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2023年 44卷 1期
刊出日期：2023-02-28
综述
研究论文
综述
1
金属结构材料腐蚀疲劳寿命预测模型的研究进展
徐会会 奥妮 吴圣川 吕昭 沈朝 吴伟 刘智勇 康国政
腐蚀疲劳是工业装备的主要失效模式之一。随着新技术的不断发展，航空航天、轨道交通、海洋设施等重大装备向着高可靠性、长寿命及智能化方向发展，亟需准确、高效的腐蚀疲劳寿命预测方法。本文对金属材料的腐蚀疲劳损伤机理进行了简要总结并对寿命预测模型进行了系统归纳与评述，提出未来的研究趋势与方向。具体地，首先介绍了腐蚀坑的萌生和生长、裂纹萌生及扩展的机理；其次总结了预腐蚀疲劳的断裂力学及损伤力学寿命预测模型，再次归纳了腐蚀疲劳的断裂力学、损伤力学及数据驱动寿命预测模型；进一步地，综合概括了现有寿命预测模型的优点和不足；最后，基于当前的研究指出未来可能的发展方向，一方面可以借助三维成像技术实现蚀坑向裂纹转变阶段和短裂纹扩展阶段的可视化研究，以改进现有的断裂力学模型；另一方面可以建立新型的多尺度多阶段寿命预测模型或利用新兴的数据驱动-物理融合方法实现腐蚀疲劳寿命预测。
2023 Vol. 44 (1): 1-33 [
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研究论文
34
压电智能复合材料层合梁的力电耦合模型及层间应力分析
马瑞 宋厚利 张超
由于非凡的物理性能，石墨烯纳米片（GPL）被认为是最有吸引力的复合材料增强材料之一。GPL增强材料可以明显提高聚偏氟乙烯（PVDF）压电性能和力学性能。在力电载荷作用下，对含均匀石墨烯薄片增强（GPRC）智能压电复合材料层合梁层间应力预测至关重要。若对受到力电耦合作用且层与层之间材料性能突变的压电层合梁层间剪切变形预测有误，则其层间应力过大可能导致层间失效。因此，本文提出一种适于分析此类问题且满足层与层之间相容性条件的有效力电耦合模型，用于含GPRC致动器的复合材料层合梁层间应力分析。应用Reissner混合变分原理（RMVT），可以提高考虑力电耦合效应的横向剪应力预测精度。三维 (3D) 弹性理论和所选模型计算结果将用于评估所提梁模型性能。此外，还从力电载荷、压电层厚度、石墨烯体积分数和长厚比等方面对含GPRC致动器复合材料层合梁力学响应特性进行了系统的研究。
2023 Vol. 44 (1): 34-46 [
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47
具有表面效应的球形纳米电极颗粒中的反应-扩散-力学全耦合分析
肖军文 锁要红 赵文锐
面效应在纳米电极颗粒中占有主导地位，本文首先建立了锂离子电池充放电过程中考虑表面效应的反应-扩散-力学全耦合模型。然后对比了有无表面效应对锂离子浓度、径向应力和环向应力的影响。最后探讨了反应系数和尺寸效应对浓度和扩散诱导应力的影响。数值结果表明表面效应随着充电时间的增加逐渐减小直至充电结束趋于稳定；表面压效应对本模型的浓度无影响但抑制了扩散诱导应力的增加；较慢的化学反应和较小的纳米电极颗粒尺寸效应可抑制电极应力的增加。
2023 Vol. 44 (1): 47-54 [
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55
三维机织复合材料细观几何建模研究
孙方方 顾利俊 周海丽 黄建 李超 张立泉
本文提出一种简化的纱线变形方法建立三维机织复合材料细观几何模型，考虑了纱线截面形状、纱线截面扭转、纱线弯曲系数等模型参数，建立了模型参数可灵活调整的建模方法。采用该方法分析了纱线的层数、模型尺寸、纱线的弯曲系数对材料性能的影响。结果表明，当纱线层数较小时，表层的边界效应对材料性能影响较大，厚度方向不建议采用周期性边界条件；在自由边界条件下，模型长度约为2倍单胞、宽度约为1.5倍单胞尺寸时，可以实现刚度测试误差范围控制在2%以内。此外，纱线弯曲系数对复合材料单胞刚度计算结果有较大影响，适当的纱线弯曲系数能够使刚度计算误差控制在7%以内。
2023 Vol. 44 (1): 55-69 [
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基于双向渐进结构优化法的“破损-安全”结构轻量化设计
冯佳 吴艳发 邱文科 黄舟 夏凉
