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    2022年 第44卷 第2期    刊出日期:2022-04-08
    上一期   
    专题综述
    碳纤维在海洋结构与装备中的应用与挑战1)
    张玉, 邓欣, 张飞凡, 张朋, 郭玉晗
    2022, 44(2):  249-257.  DOI: 10.6052/1000-0879-21-582
    摘要 ( 210 )   HTML ( 23 )   PDF (13943KB) ( 341 )  
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    碳纤维具有轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳等优异的性能,在工业生产中具有广泛的应用。传统的海洋结构与装备材料以钢材为主,但是随着海洋油气资源向深水的发展,以及清洁海洋能源的开发,碳纤维在海洋结构与装备中的应用也占据了一席之地。本文主要介绍了碳纤维在海洋管缆、系泊系统、耐压结构、风机叶片、储氢罐以及结构修复中的应用及相关的一些研究。碳纤维代替钢材可满足海洋结构与装备轻质、高强的需求,但也面临一些挑战,如碳纤维与金属材料的连接强度、碳纤维在复杂海洋环境下的耐久性等。相信未来随着海洋资源的开发以及材料、生产等工艺的发展,碳纤维材料在海洋结构与装备中将大有作为。

    应用研究
    基于变分模态分解的水泵水轮机暂态过程流激振动信号分析1)
    郑祥豪, 张宇宁, 张梁, 李金伟
    2022, 44(2):  258-265.  DOI: 10.6052/1000-0879-21-429
    摘要 ( 116 )   HTML ( 22 )   PDF (1916KB) ( 245 )  
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    流激振动是衡量水泵水轮机运行稳定性的重要参数。本文基于国内某水泵水轮机发电工况停机暂态过程中的实测顶盖振动信号,分别使用经验模态分解、变分模态分解和希尔伯特变换等方法对其进行时频分析,并获得如下结论。首先,相比经验模态分解,从基于变分模态分解的希尔伯特时频谱图中能够更为直观地观察到顶盖振动信号的时频信息。其次,时频分析结果表明,顶盖振动主要是由于旋转叶轮与静止的活动导叶之间的动静干涉作用而引起的流体异常压力脉动在过流部件中传播所导致的。最后,随着机组停机过程中流量逐渐减小,由流体激发的异常压力脉动逐渐减弱,动静干涉强度逐渐降低,顶盖振动也逐渐减弱。

    酸腐蚀条件下石膏岩分数阶蠕变本构模型研究1)
    谢森林, 万文, 周宏伟, 贾文豪, 张雷, 魏青, 陈伟
    2022, 44(2):  266-275.  DOI: 10.6052/1000-0879-21-365
    摘要 ( 74 )   HTML ( 8 )   PDF (5749KB) ( 250 )  
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    为探究地下水对岩石的侵蚀损伤,通过开展酸腐蚀条件下的石膏岩单轴压缩蠕变试验和扫描电镜试验,研究了不同pH条件下石膏岩单轴压缩蠕变特性以及酸腐蚀前后试样的微观变化。结果表明:酸腐蚀加快了试样的蠕变速度,酸性越强,蠕变速率越快;试样主要以劈裂和剪切破坏形式为主,端部出现损伤破坏的现象,酸性越强,损伤破坏越明显。微观上,干燥试样结构完整;而酸腐蚀后的试样,随着酸性增强,孔隙增多、增大,结构疏松。为描述酸腐蚀条件下石膏岩蠕变过程,通过引入酸腐蚀劣化衰减系数$\beta$对变系数Abel黏壶进行改造,用改造后的变系数Abel黏壶元件代替西原体中黏塑性体部分的牛顿黏壶,建立了考虑酸腐蚀条件下的分数阶蠕变本构模型。通过试验数据与所建立的模型进行参数拟合,确定了模型中的参数,并对引入的参数$\beta$进行了敏感性分析。研究表明,所提出的模型能够很好地反映酸腐蚀条件下石膏岩的蠕变三个阶段,尤其是加速蠕变阶段。

