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2022年 43卷 4期
刊出日期：2022-08-28
综述
研究论文
综述
369
FGHxx粉末高温合金疲劳损伤行为表征、评价与展望
王习术 刘安 许巍 张悦 梁准 何玉怀
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2022.008
FGHxx系列结构材料是我国近年来成功开发的损伤容限型粉末高温合金，由FGH95到FGH99系列，主要是通过材料的化学成分、制粉工艺及后续的热处理工艺参数等优化措施，达到提高在役温度下的强度、韧性性能，改善疲劳裂纹扩展阻力等目的。相比于材料工艺力学的现有研究成果，该系列材料在固体力学相关的疲劳损伤表征、寿命评价、微结构对疲劳裂纹萌生行为的研究存在显著滞后，尤其在损伤容限相关的关键科学问题以及工程关注的安全评估手段等有待深入探究。本文基于作者们对现有的FGHxx系列粉末高温合金疲劳损伤研究现状和关键科学问题的掌握和理解以及对应的部分实验研究结果，从材料微结构特征、疲劳数据分散特点、宏微观疲劳裂纹扩展行为、SEM原位测试、疲劳寿命预测模型、疲劳损伤安全区（三维K-T关系图）的建立等进行了评述和展望。
2022 Vol. 43 (4): 369-385 [
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研究论文
386
考虑形位公差的薄壁筒壳折减因子预测方法研究
王博 王法垚 马祥涛 郝鹏 章凌
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2021.064
缺陷敏感性是薄壁筒壳结构设计所面临的主要问题之一，通常利用折减因子来量化筒壳结构的缺陷敏感性程度。然而现有缺陷敏感性分析方法大多以预测筒壳折减因子下限为目的，未考虑不同形位公差水平对筒壳折减因子的影响。针对此问题，本文提出了一种考虑形位公差的薄壁筒壳折减因子预测方法。该方法基于多点最不利扰动载荷法进行最不利缺陷搜索，获得筒壳不同形位公差下的折减因子下限值，从而确定考虑形位公差的薄壁筒壳折减因子参考值，并利用不完全折减刚度法对计算过程进行加速。算例结果表明本文提出的筒壳折减因子预测方法可在保证安全可靠的前提下，有效提高折减因子预测精度，消除筒壳结构设计过程中不必要的安全裕度，对结构减重有积极意义。未来可基于本方法展开我国新一代航天结构薄壁筒壳折减因子设计规范的研究工作，进一步提高我国航天筒壳结构设计的精细化和轻量化水平。
2022 Vol. 43 (4): 386-396 [
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397
超弹-粘弹-损伤仿射微球模型及其应用
张成 苟晓凡 肖锐
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2022.001
硅胶弹性体PDMS，在多个领域有着广泛的应用。为了提高PDMS的力学性质，近期我们在PDMS材料中加入微米尺寸的玻璃微珠，这有效地提高了PDMS的模量。然而，玻璃微珠填充的PDMS材料在循环变形过程中，在第一个加卸载周期出现大的滞回圈，表现出明显的损伤行为，且后续加载过程中仍有稳定的较小的滞回圈，显示出一定的粘弹性特性，此外，卸载后材料有明显的残余应变。针对上述实验发现，本文建立了一个基于仿射假设的微球模型，分子链在各个方向上初始均匀分布，当受到加载后，各个方向上的分子链发生损伤行为和粘弹性松弛机制，导致不同方向的各向异性变形行为。该五参数的本构模型能够描述玻璃微珠填充弹性体的实验现象，包括不同周次循环加载的滞回圈形状以及残余应变的大小。该理论模型能描述各类软材料体系的复杂力学行为，有望为软材料的力学行为的预测提供有力的支撑。
2022 Vol. 43 (4): 397-405 [
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406
力-压电混合弹性超材料梁的带隙调节特性
王婷英 柴怡君 耿谦 杨雄伟 李跃明
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2022.002
