, 研究粒径组成对初始各向异性砂土力学特性的影响,分析了粒径组成、沉积方向、强度特性和体积变化之间的相互关系。研究结论表明,试样剪切带的形成受到颗粒级配的影响,它是应力应变关系中陡降阶段的产生原因。沉积方向对粗砂和细砂的偏应力峰值强度均有影响,对残余强度的影响受制于颗粒级配。沉积方向与试样破坏面接近时,试样强度低、剪胀变形小且更容易破坏,粒径组成对砂土三轴剪切力学特性的影响更显著。

一类二自由度非线性能量阱系统的减振性能分析¹⁾

杨一帆, 王红兵, 李国芳, 丁旺才

2021, 43(1): 66-73. DOI: 10.6052/1000-0879-20-273

摘要 ( 143 )

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研究了包含一类新型二自由度非线性能量阱的机械振动系统。建立非线性系统的运动微分方程,用泰勒级数展开近似表达二级振子所受到的非线性力。运用数值方法对该非线性能量阱的减振性能进行分析。从其结构参数以及初始能量的角度出发,研究其发生靶向能量传递的条件。结果表明：该非线性能量阱可以有效降低主结构的能量,其振动抑制效果明显优于单自由度非线性能量阱系统。

考虑分布轴向力的细长杆横向振动与失稳分析¹⁾

孙秀荣, 张立娟, 赵洁妤, 宋杨

2021, 43(1): 74-83. DOI: 10.6052/1000-0879-20-421

摘要 ( 146 )

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为量化梁、杆、柱的自重(下称分布轴向力)对静力失稳和动力横向振动的影响,在《材料力学》和《机械系统动力学》教材的基础上,建立了分布轴向力下的杆柱失稳和横向振动的力学、数学模型。采用有限差分法、伽辽金法和数值积分法获取计算结果。结果表明：考虑分布轴向力的杆柱横向振动固有频率随杆长增加而减小,杆柱失稳时一阶固有频率为0;分布轴向力对较短杆柱的临界载荷影响较小,对较长杆柱影响较大;伽辽金法不适用计算超长杆柱的失稳临界载荷。

考虑温度效应的覆冰导线动力学建模及舞动特征研究¹⁾

闵光云, 刘小会, 蔡萌琦, 孙测世, 杨曙光, 张春霞

2021, 43(1): 84-93. DOI: 10.6052/1000-0879-20-319

摘要 ( 141 )

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针对以往研究忽略了温度效应对覆冰导线舞动特性的影响,本文推导了考虑温度效应影响的覆冰导线舞动控制方程。基于悬链法、热应力理论推导了覆冰导线的偏微分舞动方程,接着通过Galerkin法将该偏微分方程转化为常微分方程。建立气动载荷模型,将气动力引入到舞动方程中,随后采用多尺度求得了覆冰导线的位移响应,最后进行了参数分析、算例分析。结果表明：温度对覆冰导线面内、面外的频率影响显著,且对覆冰导线舞动的幅值也有一定的影响。可见针对覆冰导线舞动特征的影响研究,有必要考虑温度效应的影响,本文的研究成果有利于理论建模的完善,也能给予实际工程一定的参考。

理论力学教具DIY系列(四)一个教具的受力分析与讨论

高云峰

2021, 43(1): 94-99.

摘要 ( 126 )

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关于平面三角桁架结构小变形假设适用范围的讨论¹⁾

李宇航, 王壹, 李敏

2021, 43(1): 100-104. DOI: 10.6052/1000-0879-20-118

摘要 ( 183 )

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PDF (804KB) ( 130 )

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在平面三角桁架结构的教学过程中,对于微小变形情况,使用材料力学中的小变形假设可用切线代替圆弧简化求解过程,在一定程度上满足工程实际的需求。在教学实践中发现,学生对于这种情况下小变形假设的适用范围缺乏具体的认识,对其适用范围理解尚不深入。本文以平面三角桁架结构为例,利用理论推导和有限元分析,通过具体算例定量地给出了典型结构的小变形假设适用的范围,并分析了其失效的原因。推导过程和分析方法具有可推广的一般性,便于帮助学生理解材料力学假设在工程实践中的应用,具有一定的工程应用价值和教学实践意义。

光滑曲面点接触的理想约束推导¹⁾

赵振

2021, 43(1): 105-107. DOI: 10.6052/1000-0879-20-136

摘要 ( 180 )

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PDF (533KB) ( 78 )

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分析力学在讲述形状光滑的两刚性面保持点接触时,如果无摩擦或者纯滚动,使用了两个接触点的可能微小位移在接触点法向分量相等,或者接触点的相对速度为零的条件推导出接触为理想约束。本文从两曲面保持点接触时满足共点和相切的几何条件出发,获得这一结论,前提条件更加明确。

滑块碰撞动力学与圆周率的关联¹⁾

李开玮

2021, 43(1): 108-111. DOI: 10.6052/1000-0879-20-151

摘要 ( 117 )

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PDF (861KB) ( 141 )

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滑块碰撞与圆周率$\pi$看似不相关的两个事物却具有某种联系,本文研究了滑块碰撞动力学,利用计算工具MATLAB,发现在理想情况下,滑块的碰撞次数与$\pi$有一定的关联,并在理论上证明了计算结果。

OBE理念下的材料力学教学方法改革与实践¹⁾

刘德军, 左建平, 周宏伟, 祝捷, 李明耀

2021, 43(1): 112-119. DOI: 10.6052/1000-0879-20-335

摘要 ( 167 )

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PDF (6746KB) ( 143 )