    高速受电弓气动减阻的仿真优化研究1)
    燕永钊, 许向红, 王烯州, 耿浩森, 黄思俊
    2022, 44(2):  276-284.  DOI: 10.6052/1000-0879-21-372
    摘要 ( 72 )   HTML ( 6 )   PDF (6443KB) ( 48 )  
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    随着绿色环保的现代轨道交通设计理念发展,受电弓减阻成为制约高速列车提速的关键问题之一。高速列车运行时,受电弓暴露于流线型车体之外,是列车气动阻力的主要来源之一,随着列车速度的提高,受电弓的减阻问题亟待解决。本文针对某型高速受电弓,基于计算流体动力学仿真技术,分析了整弓气动阻力分布,确定滑板与底座的压差阻力是气动阻力的主要来源,提出了滑板流线型减阻外壳与底座包裹流线型减阻外壳的优化方案,并与原模型对比验证了减阻效果。计算表明,减阻模型在350 km/h运行时,整弓气动阻力在开口、闭口时分别降低25.13%与24.19%。

    考虑弯折波的舰载机拦阻过程仿真分析1)
    高乐乐, 刘荣梅, 姚念奎, 陈建平
    2022, 44(2):  285-292.  DOI: 10.6052/1000-0879-21-408
    摘要 ( 72 )   HTML ( 6 )   PDF (620KB) ( 244 )  
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    为研究弯折波现象和分析弯折波对舰载机拦阻过程的影响,基于Euler-Bernoulli非线性梁理论,建立了考虑弯折波的拦阻索离散模型。对拦阻过程进行数值仿真,仿真结果表明,弯折波在整个拦阻过程均存在,使得拦阻钩载荷出现波动,且这种波动在拦阻初期最为剧烈,之后逐渐减弱。弯折波的存在明显缩短了拦停时间和拦停位移,还使得拦阻索拉力的最大值更大。此外,奇数重弯折波与偶数重弯折波在传播方向、拉力角和弯折波平均波速等方面均表现出明显的不同。

    基于CFD的民用飞机水上迫降动力学仿真研究
    罗文莉, 陈皓宇
    2022, 44(2):  293-302.  DOI: 10.6052/1000-0879-21-381
    摘要 ( 72 )   HTML ( 8 )   PDF (6963KB) ( 44 )  
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    针对民用飞机水上迫降动态冲击问题,采用数值仿真方法进行了研究。基于计算流体力学采用雷诺平均N-S方程求解,结合流体体积模型和全流场运动网格捕捉水-气交界面,求解六自由度方程获得飞机的位置和姿态。采用该方法研究了尾吊-高平尾布局飞机的水上迫降过程。结果表明,该方法可以较好地模拟水上迫降的运动和受力,入水早期飞机受到较大水冲击载荷,后体吸力使得飞机抬头,之后随着速度降低吸力减小,飞机逐渐低头并趋于稳定。

    热力耦合作用下碳质千枚岩强度演化规律分析
    杨丙昌
    2022, 44(2):  303-309.  DOI: 10.6052/1000-0879-21-331
    摘要 ( 63 )   HTML ( 4 )   PDF (324KB) ( 75 )  
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    温度场与应力场是影响碳质千枚岩地层引水隧洞围岩强度的重要因素。设定2因素4水平16组试验,依据单轴与三轴试验结果,探讨热力耦合作用下碳质千枚岩应力-应变曲线性态与破坏模式,得到了峰值强度变化规律;基于Mohr-Coulomb强度准则(M-C)与Heok-Brown强度准则(H-B),分别建立了热力耦合作用下Mohr-Coulomb-Thermal法(M-C-T)和Heok-Brown-Thermal法(H-B-T)两种破坏强度计算方法。试验结果与理论分析表明,随围压增大与温度升高,碳质千枚岩从脆性破坏逐渐转为延性破坏,黏聚力、单轴抗压强度和参数$n$随温度升高呈线性增大,内摩擦角受温度影响不显著。通过试验值与计算对比分析,M-C-T法和H-B-T法均能较好地量化热力耦合作用下碳质千枚岩强度演化规律;误差分析表明,前者计算误差为$-$28.5%~7.7%,后者为$-$8.9%~5.6%,H-B-T法计算结果离散程度较小,稳定性更高,且更偏向于安全。