“破损-安全”(fail-safe)设计通过冗余载荷路径设计提升结构的损伤容限(残余承载能力)，是保障飞行器结构安全性的重要设计环节；与此同时，冗余结构形式不可避免地导致重量增加、效率降低，严重制约飞行器结构性能的进一步提升。本文基于双向渐进结构优化法(Bi-directional Evolutionary Structural Optimization)，提出了一种“破损-安全”结构轻量化设计方法。具体地，设计方法采用“0/1”离散拓扑变量，以结构重量(材料用量)最小化作为优化目标，同时对局部破损结构的承载形变进行约束(低于安全阈值)。针对渐进结构优化法难处理多设计约束的瓶颈，采用p范数法对局部破损结构的最大承载形变进行凝聚，并通过拉格朗日乘子将其耦合至优化目标函数，实现结构轻量化与“破损-安全”的同步设计。进一步地，并依据最大残余承载形变对局部区域破损之于“破损-安全”的影响程度进行判定，通过免除低影响局部破损区域的残余承载形变分析与约束，大幅度地提升了优化设计效率。通过系列基准测试算例，验证了本文“破损-安全”设计方法的有效性及高效性。
2023 Vol. 44 (1): 70-83 [
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质量周期分布对偏心旋转环状结构自由振动的影响
王一凡 王世宇 魏振航
工程实际中，某些旋转对称设计结构由于存在制造安装误差常呈现偏心旋转状态，进而影响结构稳定性。针对该类环状周期结构，考虑其偏心运动，研究附加质量周期分布参数以及偏心率对系统固有频率与动力稳定性的影响。首先，在环状结构上建立随动坐标系，利用Hamilton原理建立动力学模型。其次，采用经典振动理论求解系统的特征值，分析不同参数组合下的模态特性和不稳定性。最后，利用数值法计算系统的动态响应，并与解析结果进行对比。结果表明，当附加质量个数与波数满足一定关系时，固有频率发生分裂；对于不同的偏心率和周期分布特征，系统在不同转速下动力性能差异较大，适当提高偏心率、选取合适的附加质量个数及大小可有效抑制不稳定性。此研究有助于分析工程实际中该类结构的动力学稳定性，为其振动控制提供借鉴。
2023 Vol. 44 (1): 84-95 [
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功能梯度板弯曲和自由振动分析的简单精化板理论
高祥雨 王壮壮 马连生
本文提出了一种可用于分析功能梯度板弯曲和自由振动行为的简单精化板理论。该理论分析功能梯度板的弯曲时只需三个未知量，而分析功能梯度板的自由振动时只需一个未知量。与包含三个未知量的经典板理论相比，本文提出的简单精化板理论考虑了横向剪切效应，提高了计算准确度。与一阶剪切变形板理论不同，该简单精化板理论引入了多项式型剪切应变函数，满足板上下表面剪切应力为零的边界条件，因此不需要剪切修正。通过与已有文献的比较，验证了该简单精化板理论的准确性和便捷性，并基于该简单精化板理论研究了功能梯度板的弯曲和自由振动力学行为。
2023 Vol. 44 (1): 96-108 [
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一维六方准晶层合简支梁自由振动与屈曲的精确解
陈韬 郭俊宏 田园
伪Stroh型公式能够将多场耦合材料的控制方程转化为线性特征系统来求解，从而获得多层结构简支边界条件的精确解。本文利用伪Stroh型公式，研究一维六方准晶层合简支梁的自由振动和屈曲问题，通过传递矩阵法，获得准晶层合梁自由振动固有频率与临界屈曲载荷的精确解。通过与已有梁的剪切变形理论结果比较，验证了本文伪Stroh型公式的正确性和有效性。通过数值算例，分析由两种不同准晶材料组成的三明治层合梁的叠层方式、高跨比、层厚比及层数对梁的固有频率、临界屈曲载荷及其模态的影响规律。结果表明，叠层顺序和梁的高跨比、层厚比对准晶层合梁的自由振动固有频率和临界屈曲载荷有很大影响，可通过调整梁的几何尺寸和叠层顺序得到准晶层合梁的最佳固有频率和临界屈曲载荷。本文给出的精确解可为工程上研究准晶梁的各种数值解法和实验方法提供理论参考。
2023 Vol. 44 (1): 109-119 [
摘要
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120
多铁性扇环截面柱体中的波传播
周云英 刘东滢 侯定贵
本文基于线性磁电弹性理论，研究了具有扇环形截面的多铁性柱形波导中的弹性波传播问题。利用波动势函数法，解析推导获得波动特征方程，进而得到弥散关系。通过算例研究了波传播的关键特性，深入分析了弥散曲线、相速度曲线和截止频率变化情况。结果显示，波的相速度和截止频率非常依赖于波导结构的扇环截面半顶角、内外径比和层合界面的弱界面系数，对于给定材料的波导结构，这些参数也是控制其弥散特性的重要影响因素。值得指出的是，在柱面应力自由的边界条件下相速度曲线中存在独特的频率带隙，而这通常是在周期结构中才会出现。
2023 Vol. 44 (1): 120-132 [
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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