为实现宽带低频减振，本文将力振子和串联负电容的压电分流振子分别置于基体上下两侧，设计了混合弹性超材料梁。基于传递矩阵法建立了理论模型，用于计算混合弹性超材料梁的频散关系和动态有效参数，通过有限元法进行了验证。分别采用理论方法和数值方法研究了电路元件参数对混合弹性超材料梁的带隙和振动衰减特性的调节机理，通过与单振子超材料的带隙对比，分析了两种振子间的相互影响。结果表明：电路元件参数主要影响压电分流振子产生的带隙的位置、宽度及带隙内的振动衰减程度；两种振子的带隙重叠区域不一定为通带；两种振子会因为负动态有效刚度范围靠近而相互影响。本研究将为此类超材料的设计提供参考依据。
2022 Vol. 43 (4): 406-418 [
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419
基于Ω形蜂窝的夹芯式大变形柔性蒙皮结构设计与性能分析
魏兆栋 高仁璟 刘书田 肖山
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2022.003
变体飞机根据不同飞行状态改变机翼形状以获得最佳的气动效能，从而提高在多工况下执行多目标任务的能力。表面结构的柔性蒙皮设计是实现变体结构的关键，需要设计具有足够协同变形能力的同时，还能够承受表面的气动载荷、保持光滑气动外形性能的柔性蒙皮结构。针对这一需要，本文提出一种基于Ω形蜂窝的夹芯式大变形柔性蒙皮结构（Ω形柔性蒙皮）。利用参数优化技术以最小化构型变形方向的刚度为目标确定Ω构型的拓扑结构；推导出Ω形蜂窝柔性蒙皮结构的面内等效弹性性能预测公式，并通过数值仿真分析了该结构的面内变形性能和面外承载能力。通过与蛇形蜂窝和正余弦蜂窝两种夹芯式柔性蒙皮结构的面内变形能力的对比分析，验证了该柔性蒙皮的良好性能。结果表明，所提出的Ω形柔性蒙皮结构具有良好的面内可恢复的大变形能力和面外承载能力。
2022 Vol. 43 (4): 419-433 [
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434
三维轮轨法向接触力学行为弹塑性理论分析
周雄飞 王金能 敬霖 王开云
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2022.004
基于Hertz接触理论和双线性强化模型，建立了轮轨法向接触弹塑性理论分析模型，分析了轮轨法向接触力学响应特征，讨论了轴重对接触压力和接触变形的影响规律。同时，基于三维轮轨接触有限元模型模拟了轮轨接触力学行为，并引入理论误差系数分析了弹性模型和双线性强化模型对轮轨接触力学响应预测结果的差异性。结果表明，轮轨最大接触压力和接触变形量均随轴重的增大而增大；双线性强化模型的理论误差系数较小，采用双线性强化分析模型能较准确地预测轮轨接触弹塑性力学行为。研究结果可为轮轨系统安全服役和损伤评估提供理论和技术支持。
2022 Vol. 43 (4): 434-445 [
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446
含机械调频式动力吸振器的准零刚度隔振系统隔振性能分析
汪新 刘彦琦 宋春芳 邓二杰 王友会
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2022.005
基于动力吸振器原理，在单自由度准零刚度隔振器基础上耦合可调频动力吸振器构成两自由度隔振系统。首先，对动力吸振器工作原理进行理论分析并提出其力学模型；其次，通过静力学分析，推导出系统满足零刚度条件时，各参数间的关系并分析其对系统刚度特性的影响；然后，建立两自由度隔振系统非线性动力学方程，利用谐波平衡法进行幅频响应解析分析，得到力传递率表达式；最后，数值分析动力吸振器阻尼、刚度、质量、激励力幅值和弹簧片有效长度对力传递率的影响规律，并与单自由度准零刚度隔振系统及两自由度线性隔振系统对比分析。结果表明：通过选择适当的动力吸振器参数不仅可以减小系统的起始隔振频率，增宽隔振频带，且还能加快系统力传递率在特定频段内的衰减速率，改善系统的低频隔振性能，实现激励频率的可适应性。
2022 Vol. 43 (4): 446-455 [
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456
混凝土构件中钢筋非均匀锈胀应力研究
金波 孙楠 方棋洪 谢军
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2022.007