    指向式导向工具主轴偏置力与造斜性能研究1)
    唐博, 王鹏, 张红, 冯定*
    2022, 44(2):  310-316.  DOI: 10.6052/1000-0879-21-363
    摘要 ( 59 )   HTML ( 5 )   PDF (317KB) ( 54 )  
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    为研究钻压传递机构安装位置对指向式导向工具主轴偏置力与造斜性能的影响规律,基于横向弯曲梁和纵横弯曲梁力学模型建立了考虑轴向载荷的主轴力学模型,运用微分方程通解对管柱力学进行求解的管柱单元组合方法,推导出主轴的几何方程和力学方程,分析了钻压传递机构安装位置对导向工具偏置力、钻头侧向力与钻头倾角等造斜性能参数的影响。结果表明,钻压传递机构安装位置距离钻头越远,工具主轴造斜所需的偏置力越小,而钻头侧向力与钻头倾角越大。

    膨胀性土壤中水分反常吸附的分形导数模型1)
    田沛博, 梁英杰
    2022, 44(2):  317-321.  DOI: 10.6052/1000-0879-21-391
    摘要 ( 64 )   HTML ( 4 )   PDF (240KB) ( 43 )  
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    本文基于物质坐标,构建了膨胀性土壤中水分吸附的时间分形导数模型,其中物质坐标建立了土壤含水率与空间坐标的联系,并推导了膨胀性土壤中水分的累积吸附量。分形导数模型对应水分的累积吸附量为时间分形导数的阶数和扩散系数的函数。分形导数的阶数能够用于吸附过程的分类,表征介质的非均质性。本文结合黑土和砂土中水分累积吸附,验证了该模型模拟膨胀性土壤中水分累积吸附的可行性,比传统的整数阶导数模型的模拟精度高。

    基于SSA-BP方法土冻胀率影响因素敏感性分析
    姚兆明, 齐健
    2022, 44(2):  322-327.  DOI: 10.6052/1000-0879-21-359
    摘要 ( 65 )   HTML ( 3 )   PDF (261KB) ( 48 )  
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    土体冻胀率影响因素敏感性分析是人工冻土重要研究内容之一,对工程建设具有重要意义。人工冻土冻胀率影响因素众多,且各影响因素彼此耦合。选用甘肃地区砂壤土、黏土、壤土的实验数据,采用麻雀搜索算法优化反向传播算法(back propagation, BP)神经网络建立预测模型,在此基础上提出一种冻胀率影响因素敏感性计算方法。结果表明优化预测模型的预测精度远高于传统BP神经网络预测模型,且冻胀率各影响因素在砂壤土、黏土、壤土中最敏感的分别为冻结速率、初始干容重、初始含水率,为防范工程冻胀危害提供了重要参考。

    不同截面形状罐体液罐车液体质心特性1)
    何烈云, 李国军, 周妍
    2022, 44(2):  328-336.  DOI: 10.6052/1000-0879-21-303
    摘要 ( 57 )   HTML ( 5 )   PDF (1367KB) ( 98 )  
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    为获取液罐车作转向行驶时罐内液体质心变化特性,以常见的圆形、椭圆形、多段弧形和方形四种截面形状罐体为研究对象,将液罐车转向行驶时罐内液体视为准静态变化过程,利用均质平面质心计算原理,构建了不同工况条件下的液体质心计算模型,采用MATLAB数值仿真方法,得到了质心坐标及质心轨迹图像,对比分析了不同截面形状罐体的图像规律及车辆侧向稳定特性,研究结论可为液罐车设计及行驶稳定性研究提供依据。

    六层非对称正交双稳态复合材料层合板的动态跳跃研究1)
    董挺, 张伟
    2022, 44(2):  337-343.  DOI: 10.6052/1000-0879-21-315
    摘要 ( 53 )   HTML ( 3 )   PDF (2184KB) ( 99 )  
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    本文研究了中心固支,四边自由的六层非对称正交双稳态复合材料层合板(0/0/0/90/90/90)的动态跳跃现象,并展示了双稳态复合材料层合板在动态跳跃前后和过程中的非线性振动。考虑冯卡门大变形,利用Reddy三阶剪切变形理论和哈密顿原理,建立了动力学与控制方程。利用动力学与控制方程,得到了李雅普诺夫指数图、庞加莱截面图和时间历程图,分析了双稳态复合材料层合板的周期振动、概周期振动、混沌振动和动态跳跃现象。

