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2021年 42卷 4期
刊出日期：2021-08-28
综述
研究论文
研究简报
 
       综述
345 形状记忆合金力学行为与应用综述
杨建楠 黄彬 谷小军 王骏 张亚辉 朱继宏 张卫红
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2021.028
本文对形状记忆合金的特性、本构模型及其在不同领域中的应用进行了综述。分析了形状记忆合金材料和力学特性及其在智能结构中的应用。介绍了现有微观、介观和宏观本构模型描述形状记忆合金热力学行为的方法和特点。详细阐述了形状记忆合金在不同领域的应用现状，特别总结了结构优化技术在提升智能结构性能方面的应用，分析了当前形状记忆合金研究中存在的问题，并对其在智能结构中的关键技术与未来发展方向进行了探讨。
2021 Vol. 42 (4): 345-367 [摘要] ( 368 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 151 )
       研究论文
376 基于努氏硬度表征大块金属玻璃的力学性能
刘明 郑强 高诚辉
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2021.002
采用多种载荷对14种大块金属玻璃进行努氏硬度测试，结果表明努氏硬度随载荷的增加而降低，最后趋于稳定。利用Meyer定律、弹塑性变形模型、Hays-Kendall模型和变形阻力模型对材料的压痕尺寸效应进行分析，结果表明实验材料受到正压痕尺寸效应的影响，在压痕表面未产生裂纹时应采用较大载荷下趋于稳定的硬度值进行杨氏弹性模量E和屈服强度σy的分析。对于大多数实验材料，未修正的Marshall模型和Conway模型计算的杨氏弹性模量值偏大。Marshall模型中的参数α随着压痕对角线比值b′/d的增大而线性减小，Conway模型中的修正系数β随着压痕短对角线比值的平方(b′/b)2线性增加；对两模型进行修正时α和β可以分别用b′/d与(b′/b)2线性表示；同时发现金属玻璃的努氏硬度和杨氏弹性模量成正比，比例系数为0.0445。分别利用Tabor、Lockett、Yu、Marsh、Johnson和Vandeperre模型计算屈服强度时，除Johnson模型的计算值接近实际值外其它模型计算结果偏低，为了不同的模型能够得到正确的屈服强度，需要修正努氏硬度HK与名义硬度H之间的比例关系。当大块金属玻璃的努氏硬度小于6 GPa、玻璃态转变温度小于800 K时，缺口韧性KQ分别随着努氏硬度HK和玻璃态转变温度Tg线性增加。
2021 Vol. 42 (4): 376-392 [摘要] ( 272 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 137 )
393 基于三维各向异性分形理论的固定机械结合面法向接触刚度建模研究
谭文兵 兰国生 张学良 孙万 温淑花 陈永会
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2020.054
摘要：将结合面微凸体拓展为椭球体，基于KE有限元模型，类比球形微凸体在弹塑性接触变形阶段法向载荷、接触面积以及变形量之间的关系，根据椭球体的弹性接触理论，采用代入法得到了表征椭球形微凸体弹塑性接触变形机制的对应关系式。结合三维各向异性分形几何理论得到了结合面接触点离心率的有效区间为[0,0.7374]，在此基础上，假设结合面接触点离心率分布在有效区间内，在该区间上服从指数分布，且与接触点面积分布相互独立，根据概率论以及接触点的面积大小分布函数，获得了关于结合面接触点面积与离心率的二维联合分布密度函数，进而建立了包含椭球形微凸体完全弹性、弹塑性以及完全塑性三种变形机制的结合面法向接触刚度分形模型。所建模型理论刚度与实验数据的对比结果，表明了模型的正确性及有效性，能较好的预测固定结合面在轻载状态下的法向接触刚度。
2021 Vol. 42 (4): 393-406 [摘要] ( 120 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 137 )
407 考虑道砟侵切路基的有砟铁路离散元-有限元耦合方法
黎旭 严颖 季顺迎
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2020.056
本文考虑有砟铁路道床结构中底层道砟颗粒会逐渐侵切路基上表层的实际情况，引入基于双曲线函数的土阻力公式，发展了离散元颗粒与有限元网格体内耦合的接触力算法，建立了考虑道砟颗粒侵切路基表层的有砟铁路离散元-有限元耦合模型。其中道床中的非规则形状道砟采用离散元镶嵌单元构造，路基采用有限元20节点六面体实体单元构造。分析了道砟侵切路基下列车荷载及路基软硬程度对道床整体沉降的影响，绘制了有砟道床-路基的横截面应力及位移云图。研究表明提出的耦合模型不仅能反映道床自身的弹性变形和累积塑性变形，还能真实反映底层道砟侵切软土路基表层所导致的侵切沉降，为深入了解高速重载下有砟道床的沉降劣化机理提供重要借鉴作用。