研究钢筋锈蚀引起混凝土保护层开裂的机理，对于评估受锈蚀影响的混凝土结构剩余寿命具有重要意义。本文提出了一种求解钢筋非均匀锈蚀应力场的解析方法。基于Muskhelishvili的复变函数法和Verruijt共形映射公式，利用基于冯·米塞斯分布的钢筋非均匀锈蚀模型作为位移边界条件，得到了钢筋非均匀锈胀应力的解析解。通过与基于ANSYS有限元模拟结果的比较，验证了解析解的有效性。对比了不同锈蚀模式下引起的应力，发现非均匀锈蚀引起的最大应力远大于均匀锈蚀引起的最大应力。通过实例探讨了影响钢筋锈胀力的各个因素，研究表明：钢筋直径越大，锈胀力越小，混凝土保护层越容易开裂；混凝土保护层厚度越大，锈胀力越大；混凝土强度等级越高，钢筋锈胀力亦越大。为易受锈蚀影响的钢筋混凝土构件设计提供了科学依据。
2022 Vol. 43 (4): 456-466 [
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467
初应力下压电半导体板中SH波的传播特性
陈玉梅 杨耒
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2022.009
针对无限大n-型压电半导体板，论文理论研究了其在初应力作用下水平剪切波的传播特性。基于压电半导体三维宏观理论和边界条件得到色散关系，结合数值算例，系统分析了边界条件、初始载流子浓度、板的厚度和初应力大小对SH波传播特性的影响。此外，讨论了初应力下两种不同材料中的SH波传播。研究显示：较小的初应力对相速度影响很小可忽略，当初应力达到一定值时波速急剧下降；类似地，初应力足够大时衰减才会逐渐加强。计算结果对压电半导体器件设计具有一定的理论指导意义。
2022 Vol. 43 (4): 467-476 [
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477
基于多尺度模型解释固体中的挠曲电效应
马润玉 郝一涵 田新鹏 邓谦
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2022.014
挠曲电效应是一种跨尺度的多场耦合现象。当前的宏观挠曲电理论均是基于应变梯度局部破坏晶体反演对称这一微观机理对该现象进行唯象描述。该宏观理论与基于晶格动力学及密度泛函理论的微观挠曲电理论模型之间存在较大差异。难以将两者结合用以跨尺度地研究材料中的挠曲电效应。针对该现状，本文基于前人提出的原子场理论，建立了一种新的多尺度挠曲电模型。并在该多尺度模型框架下解释了应变梯度诱发极化的微观机理。一方面，与基于连续介质力学的唯象理论不同，本文从材料微结构演化的角度推导了原子位移与极化的关系。另一方面，与通过晶格波假设原子位移的微观理论不同，本文得到的极化表达式更加真实和广义地解释了挠曲电效应。其能够适用于材料边界存在机械力作用，材料内部存在缺陷等复杂的情况。本文所建立的多尺度挠曲电模型能够为后续多尺度挠曲电效应的研究提供一些思路。
2022 Vol. 43 (4): 477-484 [
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485
多孔介质声学:从微观几何特征到宏观吸声性能
何慕 罗未知 雷蕾 李登科 夏凉 史铁林
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2022.018
纤维材料和泡沫材料作为传统的多孔介质在中高频段上具有良好的吸声降噪特性，常常作为建筑、汽车、航空、工业及环境噪声控制中的重要选用对象。然而其复杂的微观几何结构以及多变的宏观吸声性能一直受到众多学者的高度关注和不断研究。这些研究往往由吸声机理出发，基于声学中的第一性原理，进行微观和宏观等多尺度下的探索，以发现或构造新的结构使材料的吸声性能表现更优。本文梳理了从微观几何结构分析到宏观吸声特性的研究脉络，并展示了近一二十年的研究方向和相关成果。首先介绍了多孔声学材料的微观结构特点、可视化途径以及表征其结构的相关几何参数，其次回顾了声学模型的发展历史、从其建立到不断完善的一系列过程，接着归纳了决定其宏观声学性能的物理量并探讨了它们的物理涵义，同时简述了材料宏观特性的理论推导计算、数值仿真方法以及实验测量手段等，而后列举了相关经验拟合公式以关联微宏双尺度用于分析影响吸声性能的关键因素，最后对后续研究发展进行展望。
2022 Vol. 43 (4): 485-518 [
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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