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2021年 42卷 6期
刊出日期：2021-12-28
研究论文
研究简报
研究论文
623
新型带虚点的径向基函数微分求积法及其在薄板弯曲中的应用
赵宇翔 林继
本文提出了新型带虚点的径向基函数微分求积法，并将其应用于模拟薄板弯曲问题。带虚点的径向基函数微分求积法是一种基于传统径向基函数微分求积法的新型无网格方法，传统方法只将中心点放在计算域内，而该方法扩展了中心点的区域，使其既位于计算域内又位于计算域外，在不增加计算量和存储量的基础上，显著提高计算精度。本文首次尝试将此方法应用于求解薄板弯曲问题，并与解析解和传统方法进行对比，验证了此方法的优越性
2021 Vol. 42 (6): 623-632 [
摘要
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633
分级周期梁结构的振动带隙特性优化研究
熊远皓 李凤明
针对分级周期梁结构，进行了振动带隙特性优化研究，以期提高结构的减振性能。采用谱元法计算分级周期梁的频响曲线，并结合传递矩阵法计算结构的色散关系，将两种方法相结合来研究结构的振动带隙特性。构建带隙占比函数作为优化目标函数，将单胞结构的尺寸作为优化参数进行带隙特性优化。经过优化，使得在研究频段内带隙特性大大提高。通过与有限元法和振动实验相对比，验证了谱元法计算和优化结果的正确性。研究内容对于提高周期结构的振动带隙特性和减振应用提供有益参考。
2021 Vol. 42 (6): 633-641 [
摘要
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642
导电混凝土传感器的热变形与机敏性研究
孔祥东 陈建康
摘要 本文设计了具有不同灵敏度的水泥基传感器。测试了传感器的热变形特征与机敏性规律。验证了传感器埋入混凝土进行结构变形检测的可行性。热膨胀系数测定实验发现：与传统认为的受热膨胀不同，添加了碳纳米管的传感器具有热胀-热缩特性。通过对比传感器单独加载与埋入混凝土中加载，发现了大掺量的碳纳米管传感器的压阻效应更易受到混凝土干缩应力的影响。在荷载作用下，传感器的压阻效应会发生变化：压缩应变导致导电填料间距减小致使传感器电阻率减小；微损伤的产生导致导电填料间距增大而致使传感器电阻率增大。两者的竞争机制形成了水泥基传感器压阻效应的非线性特征。本文根据实验结果和电子跃迁的隧道效应理论，建立了水泥基传感器的压阻模型。
2021 Vol. 42 (6): 642-655 [
摘要
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656
局部失效缺陷下的二级层级褶皱结构失效机理研究
方耀楚 吴文涛 叶涛 倪康 唐寿康 孙冰 肖潇
基于弹性梁理论，对局部失效缺陷下的二级层级褶皱结构失效机理进行了分析。通过对原结构体系和局部失效后新结构体系的受力分析，归纳总结了结构的六种失效模式。根据各失效模式之间的占优关系绘制了失效机理图，讨论了参数l1/l、θ和α对失效机理图的影响，并基于特定失效序列优化约束，给出了结构轻量化优化列式。通过数值仿真，验证了局部失效后二级层级褶皱结构失效预测的正确性和层级失效序列设计思路的可行性。最后采用3D打印模型进行了验证实验，实验结果与理论解吻合较好。
2021 Vol. 42 (6): 656-670 [
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671
纳米多晶NiTi形状记忆合金超弹性的晶粒取向依赖性相场研究
熊君媛 徐波 康国政