2021 Vol. 42 (4): 407-419 [摘要] ( 134 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 136 )
420 球壳中球形夹杂对SV波的三维散射与动应力集中研究
乔松 朱建新 吕宝林 赵军 叶晓节
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2021.007
结构中夹杂将导致应力集中，是降低结构承载能力重要影响因素，尤其是动载作用情况下，弹性波衍射和叠加将加剧应力集中程度。弹性波衍射方程建立和求解非常复杂，目前主要研究对象集中在二维模型情况，三维有限域内夹杂引起的动应力集中现象在大型结构中比较常见，有界域边界不仅作为边界条件，同时也是散射波波源，提高了求解难度。一般通过近似方法，将三维模型简化为二维情况，往往导致求解结果过于保守不能解释实际问题。本文针对三维球壳包含夹杂一般情况，分别以球壳和夹杂中心建立球坐标以描述球壳内、外壁和夹杂表面散射波势函数，并引入一种球波函数加法公式实现不同坐标下势函数转换，以求解应力集中状态。最后针对三维情况，给出多个动应力集中因子分布状态以描述动应力集中程度。文中研究为一般情况下含夹杂球壳结构的强度分析提供了理论支撑。
2021 Vol. 42 (4): 420-433 [摘要] ( 156 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 139 )
434 中心舱体与薄壁梁刚-柔耦合系统的热弹性-结构动力学分析
邢晓峰 沈振兴 胡国龙 张彪
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2020.057
空间柔性结构受太阳热流冲击而诱发的振动是导致航天器失效的典型模式之一，准确预测结构热致振动的响应及稳定性是卫星设计的基础。针对常见的中心舱体与附属薄壁杆件组成的空间结构，提出了考虑刚-柔耦合、耦合热弹性和耦合热-结构三重耦合效应的热致振动分析理论模型。其中，刚-柔耦合是指舱体姿态角、顶端集中质量转动与柔性附件运动的耦合；耦合热弹性是指应变率与温度场的耦合；耦合热-结构是指舱体转动及结构变形与薄壁杆件吸收太阳热流的耦合。基于热弹性理论和Lagrange方程，推导了传热和运动的耦合方程；采用Laplace变换方法并使用Routh-Hurwitz稳定判据推导了稳定性边界方程。结果表明，该模型能够更为准确的给出热致振动响应及稳定性预测。
2021 Vol. 42 (4): 434-442 [摘要] ( 185 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 134 )
443 氢键对氧化石墨烯复合结构层间剪切行为影响研究
刘俊 董淑宏 赵军华
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2021.004
针对氧化石墨烯层状复合结构性能优化设计要求及其对环境湿度的高敏感性，开展了氧化石墨烯在湿润环境下的层间剪切行为研究。首先，采用连续力学理论，获取不同氧化浓度时氧化石墨烯层状结构层间粘结能、层间氢键相互作用能及剪切应力表达式；所获得的层间能量理论值与分子动力学模拟结果基本一致。其次，通过在氧化石墨烯层间加入不同含量水分子和改变氧化浓度，调控层间氢键网络密度，以改善氧化石墨烯复合结构的界面力学性能。研究结果表明，增加氧化浓度有效增加了层间氢键网络密度，从而提高了氧化石墨烯层间剪切强度。但当氧化石墨烯为有限尺寸时，氧化浓度存在最佳值，在达到该值后氧化石墨烯剪切强度将基本保持不变。此时，在氧化石墨烯层间再引入水分子可进一步增强其剪切强度，且含水量亦存在最佳值。总之，本研究提出了一种氢键能量的简便数值计算方法，阐述了层间氢键网络密度对氧化石墨烯复合结构层间剪切性能影响的机理，并提出两种提升其层间力学性能的途径，为氧化石墨烯基复合结构性能优化设计提供了一定的参考。
2021 Vol. 42 (4): 443-454 [摘要] ( 176 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 157 )
455 弯曲波在含非圆孔洞无限压电薄板中的散射
赵明 宋天舒 安妮 范海冬
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2021.015
基于线性压电动力学理论，采用波函数展开法、保角映射以及复变函数，对含非圆孔洞无限大压电薄板弹性波的散射及动应力集中问题进行了分析，给出了其动弯矩集中系数（DMCF）的解析表达式。为说明问题，以PZT-4为例，讨论了外加电场、椭圆孔长短半轴比、椭圆孔倾角以及入射波频率对含圆孔和椭圆孔无限大压电薄板弹性波散射的影响，并分别给出了无限压电薄板开圆孔和椭圆孔动弯矩集中系数的数值结果。