    单边缺口拉伸试件J积分塑性因子有限元分析研究1)
    武旭, 帅健, 谢彬, 韩旭亮, 马晨波, 邓小康
    2022, 44(2):  344-350.  DOI: 10.6052/1000-0879-21-344
    摘要 ( 62 )   HTML ( 3 )   PDF (2111KB) ( 42 )  
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    管道环焊缝的断裂韧性测试是管道完整性评估的基础,而J积分塑性因子的准确计算是断裂韧性测试的前提。本文针对试件厚宽比$B/W=2$的单边缺口拉伸(single edge notch tension, SENT)试件,建立管道母材不含侧槽与侧槽深度为10%的试件三维有限元模型,研究裂纹长度、试件厚度、硬化指数、试件侧槽对J积分塑性因子的影响,通过数值分析结果,考虑裂纹长度、材料硬化性能等因素的影响,通过拟合方法提出适用于不含侧槽与侧槽深度为10%的管道母材SENT试件J积分塑性因子方程,此方程可用于SENT试件断裂韧性测试。

    线性强化型弹塑性弯曲直梁挠曲线方程1)
    陈英杰, 冯永强, 董静波
    2022, 44(2):  351-357.  DOI: 10.6052/1000-0879-21-378
    摘要 ( 66 )   HTML ( 2 )   PDF (637KB) ( 51 )  
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    针对材料在弹塑性阶段的应用不完全问题,本文用弹塑性分区最小势能原理,推导出线性强化模型下弯曲直梁的势能分区准则和欧拉方程。求解出集中载荷作用下悬臂梁和简支梁的挠曲线方程,将挠曲线方程代入MATLAB软件进行数值计算并将其结果与ANSYS对比分析。结果表明:数值解与有限元值均满足实际工程中允许的误差范围,给出的方法可为解决工程实际问题提供一个新的思路。

    黏弹性模型微分型本构方程的矩阵形式1)
    彭培火, 黄朝军
    2022, 44(2):  358-367.  DOI: 10.6052/1000-0879-21-267
    摘要 ( 71 )   HTML ( 5 )   PDF (3580KB) ( 92 )  
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    针对多个弹性元件和黏性元件以任意连接方式组成的线性黏弹性模型,本文探究了其本构方程的通用矩阵形式表述。首先将研究问题扩展为由Maxwell基本单元构成的标准模型,然后转化为有向图,根据独立路径和闭包围的形式表征出基本应力方程和应变方程,进一步推导得到了任意线性黏弹性模型的微分型本构方程的一般矩阵形式。论文最后总结并建立了一套适合计算机编程的固定范式,利用Python编程实现了该算法、获得了一些数值计算结果。

    教育研究
    单位载荷法中虚位移限制条件辨析1)
    李敏, 李依伦, 陈伟民
    2022, 44(2):  368-372.  DOI: 10.6052/1000-0879-21-358
    摘要 ( 75 )   HTML ( 3 )   PDF (1346KB) ( 68 )  
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    单位载荷法是一种求解位移的通用方法,在材料力学能量方法中占据重要地位。使用虚位移模式表述单位载荷方法时,满足位移边界条件是虚位移的主要限制条件。在静不定问题、特别是带有自由边界条件单位载荷系统构造时,对于该限制条件的理解决定了使用单位载荷方法的灵活性。本文使用几个经典例题剖析该限制条件的作用,为教学活动中解释相关问题提供参考。

    力学专业导论课程的建设与实践1)
    赵颖涛, 马少鹏
    2022, 44(2):  373-378.  DOI: 10.6052/1000-0879-22-041
    摘要 ( 84 )   HTML ( 4 )   PDF (235KB) ( 157 )  
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    专业导论课程指面向新生开设的专业启蒙课程,是本科生了解专业内涵、培养专业兴趣的入门课程。然而该课程"优则双赢,劣则双输"的双刃剑属性也给课程的开设增加了许多困难。本文从北京理工大学"力学概论"课程的筹备、设计、组织及开展等多个环节展开讨论,对专业导论课程开设中的要点和难点进行了梳理,通过对课程开设历程的回顾,总结了课程的得失,以期为兄弟院校同类课程的开展提供参考和借鉴。

    新工科背景下力学跨学科课程的建设与探讨1)
    万超, 于洋, 霍波
    2022, 44(2):  379-384.  DOI: 10.6052/1000-0879-21-266
    摘要 ( 87 )   HTML ( 4 )   PDF (4670KB) ( 122 )  
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    新一轮科技变革业已开始,我国正在大力推动"新工科"建设。力学专业作为工科的关键基础之一,需要结合新时代工程教育改革方向来推进专业教育与学科建设。本文以生物力学与仿生跨学科课程为例,分析了当前跨学科课程所面临的学生缺少了解、教师定位不清、教学方式单一等问题,提出了与低年级通识教育、基础力学课程、现代教育技术相结合的针对性措施,并对其实施效果进行总结,以期为现有工科中的跨学科课程建设提供借鉴和参考。

