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2022年 43卷 2期
刊出日期：2022-04-28
研究论文
研究简报
研究论文
121
面向超低频振动能俘获的内共振升频式压电振子与性能分析
李森 吴义鹏 季宏丽 裘进浩
自然环境中的低频、超低频振动能分布十分广泛，但如何高效俘获依然是一个技术难题。本文主要研究了一种基于摆锤、内嵌式双悬臂梁、一对永磁铁和限位器的升频式超低频振动能量收集器，并对其进行了理论建模、仿真分析和实验验证。该振子结构可以利用1:2:6升频转换机制将初始激励的超低频率升高至6倍频的电压输出，有效地增大了压电元件的换能效率，提高了振子结构输出功率。该原型装置可以在频率2 Hz、幅值0.2 m/s 的激励下达到1.4 mW的能量收集水平，展现出了较高的能量俘获和转换潜力。
2022 Vol. 43 (2): 121-130 [
摘要
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180
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131
弹性波超材料板中拓扑交界态与缺陷保护的主动控制研究
孙文静 王毅泽
在波动周期结构中，六边形单胞是常见的具有动态拓扑性质的重复单元。本文设计了具有主动控制特性的六边形单胞，通过粘贴压电片并连接负电容电路对材料参数进行调控，实现了弯曲波拓扑交界态传输与缺陷保护特性的主动控制，并发现了该保护行为具有方向选择特性。上述工作将物理学与声学中拓扑态概念引入到弹性波超材料板中，从而实现了其中弯曲波拓扑传输的主动控制功能。
2022 Vol. 43 (2): 131-142 [
摘要
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144
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143
基于显微CT图像的近场动力学建模与复合材料微结构破坏模拟
张建宇 韩非 江柏红 林晔
随着纤维增强复合材料应用领域的不断扩展且用量激增，亟需理清复合材料微观结构损伤对宏观力学性能影响的内在机制。因此，发展针对纤维增强复合材料微结构破坏过程的建模与高效模拟方法就显得十分重要。本文借助显微CT(Micro-computed Tomography)扫描技术，提出了一种基于显微CT图像中像素点离散的近场动力学建模与模拟方法。一方面，近场动力学作为一种由积分方程建模的非局部理论，便于采用基于空间点离散的数值计算方法，相比传统的连续介质力学能够更有效地模拟材料从连续变形到裂纹萌生与扩展(非连续变形)的全过程。另一方面，对显微CT图像使用像素点灰度阈值分割处理技术，能够快速建立含有复合材料原位微结构信息的空间点离散模型。该离散模型可以直接用于微结构破坏过程的近场动力学模拟，从而避免了传统的数值模拟技术需要依据像素点先建立光滑的几何模型、再划分成有限单元网格的复杂前处理过程，并且极大地保留了复合材料的原位组分分布信息。数值模拟结果表明，基于显微CT图像的近场动力学建模方法能够精确捕捉到复合材料微结构信息，并能准确模拟纤维增强复合材料的微结构破坏过程。
2022 Vol. 43 (2): 143-157 [
摘要
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158
热载荷作用下对称S型功能梯度圆板的非线性力学行为
甘勇天 马连生
本文研究了热环境中陶瓷-金属-陶瓷功能梯度圆板（S-FGM）的过屈曲和弯曲行为。圆板材料组分的体积分数符合Sigmoid定律，并承受沿圆板厚度方向变化的温度场作用。基于经典板理论，用能量法导出了对称S-FGM圆板静态问题的非线性平衡方程。用打靶法对所得方程进行了数值求解，并利用数值结果研究了不同边界条件、材料的组分、热载荷等因素对对称S-FGM圆板力学行为的影响。数值结果表明：对称S-FGM圆板相较于普通FGM圆板，其力学行为存在一些不同之处，且板的上下表面温升比对S型功能梯度圆板的力学行为有着显著的影响。
2022 Vol. 43 (2): 158-167 [
摘要
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168
考虑Steigmann-Ogden表面的微纳米圆柱解析模型
杨博 高梦园 王冠楠
基于Steigmann-Ogden（S-O）表面理论，研究了圆柱形微纳米材料在轴向对压荷载作用下的力学性能。利用级数展开求解材料内部的弹性控制方程，获得了考虑表面效应时的域内解析表达式。当所得结果忽略表面弯曲参数时可退化为Gurtin-Murdoch（G-M）表面模型。用文献中有限元数值结果对本理论进行退化验证，结果得到良好一致性。在此基础上，讨论了表面弯曲参数和圆柱尺寸大小对材料特性的影响。结果显示：考虑了表面弯曲效应的S-O模型和G-M模型在应力分布中有很大的不同。另外，随着圆柱尺寸的减小，其表面效应对材料的力学特性的影响逐渐增大。
2022 Vol. 43 (2): 168-176 [
摘要
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研究简报
177
纳米晶体铝在单轴拉伸下的位错堆积对微裂纹扩展的影响
李文俊 张雪朋 江晓禹