2021 Vol. 42 (4): 455-466 [摘要] ( 127 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 141 )
467 基于近场动力学的梁结构振动特性分析方法研究
吴林潮 吴志渊 张文明
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2021.008
基于欧拉梁理论推导了两自由度梁的常规态型近场动力学（Peridynamics，PD）模型，并提出一种新的自由边界条件施加方法，对不同边界条件的PD梁进行了模态分析，与局部梁的有限元结果进行了对比，验证了模型的收敛性，分析了PD非局部参数对固有频率的影响。结果表明，当近场作用域内物质点密度较小时，PD梁模型非局部性较弱，与局部梁的有限元结果接近，随着物质点密度逐渐增大，非局部作用增强，PD梁的固有频率逐渐降低；当尺度参数趋于零时，PD梁的固有频率收敛到局部梁的有限元解，PD梁退化为局部梁。研究表明，本文提出的PD梁模型和自由边界施加方法适用于分析梁的振动特性，为采用PD方法分析梁结构的动力特性提供了参考。
2021 Vol. 42 (4): 467-475 [摘要] ( 169 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 142 )
       研究简报
476 基于BP神经网络和Laplace渐进积分法的结构可靠性计算
贾大卫
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2021.005
传统基于代理模型的可靠性研究大多将抽样方法与代理模型相结合，并假定随机变量相互独立，且没有考虑到代理模型的不确定性对失效概率的影响。本文将反向传播(BP)神经网络和Laplace渐进积分法相结合，提出一种结合代理模型和高次阶矩的可靠性计算方法，称之为BP-Lap法。采用Latin超立方抽样技术，结合学习函数选取样本点，基于函数逼近原理，利用BP网络代理极限状态方程及其梯度向量和Hessian矩阵。利用训练好的BP网络通过Laplace渐进积分法求解失效概率，基于十折交叉验证思想，得到失效概率取值区间。通过四个算例，分别在随机变量相关和不相关的条件下，验证了BP-Lap法的有效性。研究表明：BP-Lap法可以衡量代理模型的不确定性对失效概率的影响，得到失效概率的上、下界；BP-Lap法同时适用于显示和隐式的极限状态方程，对相关随机变量的可靠性问题具有较高精度。
2021 Vol. 42 (4): 476-489 [摘要] ( 178 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 139 )
490 含界面相Voronoi单元的等效弹性常数的计算
王挺 张蕊 郭然
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2021.006
采用含界面相Voronoi单元有限元法，根据广义胡克定律，计算了在给定边界条件下，颗粒增强复合材料的等效弹性常数。建立了含多个随机分布的椭圆形夹杂及界面相的VCFEM模型，分析了夹杂体分比，界面相厚度和界面相弹性模量等因素对颗粒增强复合材料等效弹性常数的影响，并利用普通有限元方法对比验证。结果表明，当界面相弹性模量小于基体与夹杂时，材料的等效弹性模量会随着界面相厚度的增大而减小，随着夹杂体分比的增大而减小，并且界面过薄时，材料的等效弹性模量会随着夹杂体分比的增大而增大；当界面相弹性模量大于基体或夹杂时，材料的等效弹性模量会随着夹杂体分比和界面相厚度的增大而增大。而界面相的厚度和弹性模量对材料的等效泊松比的影响较小，材料的等效泊松比主要受夹杂体分比的影响，与其呈反比关系。
2021 Vol. 42 (4): 490-500 [摘要] ( 169 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 134 )
  编辑部公告
22 Acta Mechanica Solida Sinica入选2021年国际影响力TOP期刊榜单
22 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”
22 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”
22 2020年度Acta Mechanica Solida Sinica 影响因子达到2.161
22 重要通知
22 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
22 Acta Mechanica Solida Sinica (AMSS) 入选“2019中国最具国际影响力学术期刊”
22 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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