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2025年 46卷 4期
刊出日期：2025-08-27
研究论文
研究论文
437
基于LSTM网络的声振耦合系统微结构拓扑优化
徐炅阳 余秋子 陈海波
声振耦合系统微结构拓扑优化通常通过响应分析、灵敏度计算与设计变量更新的循环迭代，最终得到收敛的优化结构拓扑构型。此优化过程存在计算成本高、效率低等问题，为此本文提出了一种基于长短期记忆(Long-Short Term Memory, LSTM)神经网络的声振耦合系统微结构拓扑优化方法。该方法的核心思想是将声振耦合系统微结构拓扑优化过程视作构型连续变化的时序信息，利用LSTM网络强大的时序信息处理能力学习构型演化的规律，最终实现基于LSTM网络的微结构拓扑优化。论文利用基于有限元-边界元法分析的微结构优化方法生成数据集，通过测试不同网络层数、单元数和时间序列输入长度确定数值性能最优的LSTM网络，最终利用LSTM网络实现对常规声振耦合系统微结构拓扑优化的全流程替代。数值算例表明，该方法在保证优化质量的前提下显著降低了计算成本，对于不同激励频率以及不同体积约束的工况均有较好的优化效果，体现了较强的泛化能力。
2025 Vol. 46 (4): 437-448 [
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449
电连接器接触组件插拔力的数值分析及结构设计
赵立卓 张纯正 常刚刚 沈飞 刘兵飞 柯燎亮
电连接器是电子系统中传导电流和传递信息的关键元件，广泛应用于航空航天、通讯、计算机、汽车工业等领域，其性能直接影响系统的可靠性与稳定性。文中首先基于悬臂梁模型推导了电连接器接触组件插拔力的通用计算公式，分析了插针和插孔在插入和拔出过程中的插拔力变化规律。进一步在建立了某型号电连接器接触组件有限元模型的基础上，进行了插拔力计算的仿真分析，研究了插拔力随位移的变化情况。继而通过实验研究对电连接器的插拔力进行验证，结果表明：理论模型预测值、仿真分析结果与实验测量值的相对误差均小于8%，三者呈现显著一致性。为满足工程需求，避免插拔力超限，最后使用理论模型对电连接器接触组件的弹片长度和厚度进行合理设计，确定了保证插拔力合格的设计区间，为电连接器结构设计提供了理论依据。
2025 Vol. 46 (4): 449-461 [
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462
免疲劳实验标定内聚力模型：疲劳载荷下界面裂纹扩展速率预估新方法
熊健 薛鹏程
疲劳失效是工程结构中最常见的失效形式，其力学机制尚未得到充分阐释。现有疲劳裂纹扩展模型高度依赖疲劳实验数据，缺乏普适性理论框架。本文基于指数型内聚力模型特性，通过定义内聚疲劳极限及其对应的分离位移，构建循环损伤增量触发准则，建立了免疲劳实验标定内聚力模型(Fatigue-Free Calibration Cohesive Zone Model，简称F-free model)。借鉴弹塑性材料条件屈服应力概念，确定模型的内聚疲劳极限。理论模型预测结果与复合材料层间分层及夹芯结构面芯脱粘实验数据高度吻合，实验拟合的Paris指数均位于模型预测区间内。对无量纲疲劳极限参数分析表明，模型可揭示疲劳裂纹扩展速率分布范围，Paris指数预测范围为0.99~6.3，为疲劳损伤分析提供新型理论工具。
2025 Vol. 46 (4): 462-472 [
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473
多化学腐蚀过程的混凝土模量演化
朱浩鸣 侯天恒 陈建康