    对定点运动刚体欧拉角的独立性及坐标变换矩阵的分析
    张媛, 王士敏, 王琪
    2022, 44(2):  385-389.  DOI: 10.6052/1000-0879-21-288
    摘要 ( 67 )   HTML ( 3 )   PDF (1834KB) ( 73 )  
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    讨论了欧拉角的独立性以及构造随体坐标到固定坐标系变换矩阵时的三次转动顺序问题,引入中间坐标系的概念,说明了将有限位移视为三次转动时,与欧拉角所对应的转动与转动顺序无关,但是,在所有可能的转动顺序中,存在一个顺序,使得每次转动都是绕着两个坐标系的共同坐标轴进行的,由于这样的变换关系最为简单,因此,通常选择用这个顺序来构建随体坐标到固定坐标系变换矩阵。

    微分形式动量方程的形成和使用1)
    黄树新
    2022, 44(2):  390-392.  DOI: 10.6052/1000-0879-21-277
    摘要 ( 130 )   HTML ( 8 )   PDF (156KB) ( 72 )  
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    微分形式动量方程是流体力学中的基本方程,又常称为运动方程。从这个方程出发可以得到流体力学中重要的Navier-Stokes方程。本文对运动方程的形成和使用情况做了分析。根据文献资料,微分形式的运动方程在法国人Augustin L. Cauchy (1789—1857) 1828年的文章中曾出现。而英国人George G. Stokes (1819—1903)首次正确地把这个方程用在常黏度流体的流动问题中。另外,英国人Ronald S. Rivlin (1915—2005)首次把这个方程用在黏弹性流体的流动问题中。

    关于伽辽金法的一点注记1)
    陈波, 李映辉, 李翔宇
    2022, 44(2):  393-396.  DOI: 10.6052/1000-0879-21-308
    摘要 ( 91 )   HTML ( 5 )   PDF (521KB) ( 101 )  
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    伽辽金法作为一种数值方法,广泛用于各种数学物理工程问题。教科书和一些文献关于伽辽金法试函数的选取存在一些争议,本文通过应用该法求解轴向力作用下悬臂梁的静动力学问题为例,证实仅选取满足位移而不满足力边界条件的试函数时,即使增加试函数的个数,可能也无法获得正确的计算结果。

    截面核心概念的教学方法探讨1)
    吴泽艳, 罗威, 田东方, 彭辉, 叶永
    2022, 44(2):  397-403.  DOI: 10.6052/1000-0879-21-319
    摘要 ( 94 )   HTML ( 3 )   PDF (1177KB) ( 84 )  
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    截面核心是土木工程混凝土类不抗拉材料受压柱状结构设计中的重要概念。为了在材料力学课程中加深学生对截面核心的认识,首先运用MATLAB语言编写了截面核心的计算程序,通过若干计算实例使学生对截面核心的形状产生感性的认识,然后讨论了截面核心的外凸性:运用静力等效和叠加原理从力学上解释了截面核心的外凸性;运用中性轴方程和凸集的定义从数学上证明了截面核心是凸集。教学过程利于加深对截面核心概念的理解,也有助于培养学生认识新事物的思考方法。

    一种复杂平面体系几何组成分析的新方法1)
    汪梦甫
    2022, 44(2):  404-408.  DOI: 10.6052/1000-0879-21-330
    摘要 ( 58 )   HTML ( 5 )   PDF (373KB) ( 61 )  
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    众所周知,结构力学中一般采用零载法开展复杂平面体系几何组成分析。然而,零载法需进行较多的计算,分析过程仍显繁琐。为了简化复杂平面体系的几何组成分析,本文将杆件替代法与零载法结合起来,建立了复杂平面体系几何组成分析的基本规则。最后,通过算例分析论证了本文方法的可行性与优越性。