本文基于Ginzburg-Landau理论，建立了一个反映纳米多晶NiTi形状记忆合金取向依赖性的二维多晶相场模型，研究了晶粒取向对其超弹性性能的影响。结果表明，纳米多晶NiTi形状记忆合金的超弹性行为依赖于晶粒取向分布，即：多晶模型中在所研究的参数变化范围内，晶粒取向分布范围越广、晶粒间取向差越大（无明显织构），超弹性性能越差；而晶粒取向分布范围越窄、晶粒间取向差越小（织构越强），超弹性性能越好。该晶粒取向依赖性可解释为：由于晶粒取向的不同，马氏体相变过程中相邻晶粒间的变形不匹配程度不同，因此，多晶模型中在所研究的参数变化范围内，晶粒间取向差异越大，晶界处的变形失配越严重，由此而产生的局部内应力将阻碍其附近马氏体相变的扩展，进而导致纳米多晶NiTi形状记忆合金超弹性性能下降。
2021 Vol. 42 (6): 671-681 [
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682
固-液结合面法向动态接触刚度及阻尼的理论模型与实验分析
高志强 路泽鑫 傅卫平 王雯 班兆阳 王双琦
固-液接触状态广泛存在于机床核心单元关键零部件的接触运动副中，精确获得固-液结合面法向接触刚度及阻尼参数是高档数控机床产品在研发阶段就存在的一个关键理论与技术问题，并且仍然尚未根本解决。固-液结合面在介观层面上表现为两个粗糙表面的接触，在微观层面上表现为微凸体之间的接触，并在中/重载荷作用下微凸体可能会发生弹性/弹塑性/塑性变形。为了揭示静动态外载荷对固-液结合面接触刚度及阻尼的影响，分别基于GW模型、KKE模型和AF模型对接触微凸体弹性/弹塑性/塑性变形展开研究，并结合流体动力润滑REYNOLDS方程，建立了考虑接触微凸体弹性/弹塑性/塑性变形的固-液结合面接触刚度及阻尼模型。并对其进行实验验证，结果表明：随着预载荷的增大固-液结合面法向动态接触刚度表现出先减小后增大的规律，当接触载荷小于某阈值时动态接触刚度较大，反之静态接触刚度较大；法向动态接触刚度随着法向相对位移幅值的增大而增大，在低载荷时呈线性规律，而高载荷呈非线性规律；法向动态接触刚度随激振频率增大呈线性增大，且载荷越大线性斜率越小。对于法向接触阻尼，随着法向相对位移幅值和接触载荷增大呈非线性增大，随着激振频率增大几乎不变。精确获得固-液结合面法向接触刚度和阻尼及其关键因素的影响规律，对机械系统的分析、设计、优化以及静、动态性能控制都具有重要的理论意义。
2021 Vol. 42 (6): 682-696 [
摘要
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697
薄板弯曲问题的神经网络方法
黄钟民 陈思亚 陈卫 彭林欣
为发展神经网络方法在求解薄板弯曲问题中的应用，基于Kirchhoff板理论，提出一种采用全连接层求解薄板弯曲四阶偏微分控制方程的神经网络方法。首先在求解域、边界中随机生成数据点作为神经网络输入层的参数，由前向传播系统求出预测解；其次计算预测解在域内及边界处的误差，利用反向传播系统优化神经网络系统的计算参数；最后，不断训练神经网络使误差收敛，从而得到薄板弯曲的挠度精确解。以不同边界、荷载条件的三角形、椭圆形、矩形薄板为例，利用所提方法求解其偏微分方程，与理论解或有限元解对比，讨论了影响神经网络方法收敛的因素。研究表明，本文方法对求解薄板弯曲问题的四阶偏微分控制方程具有一定的适应性，其收敛性受多种条件影响。相比有限元，该方法收敛速度较慢，在复杂的边界条件下收敛性不佳，然而其不基于变分原理，无需计算刚度矩阵，便可获得较高的计算精度。
2021 Vol. 42 (6): 697-706 [
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研究简报
707
地磁场环境下烧结钕铁硼疲劳破坏在线监测方法研究
严毅琪 孙鹏宇 殷金泉 程强强 夏桂锁 于润桥