摘要：针对纳米晶体材料，研究了单轴拉伸载荷作用下纳米晶体铝中的裂纹与裂纹尖端发射的位错所形成的滑移面之间的相互作用。通过分布位错法，将裂纹和滑移面等效为均匀分布的连续位错，获得了裂纹面上应力场。并引入裂纹尖端的无位错区，研究了裂纹尖端无位错区对微裂纹的萌生和主裂扩展之间的影响。结果表明，不考虑裂纹尖端无位错区时，裂纹长度较短，会先在晶界处形成微裂纹，主裂纹较长时，主裂纹会直接穿晶扩展。滑移面与裂纹尖端夹角较大时，会增加裂纹尖端发射的位错个数，从而抑制主裂纹的扩展。考虑裂纹尖端无位错区时，无位错区先于晶界处出现微裂纹，通过主裂纹与微裂纹之间位错的相互发射，导致裂纹与尖端处微裂纹汇合，有效加速了主裂纹的扩展。
2022 Vol. 43 (2): 177-185 [
摘要
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186
基于泛形理论的粗糙表面法向接触刚度研究
来延伟 曹小杉 上少飞 师俊平
基于泛形理论和赫兹接触理论，通过泛形海岛分布描述粗糙表面的形貌从而建立结合面弹性接触模型，求解结合面的法向接触刚度。假设粗糙接触表面微凸体的高度满足高斯分布，通过赫兹接触理论建立单个微凸体的微观接触模型，利用粗糙表面的泛形复杂度D与面积度量尺码的最小下确界as确定表面形貌。泛形复杂度反映微凸体在粗糙表面上占据的空间大小程度；度量尺码下确界是接触过程中的最小接触面积。通过泛形复杂度和面积最小下确界推导出粗糙表面法向接触刚度的解析表达式。数值算例结果表明：在相同的面积尺度区间内，粗糙表面的法向接触刚度随着泛形复杂度的增加而增加，反之减小。当接触表面的泛形复杂度不变时，粗糙表面的法向接触刚度随最小下确界的减小而增大。泛形复杂度的较大时，最小下确界的变化对于接触刚度的影响更加明显。通过与已发表的文献结果对比分析之后，发现采用泛形海岛模型所得到的结合面接触刚度与文献中实验结果吻合较好。
2022 Vol. 43 (2): 186-194 [
摘要
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168
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195
温度梯度对热致型形状记忆聚合物板力学性能的影响
刘兵飞 黄涛涛 周蕊
形状记忆聚合物作为一种新型的智能材料，由于质量轻、成本低以及变形回复率大等优势，已经在航空、医学等领域得到广泛应用。当前对于热致型形状记忆聚合物力学行为的研究，大都集中在整体变温的情况下，随着应用环境的越来越广泛，温度梯度对材料力学性能的影响效果越发重要。本文在均匀应力的假设下，给出材料在不同初始和传热条件下的温度梯度分布情况，结合传热学和热致型形状记忆聚合物相变理论本构模型，分别讨论了不同温度梯度对存储应变、弹性模量等力学性能的影响，通过理论分析和实验数据对比验证了模型正确性。本文研究可为不同导热情况下，对热致型形状记忆聚合物力学行为监测提供思路，也为形状记忆聚合物的进一步工程应用提供理论依据。
2022 Vol. 43 (2): 195-207 [
摘要
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208
基于修正权函数的多裂纹无网格模拟
聂峰华 李冬明 刘斌
本文采用了一种基于不连续场修正权函数的无网格方法来处理二维平面多裂纹问题。相较于传统的无网格断裂不连续场和奇异场模拟方法，修正权函数法算法简便易实现。采用修正权函数处理多裂纹时，只需要对每一段裂纹周围节点的权函数进行修正，就能同时模拟多裂纹不连续位移场和多裂尖奇异场。本文采用基于不连续场修正权函数的无单元Galerkin方法（EFGM），对Y型裂纹板、十字型裂纹板和孔边双裂纹板进行了分析。数值结果表明，在不引入扩展基函数情况下，通过修正权函数法能够得到精度较高的应力强度因子解，能较好地拟合多裂纹的裂尖奇异场。
2022 Vol. 43 (2): 208-219 [
摘要
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220
基于粒子滤波的烧结钕铁硼材料疲劳破坏预测方法研究
严毅琪 孙鹏宇 程强强 熊乐超 于润桥
针对烧结钕铁硼在服役期间产生疲劳破坏过程的突发性和不确定性，提出了一种粒子滤波与微磁监测方法相融合的疲劳破坏预测方法。通过将烧结钕铁硼的力磁耦合模型引入粒子滤波理论框架中，设计了基于相对磁导率的粒子滤波状态方程，并采用构建的微磁监测系统来获取烧结钕铁硼疲劳破坏过程中不断变化的磁感应强度信号，建立了基于磁感应强度的粒子滤波观测方程。进一步地，将状态方程和观测方程联立，实现了基于粒子滤波方法的烧结钕铁硼疲劳破坏预测过程。试验结果表明:粒子滤波方法对于烧结钕铁硼疲劳破坏演变过程的预测具有良好的可靠性和准确性，其中在疲劳载荷为120MPa时粒子滤波预测结果的RMSE（Root Mean Square Error，均方根误差）仅为76.69，是支持向量机预测结果的1/4。本研究为脆性磁体的疲劳损伤预测提供了新的思路。
2022 Vol. 43 (2): 220-233 [
摘要
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234
考虑前屈曲耦合变形时功能梯度简支梁的稳定性分析
马连生 戚鹏程
在某些边界条件下，功能梯度材料（FGM）梁会由于拉弯耦合产生前屈曲耦合变形，而该变形对FGM梁的稳定性有影响。本文假设FGM梁的材料性质只沿厚度方向进行变化，基于经典非线性梁理论和物理中面概念，推导出FGM梁的平衡方程以及包含前屈曲耦合变形影响的屈曲控制方程，并用打靶法进行数值求解。讨论了前屈曲耦合变形、梯度指数以及材料性质的温度依赖等因素对FGM梁非线性变形和稳定性的影响。
2022 Vol. 43 (2): 234-242 [
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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