    以开放实验搭建基础力学与实践的纽带——以薄壁圆筒应力分析为例1)
    卢玉林, 陈晓冉, 王丽, 魏佳
    2022, 44(2):  409-414.  DOI: 10.6052/1000-0879-21-347
    摘要 ( 65 )   HTML ( 3 )   PDF (7014KB) ( 71 )  
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    以材料力学中典型的薄壁圆筒应力分析为例,设计了趣味开放实验。基于材料力学和弹性力学基础知识,将该例题结合易拉罐和储气罐等类似结构阐述薄壁圆筒的应力分布,通过理论分析、拉压实验和电测法实验探究了薄壁圆筒的内压和强度,实验结果与理论分析吻合较好。开放实验达成度表明,本项实验具有一定的趣味性和专业性,学生态度积极,综合应用能力有所提高,但也暴露了一些问题,为后续进一步改进开放实验举措提供了有力参考。

    力矩分配法的方程解法
    朱晓江, 张琳楠, 秦太验
    2022, 44(2):  415-418.  DOI: 10.6052/1000-0879-21-271
    摘要 ( 92 )   HTML ( 5 )   PDF (2282KB) ( 75 )  
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    在传统力矩分配法的基础上,将渐进的计算过程转化为方程组的求解,可以更好地理解力矩分配法的分析思路及计算过程,同时提高计算效率和精度。该方法所得到的方程与矩阵位移法所得方程形式相同,但未知量完全不同,方程的推导过程更简洁且易于理解,在教学中可以启发学生对矩阵位移法分析思想的思考。

    一种可用作随堂教具的新型光弹设备1)
    苏飞, 罗倩
    2022, 44(2):  419-422.  DOI: 10.6052/1000-0879-21-352
    摘要 ( 63 )   HTML ( 3 )   PDF (2277KB) ( 78 )  
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    光弹性实验是一种全场和实时性的光学实验,它能将一些抽象的力学现象以图像的形式生动地展示给学生,大大提高教学效率和教学的趣味性。但现实情况是基础力学理论课时普遍被压缩,实验课时又很紧张,光弹性实验在教学上的优势不能充分发挥。本文介绍了一种可应用于随堂教学的新型光弹设备及其工作原理,它仅仅由集成了圆偏振片的LED光源、加载架和像素偏振相机组成,结构简单、可折叠,连同手提箱约重5 kg。该设备可由理论课教师轻松携带至教室,在十分钟内完成一些光弹教学实验并将实验结果投影在教室的大屏幕上,借助于事先准备好的教案,将实验结果正确地解读给学生。通过上述教改,我们在不增加课时的前提下充分发挥了光弹性实验在教学上的优势。

    基于生物力学螺旋结构教具研制和实验课堂设计1)
    原亚南, 张作启
    2022, 44(2):  423-426.  DOI: 10.6052/1000-0879-21-245
    摘要 ( 55 )   HTML ( 4 )   PDF (3185KB) ( 189 )  
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    对于复合材料微结构设计,笔者注意到在利用两相或多相普通材料来制备高性能复合材料方面,大自然给出了非常好的范例。笔者开设了复合材料力学设计课程,旨在培养学生们对这一新型仿生设计有更多理解。因此,本文提出了一种预浸料自动铺设仿龙虾钳表皮螺旋微结构设计平台,使同学们在课堂上实现精确的预浸料铺设角度的控制,为仿照生物组织中螺旋微结构来优化层合板力学性能等教学思路提供了可行的实验条件。

    粒子图像测速实验在离心泵流体力学教学中的应用及实例展示1)
    李洪彬, 蒋爽, 倪福生, 顾磊
    2022, 44(2):  427-433.  DOI: 10.6052/1000-0879-21-366
    摘要 ( 73 )   HTML ( 7 )   PDF (13145KB) ( 160 )  
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    离心泵是流体力学理论最为典型的应用,很多流体力学教材都将离心泵列为重要章节。离心泵输送单一介质时内部流体是圆周运动和相对运动的复合运动,输送固液两相时还会存在两相速度差,可见其内部流动非常复杂。如果将这些复杂的流体运动可视化,让学生看到这种流动现象,将会成为理论教学非常好的补充,加强学生对课堂知识的理解和巩固。为了将内部流动更好地呈现出来,本实验台将离心泵透明可视化,再做了局部改造后,叶轮和蜗壳区域可全部无遮挡地展现出来,再利用粒子图像测速技术捕捉内部流动,在宏观方面来讲,可开展单一介质或者两相介质在叶轮中的流动情况的观察实验,在微观方面来讲,可开展观察单一介质速度场和两相介质相对速度的测量实验。