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为提高材料力学教学效果,培养学生分析和解决实际问题的能力,开展了目标导向教育(outcome based education,OBE)的教学方法改革与实践。以采矿专业大学生为教学对象,结合巷道支护技术的最新发展动态,针对轴向拉伸、轴向压缩、扭转、弯曲、组合变形和压杆稳定分别导入顶板锚杆、墩柱、锚杆孔钻孔、巷道顶板锚杆布置优化、钢管混凝土支架破坏和墩柱稳定性等案例,运用相关章节力学知识,最终解答了案例。OBE教学方法能让学生深刻地认识到材料力学和所学专业的密切关系,激发学生的学习兴趣,培养学生的科学素养和研究性思维,实践创新和解决工程问题的能力,教学效果显著。

安全工程流体力学创新实践教学模式探究¹⁾

陆新晓, 李峰, 薛雪, 韩宇

2021, 43(1): 120-127. DOI: 10.6052/1000-0879-20-142

摘要 ( 110 )

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PDF (4303KB) ( 271 )

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流体力学是安全工程类本科专业的基础必修课。通过创新安全工程流体力学理论教学模式、融合学科专业知识及改革实践教学方法,提出了教学改革总体思路和方案,梳理了安全工程流体力学中的核心知识脉络体系;将看似孤立的基础理论三大方程穿插融合在一起,并延伸至安全工程专业中的流体力学知识点,使学生明确安全工程流体力学学什么、怎么学、如何用;丰富安全工程流体力学实践教学环节,鼓励学生自主组队开展探索性自做实验,拓宽实践教学形式及方法,引导学生开展针对性虚拟仿真模拟实验,提升学生创新能力。

融合信息技术,探索军队院校力学课程的形成性考核模式¹⁾

邓辉, 陈少昌, 易文彬, 张志宏, 孟庆昌

2021, 43(1): 128-134. DOI: 10.6052/1000-0879-20-107

摘要 ( 128 )

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PDF (10791KB) ( 60 )

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融合信息技术,探索以学生为中心、以能力培养为导向的力学课程形成性考核模式,并以流体力学课程实施为例,把学生的学习过程细分为教学前、中、后三阶段,对其知识学习情况、自主学习能力、随堂学习能力、团队合作能力、交流研讨能力、求解问题能力及应用创新能力等进行全面监督、测评与激励,促进学生全方位发展,通过两种考核模式比较综合地给予每位学生评价,教学质量大幅提升。

创新流体实验仪器,探索创新型人才培养¹⁾

管新蕾, 高云鹏, 王维, 王利军, 晁阳, 何光艳

2021, 43(1): 135-138. DOI: 10.6052/1000-0879-20-121

摘要 ( 149 )

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实验教学是理论联系实践的关键环节,对于学生的综合素质培养和提高有重要意义,而传统的实验教学模式已难以满足社会对工程应用型创新人才的要求。本文结合流体力学实验教学改革实践,探讨了改进自制流体力学实验仪器设备对提升大学生创新精神和创新能力的作用。创新化的实验教学,有助于激发学生自主实验的积极性,进而增强了他们应用已学知识解决复杂实际问题的创新能力。

弹性力学应力状态理论求解器开发及应用研究¹⁾

何峰, 任天娇, 杨松, 赵娜

2021, 43(1): 139-143. DOI: 10.6052/1000-0879-20-181

摘要 ( 180 )

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论文基于吴家龙教授编著的《弹性力学》教材内容和课程"三难"特点,以应力状态理论部分常见题型求解任意微分斜面应力矢量、正应力、切应力、主应力和应力主方向及最大切应力为例,应用Matlab-GUI模块编制应力状态理论求解器,通过界面物理参数输入和结果显示过程,再现弹性力学求解思维,验证学生数理求解结论;把繁琐抽象的力学公式和微分斜面结果进行图形可视化,使学生的抽象思维和力学思维得到兼容;通过弹性力学应力状态理论求解器开发及应用,可为学生力学学习及力学同行教学提供借鉴。

以大学生结构设计大赛为导向的工科力学课程教学的思考¹⁾

宋征

2021, 43(1): 144-149. DOI: 10.6052/1000-0879-20-137

摘要 ( 137 )

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力学作为工科基础性课程,在专业课程体系中占有十分重要的位置,但力学课程的教学效果普遍较差,诸多学者提出了各种方法以促进力学课程的教学,由于教学条件、学生层次等原因使其具有一定的局限性。本文在此研究的基础上,以大学生结构设计大赛为导向,详细剖析了力学课程在赛题中的实际应用,对应课程内容初步建立了力学课程三阶段教学方法,通过实践,取得了良好的效果,可为促进力学课程的有效推进和专业体系的建设提供一定的参考。

旋转构件变形的完备性论证与分析¹⁾

付靖宇, 赵增辉

2021, 43(1): 150-153.

摘要 ( 73 )

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云聊"力"为何物

姜锡权, 周风华, 习会峰, 余同希

2021, 43(1): 154-159.

摘要 ( 77 )

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蓝田日暖玉生烟 —— 漫话烟

王振东

2021, 43(1): 160-163.

摘要 ( 88 )

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微纳米点阵力学超材料的设计和性能

张璇, 李晓雁

2021, 43(1): 164-168. DOI: 10.6052/1000-0879-20-100

摘要 ( 237 )

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在过去几年中,增材制造技术的不断涌现促进了点阵力学超材料研究的迅猛发展。本文主要介绍三维微纳米点阵力学超材料的性能和设计,强调点阵单胞基本单元的演化发展：从桁架到平板再到曲面,如何降低结构内部的应力集中,一步步实现理论预测的各向同性的Hashin--Shtrikman极限刚度。并对这一类力学超材料在生物医药、能源环境等领域的应用进行概述。

小问题2021-1

2021, 43(1): 169-170.

摘要 ( 103 )

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