海水对混凝土的腐蚀具有多化学的特征，主要包括硫酸根离子、氯离子以及两者的耦合作用对混凝土的腐蚀。目前硫酸根离子与氯离子共同腐蚀下的混凝土模量演化规律尚未形成共识。首先，本文制备混凝土样品开展了人工海水的加速腐蚀实验，然后利用无损探测技术探索了硫酸根离子和氯离子共同腐蚀下超声波在混凝土中传播速度的变化，由此得到混凝土模量在腐蚀条件下的演化规律。以此为基础，结合材料的继续水化、硫酸根离子与混凝土的固相及液相化学反应、氯离子的络合反应等化学过程的反应方程式，以及相应的化学反应速率方程，建立了硫酸盐-氯盐耦合侵蚀下混凝土模量演化的力学-化学模型，并阐明了两种离子侵蚀的竞争机制，为设计耐久性更好的海工混凝土提供理论支持。
2025 Vol. 46 (4): 473-487 [
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488
摩擦界面上一种新应力波结构及其离散化特征研究
李珂岩 靳翔宇 沈玲燕 刘永贵
摩擦界面上存在复杂的应力波动演化图案，精细测量并准确解读这些波结构对深入理解摩擦界面的动力学行为具有至关重要的基础作用。目前对这些波动的理解主要集中在摩擦和断裂的关联性上。本文采用实验与有限元分析相结合的研究方法，深入探究了在撞击载荷作用下摩擦界面上的应力波动行为，揭示了一种全新的应力波动现象及其独特的波动结构。实验结果表明，这种新发现的应力波动起源于摩擦界面的整体动态响应，并以平面纵波的形式和速度，沿着垂直于界面的方向在基体中传播。在传播过程中，该应力波动在时间域上呈现出显著的离散化增强特征，而在空间域上则表现出逐渐衰减的特性。通过数值模拟和初步理论分析，发现这种新型应力波结构的产生机制与摩擦界面上传统的“断裂波动”（rupture-like fronts）现象截然不同。它并非源自摩擦界面上微接触点的局部断裂，而是源于界面整体辐射的球面波群阵面的包络线。这一发现揭示了摩擦界面上一种全新的应力波结构及其离散化特征，有望为地震预测以及工程构件的无损检测提供一种全新的理论依据和判据。
2025 Vol. 46 (4): 488-501 [
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502
Cu偏析对FeNiCrCoCu高熵合金晶界剪切变形的影响
王新超 花安平 赵军华
FeNiCrCoCu高熵合金的硬度、强度、延展性和热稳定性等性能与其晶界处元素偏析密切相关。本研究采用分子动力学模拟和蒙特卡洛模拟相结合的方法，系统研究了FeNiCrCoCu高熵合金的晶界元素偏析及其对力学性能的影响。研究结果表明，晶界处的Cu元素偏析改变了晶界附近的化学环境，改善了晶界处的应力集中，降低了晶界能和晶界自由体积，稳定了晶界结构。无Cu元素偏析的FeNiCrCoCu高熵合金晶界在剪切应力作用下表现为晶界迁移，而随着晶界处Cu元素偏析程度的增加，晶界变形逐渐转变为晶界发射位错，同时所需的剪切强度也不断增大。本工作加深了晶界偏析对高熵合金性能影响的理解，有助于未来高性能合金的设计和开发。
2025 Vol. 46 (4): 502-519 [
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520
水扩散驱动下水凝胶裂纹尖端变形机制研究
潘玉东 王佳硕 赵雪琦
水凝胶中的水分子扩散作用对其力学行为具有显著影响。现有的水分子扩散作用下水凝胶断裂行为的实验研究主要集中于对宏观裂纹的观测，尚未有关于水环境下水凝胶裂纹尖端场的观测实验。而有关水分子扩散对水凝胶裂纹尖端变形场影响的研究仅停留在理论分析阶段，亟需不同工况下的实验结果对理论预测进行验证。本文基于自主设计搭建的力化耦合拉伸平台，选取PAAm水凝胶作为研究对象，基于数字图像相关性（DIC）方法，通过实验手段研究恒定力载荷和恒定位移载荷工况下水分子扩散对水凝胶裂纹尖端变形场的影响，揭示了不同工况下裂尖水分子非平衡态扩散竞争机制。基于水凝胶大变形与水分子扩散耦合的平衡态理论，对恒定力载荷工况下水凝胶裂尖变形场进行有限元模拟，分析裂尖水分子扩散行为的动力学机制。通过对比油环境和水环境下的实验结果，揭示了水凝胶与外界环境之间的水分子扩散行为对裂尖变形场的影响具有主导作用。