    航天器相对运动动力学教学研究与实践
    王伟林, 宋旭民, 柴华, 刘海涛, 岳智宇
    2022, 44(2):  434-442.  DOI: 10.6052/1000-0879-21-316
    摘要 ( 88 )   HTML ( 4 )   PDF (2056KB) ( 124 )  
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    航天器相对运动动力学是空间维护原理课程的核心,主要内容是目标轨道坐标系中两个航天器的相对运动规律,太空中的相对运动规律与地面的相对运动规律在直觉上是相悖的,对学员的理解能力提出了较高挑战,课程组提出了演示法、交互法和实验法有机结合的体系化教学方法,通过将隐含的运动关系、相对运动方程经过变换转化为显式的运动方程,将静态的公式转化为动态的案例运用,将抽象的相对运动规律转换为直观的图像、动画演示。实践表明,该教学方法可显著提高学员学习的积极性和动手实践能力,有效提高教学质量。

    核心通识课"无处不在的力学"的教学实践1)
    楚海建, 陈立群, 张田忠
    2022, 44(2):  443-446.  DOI: 10.6052/1000-0879-21-455
    摘要 ( 60 )   HTML ( 2 )   PDF (2279KB) ( 90 )  
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    力学通识教育对培养学生科学与工程素养具有重要意义。本文基于核心通识课"无处不在的力学"的多轮教学实践,对多学时条件下的力学通识课程的组织与实施进行了探索,建立形成了"学科规划、多人授课、专人负责"的通识课程管理模式、"价值引领、知识传授、能力培养"相融合的课程理念和"讲授式教学、研讨式教学、研究型教学"相结合的多元教学模式。课程开设以来,学生选课踊跃,教学团队投入度高,促进了学生科学与工程素养的提高,扩大了力学学科在师生中的影响。

    力学纵横:北京冬奥会专栏
    冰壶方向偏转是难解之谜吗?
    刘延柱
    2022, 44(2):  447-449.  DOI: 10.6052/1000-0879-22-108
    摘要 ( 83 )   HTML ( 8 )   PDF (4847KB) ( 257 )  
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    关于冰壶旋转导致前进方向偏转的现象,叙述基于摩擦力非对称效应和痕迹导向效应的两种力学解释。

    钢架雪车如何实现贴壁飞行1)
    马赟, 张笑, 孙青, 霍波, 胡婧, 王宁
    2022, 44(2):  450-453.  DOI: 10.6052/1000-0879-22-093
    摘要 ( 62 )   HTML ( 4 )   PDF (8209KB) ( 31 )  
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    针对冬季奥运会的钢架雪车比赛项目,通过运用达朗贝尔原理,本文阐述了钢架雪车运动员在比赛过弯阶段实现贴壁"飞行"的力学原理,设计制作了实验道具并开展了演示实验,阐明了适当的滑行速度和低重心是钢架雪车运动员安全顺利过弯的重要因素。本文还讨论了本演示实验在理论力学教学中的应用前景。

    漫谈冰球大力击射中的力学原理1)
    张凯, 王九令, 李真珍, 胡婧, 王宁, 靳艳飞
    2022, 44(2):  454-457.  DOI: 10.6052/1000-0879-22-091
    摘要 ( 107 )   HTML ( 6 )   PDF (2835KB) ( 59 )  
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    冰球作为冬奥会唯一的集体球类项目,展现了技术、力量和速度的完美结合,诠释了"更高、更快、更强、更团结"的奥林匹克精神。本文主要从力学的视角,分析和讨论了冰球大力击射过程中的影响因素,揭示了其中的力学原理。通过设计冰球大力击射的模拟实验,发现直杆的旋转角速度和直杆的长度对冰球速度有重要的影响。从角动量守恒和能量守恒的角度可知,冰球最终速度与运动员击球前的旋转角速度成正比,且冰球距离转轴的距离越大,击打出的冰球速度也越大。

    速度滑冰如何减小空气阻力1)
    陈晓东, 何国胜, 杨秀峰, 胡婧, 王宁
    2022, 44(2):  458-465.  DOI: 10.6052/1000-0879-22-095
    摘要 ( 88 )   HTML ( 4 )   PDF (19557KB) ( 41 )  
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    本文主要介绍了速度滑冰运动员在比赛中如何减少空气阻力。首先介绍了速度滑冰运动员受到的空气阻力,包括摩擦阻力和压差阻力;然后通过风洞实验和计算机模拟说明了速度滑冰运动员如何通过服装、姿势和队列实现减阻。通过研究速度滑冰中的减阻问题能为冬奥健儿提供所需的科技支持,并帮助提高比赛成绩。