作为一种典型的硬磁材料，烧结钕铁硼在疲劳断裂时具有突发性、不确定性和紧迫性等特性，难以对其疲劳裂纹扩展过程进行在线监测。为了实现对烧结钕铁硼零构件在长期服役期间疲劳破坏全过程的在线监测，本文根据力磁耦合效应构建了地磁场环境下烧结钕铁硼的疲劳状态演变方程，将磁感应强度值作为描述疲劳破坏的状态参数。利用高精度测磁传感器采集微磁信号，通过获取的磁感应强度值对烧结钕铁硼疲劳破坏过程进行在线监测。疲劳试验结果表明：磁感应强度值与多项式拟合曲线残差值变化趋势能够准确地预测烧结钕铁硼疲劳裂纹扩展过程中脆性疲劳断裂的时刻。同时，磁感应信号曲线的变化可以无失真地反映钕铁硼材料在应力作用下产生疲劳破坏的全过程。
2021 Vol. 42 (6): 707-717 [
摘要
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718
颗粒增强复合材料的屈服极限
Ruojing ZHANG 刘岩
基于渐近均匀化方法，导出了颗粒增强复合材料的屈服准则，给出了初始屈服应力的解析表达式。因为颗粒增强体的弹性模量远比弹塑性基体的弹性模量高，这个模量差在增强体和基体中产生了装配刚度。解局部问题可以得到该装配刚度。从屈服应力的表达式可以看出，增强体和基体两者的平均装配刚度和剪切模量之比决定了屈服应力的提高程度。给出了两个数值算例。采用菱形十二面体单胞求解了局部问题。取单胞形状为菱形十二面体的优点是增强体的体积比可以高达74%。
2021 Vol. 42 (6): 718-724 [
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725
六方氮化硼韧脆转变性能的理论研究
纪加超 苏文涛 Junhua Zhao
基于六方氮化硼原子间Tersoff势函数，本文建立了手性依赖的六方氮化硼“杆-簧”模型，得到了其在大变形下的非线性力学行为。结果表明六方氮化硼断裂模式从扶手椅型(Armchair，手性角为0o)到锯齿型(Zigzag，手性角为30o)由韧性断裂转变为脆性断裂。通过分析拉伸过程中键长键角变化情况，键角变化所起作用超过键长变化导致韧性断裂，而键长起主导作用时则为脆性断裂。探讨不同手性氮化硼非线性力学行为，获得两种断裂模式的分界点大约为手性角15o。相同条件下，石墨烯在拉伸过程中键长变化起支配作用，而氮化硼除了键长变化的影响之外，键角的变化对整个过程也有着至关重要的作用。最后，与分子动力学模拟结果对比显示本文的理论结果是可靠的。本研究对理解六方氮化硼优异的力学性能及其在微纳器件领域的应用提供了理论支撑。
2021 Vol. 42 (6): 725-735 [
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736
沥青混凝土级配曲线的数值设计方法与对有效弹性模量影响的研究
刘誉宏 罗威 叶永
沥青混凝土有效性能的预测和评估是其在道路工程与大坝防渗等应用中的关键问题。本文利用细观随机建模技术和有限元方法研究了级配曲线对沥青混凝土有效弹性模量的影响。首先，基于改进的蒙特卡洛法分别实现了服从工程筛分级配曲线或给定函数级配曲线的沥青混凝土细观随机模型的高效生成；然后，利用建立的模型分析了骨料的含量、弹性模量和试样尺寸对沥青混凝土的有效弹性模量的影响，并与实验结果进行对比，验证了所建模型的可靠性；从而，预测了在AC-13级配范围内级配曲线的凹凸程度，即粗细骨料的组成比例对沥青混凝土有效弹性模量的影响。结果表明，级配曲线的凹凸程度对其有效弹性模量影响存在较大差异，级配曲线的下凹(粗骨料占比增大)会导致有效弹性模量迅速增大，级配曲线的上凸(细骨料占比增大)也会引起有效弹性模量略有上升；另外提出的随机建模方法可实现对级配曲线，即对粗细骨料组成比例的定制设计.
2021 Vol. 42 (6): 736-745 [
摘要
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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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