2025 Vol. 46 (4): 520-532 [
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533
几何构型驱动的皮肤缝合切口减张性能研究
江昊 纪小刚 徐林龙
皮肤缝合应力对术后切口愈合有较大影响，需要明确不同切口缝合过程对皮肤应力相应的机理与规律。结合皮肤缝合常用手术切口，以水平长度和切口宽度为标准，设计传统直线形、Z形、S形和锯齿形四种切口。考虑到试样形变过大会降低实验数据提取，不利于试样拉伸过程中减张规律的研究，开展对应缝合结构的失效载荷测试并为减张研究确定合适测试范围；基于试样拉伸试验获得的材料本构模型，从理论上分析了沿不同缝合切口的应力分布和应变分布；采用数字图像相关法，获取不同切口缝线区域内，缝合过程产生的应变分布；最后通过实验与仿真对比，从缝线处应变方面进一步探究了皮肤的张力分布效果。结果表明，切口形状是减张的基础，相比传统直切口，Z形、S形和锯齿形切口由于实际切口更长且具有一定弧度可降低缝合张力。低中力下的减张效果较好，随着外载荷增大，减张效果会减小，但仍能显著优于直线切口。在相同载荷下，锯齿形切口缝合主应变最小，即减张效果最好。
2025 Vol. 46 (4): 533-545 [
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546
基于刚体准则的梁单元几何刚度矩阵推导及应用
陈安全 吴俊力 伏梨莹 范秀娟
几何刚度是影响结构屈曲荷载和非线性特征的重要因素。基于三维实体梁线性化的增量虚功方程和空间力矩转动特性，分析得到梁单元节点保持平衡的关键特征-诱发矩矩阵，并构造了三维梁单元的几何刚度矩阵，利用几何刚度矩阵的对称性和刚体合格性推导出了简洁的三维梁单元几何刚度矩阵的显示表达，同时简化得到二维梁单元几何刚度矩阵。通过对典型案例进行线性屈曲分析和非线性分析，结果表明所推导的几何刚度矩阵可以很好的用于梁类型结构的屈曲和后屈曲分析。此推导梁单元几何刚度矩阵的方法物理意义清晰，推导过程简单，是推导单元几何刚度的一种新思路。
2025 Vol. 46 (4): 546-559 [
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560
SH波入射直角域中含椭圆孔的动力分析
赵元博 程玉朕 韩坤
对于包含椭圆孔的直角域中在入射SH波下的散射问题，本文采用复变函数法、极坐标变换法和波函数展开法进行研究。先利用复变函数建立所有椭圆孔的复平面坐标系，通过极坐标变换法将镜像得到的椭圆孔变换到原始椭圆孔；再利用波函数展开法建立椭圆孔的波场及应力表达式；椭圆建立椭圆孔任意一点的辐角与该点垂线和坐标轴之间的夹角的关系，避免保角变换的使用；最后通过孔边应力边界条件建立方程，求其动应力集中系数。数值结果表明，入射波波数、椭圆孔偏转角、入射角角度、椭圆孔深度对动应力集中系数有较大的影响。
2025 Vol. 46 (4): 560-570 [
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编辑部公告
Acta Mechanica Solida Sinica入选2021年国际影响力TOP期刊榜单
祝贺！AMSS和《固体力学学报》编委清华大学张一慧教授喜获第三届“科学探索奖”
祝贺！《固体力学学报》编委湖南大学姜潮教授喜获第三届“科学探索奖”
2020年度Acta Mechanica Solida Sinica 影响因子达到2.161
重要通知
固体力学学报2020年第2期和第3期刊出《固体材料的多尺度与多场耦合力学》专辑
Acta Mechanica Solida Sinica (AMSS) 入选“2019中国最具国际影响力学术期刊”
余寿文教授、黄玉盈教授获得AMSS特别贡献奖（Special Contribution Award）
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