    花样滑冰跳跃动作中的力学原理1)
    刘广彦, 程修妍, 刘海燕, 白若阳, 李海龙, 吴霞, 王宁
    2022, 44(2):  466-469.  DOI: 10.6052/1000-0879-22-090
    摘要 ( 135 )   HTML ( 8 )   PDF (2343KB) ( 80 )  
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    本文根据冬奥花样滑冰比赛项目跳跃动作的特点,对其蕴含的动量定理、动量矩定理和动量矩守恒定律等力学原理进行了解读。

    跳台滑雪中运动员采用什么姿态飞得既稳且远1)
    蒋量, 陈雪, 高先智, 黄毅, 马赟, 霍波, 吴霞, 王宁
    2022, 44(2):  470-473.  DOI: 10.6052/1000-0879-22-109
    摘要 ( 71 )   HTML ( 5 )   PDF (6914KB) ( 37 )  
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    针对冰雪运动项目跳台滑雪,本文阐述了跳台滑雪运动员在比赛过程中助滑、起跳、飞行及着陆阶段的动作技术特点及其所蕴含的力学原理,设计制作了实验道具并开展了演示实验,说明了起跳阶段适当蹬地与飞行阶段维持特定姿态是跳台滑雪运动员取得优异成绩的关键因素。本文还探讨了相关演示实验在基础力学教学中的应用前景。

    解读短道速滑运动员大幅度倾斜身体过弯的力学原理1)
    苏煜, 刘战伟, 周春燕, 于洋, 刁琢, 白闻硕, 吴霞, 王宁
    2022, 44(2):  474-478.  DOI: 10.6052/1000-0879-22-092
    摘要 ( 111 )   HTML ( 7 )   PDF (3855KB) ( 65 )  
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    短道速滑运动员在弯道高速滑行过程中需保持身体大幅度倾斜,这一现象背后蕴含着经典的力学原理,是力学教学与实践中极为有价值的案例。本文通过对短道速滑运动员高速过弯时的运动学描述以及动力学分析来对短道速滑运动员大幅度倾斜身体过弯的力学原理进行解释。通过牛顿第一、第二定律以及实验观测来获得质点做匀速圆周运动时向心加速度的计算公式。借助动力学理论中的达朗贝尔原理在与运动员随动的非惯性系统中引入惯性力,通过力系平衡分析来探究运动员过弯时大幅度倾斜身体的必要性,并给出运动员过弯时身体倾角的计算公式,借助模拟赛道实验来验证相关的分析结论。通过讨论短道速滑运动员在比赛中根据既定战术和现场比赛情况随时变化的线速度以及内外赛道的切换需要来分析运动员在过弯时的各类运动学参数的变化,给出影响运动员高速过弯的关键因素。

    身体倾斜与雪板变形——高山滑雪刻滑回转中的力学1)
    万超, 易凯军, 胡婧, 罗凯, 王宁
    2022, 44(2):  479-483.  DOI: 10.6052/1000-0879-22-094
    摘要 ( 58 )   HTML ( 4 )   PDF (4992KB) ( 60 )  
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    高山滑雪是传统的冬季奥运会比赛项目,其中的刻滑回转动作蕴含了丰富的力学知识,非常适合作为实际案例用于力学专业教育及科普介绍中。本文分别应用达朗贝尔原理和梁的弯曲理论研究了高山滑雪运动员在刻滑回转动作中的身体倾斜和雪板变形这两个关键特征,结果表明了刻滑回转动作与人体姿态倾斜和滑雪板力学性能间的密切关系。本文所构建的力学模型简单易懂,所含知识点清晰明确,可作为力学相关课程的教学案例来培养学生解决实际问题的实践能力,也可作为科普案例来展示力学在人们日常生活中的应用实例。

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    《专注十年磨一剑,潜心寻优求卓越——纪念全国空间轨道设计竞赛十周年》序
    中国载人航天工程总设计师 周建平院士
    2022, 44(2):  484-487. 
    摘要 ( 42 )   HTML ( 8 )   PDF (1972KB) ( 28 )  
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