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2023年 44卷 2期
刊出日期：2023-04-28
研究论文
研究论文
133
等参三角形热夹杂的构造及位移场数值计算
龚诗雨 朱凯 陈楠 蒋志桢 刘宽宇 李璞 金晓清
在材料制备和机械设计中，局部温度升高是造成材料失效和故障形成的重要因素之一，而在微观力学中，采用热夹杂模型可以定量深入地揭示由局部温度升高所关联的力学机理。在过往的研究中，受均匀热本征应变的夹杂模型广受关注；而相关非均匀分布的热本征应变问题，因其理论推导复杂而研究不多。本文首先给出在平面无限域中，受线性分布热本征应变作用的多边形夹杂的位移场解析解。基于格林函数法和围道积分，推导边界线单元的位移响应封闭解，该解通过叠加可直接给出线性热本征应变作用下的任意多边形夹杂的解析表达式。受有限元分析中等参单元思想的启发，本文在上述研究的基础构建了一种等参三角形夹杂模型，可用于便捷处理受任何分布热本征应变的任意形状二维Eshelby夹杂问题。相较于传统的有限元分析，本文所构建的数值求解方案可方便实施且优势明显：只需在夹杂域上进行三角形网格剖分、而无需在无限的基体域上划分网格，因而可以极大地提高前处理便捷性及计算效率。所给出的算例验证表明，即使对于复杂的热本征应变问题，本算法仍具有良好的精度和可靠性。
2023 Vol. 44 (2): 133-143 [
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144
基于平台圆环试样的无机玻璃动态拉伸性能研究
江斌 丁翼 郭亚洲 李玉龙
无机玻璃的拉伸强度往往远小于压缩强度，服役过程中玻璃大多会发生拉伸断裂。本文采用平台圆环(flattened circular ring, FCR)试样测试钠钙硅酸盐玻璃的拉伸性能。分别利用电子万能试验机和电磁分离式Hopkinson压杆(electromagnetic split Hopkinson pressure bar, ESHPB)开展准静态、动态单轴单向和单轴双向实验，加载过程中采用高速相机对试样的破坏过程进行观测。结果显示，该材料试样强度具有明显的正加载速率相关性。动态单轴双向加载可比单向加载更快实现应力平衡，但两种应力波加载方式下试样的动态拉伸强度大致相同。高速摄像与动态加载同步分析表明，这是因为试样的裂纹产生时刻与应力峰值时刻几乎同时产生。对三种形式的拉伸实验结果进行对比，发现拉伸强度受试样形状影响，这与试样断裂路径上的拉伸应力分布有关。
2023 Vol. 44 (2): 144-156 [
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157
InSb薄膜剪切性能研究
丁逸轩 陆忠涛 李国栋
InSb薄膜广泛应用于高精度的光电存储、红外探测等技术中。为了提高InSb材料的剪切强度，优化其力学性能，本文对InSb薄膜分别从不同厚度、温度、滑移系取向、孔洞密度等几个方面，对InSb薄膜的剪力响应及其原子构型演变进行分析，以研究其剪切强度和韧性的影响因素。发现厚度较大的薄膜具有更大的弹性模量和极限强度。而温度升高会导致材料的强度极限以及剪切韧性降低。同时还观察到10%孔洞密度下孔洞形状对材料的剪切性能有明显影响而20%孔洞密度下形状不再明显影响材料的剪切性能。此外在不同滑移系取向的研究中发现，滑移系取向对于材料的剪切强度和剪切韧性的影响是不同步的，例如(110)[1-10]滑移系下剪切强度降低而剪切韧性增强。上述结论对于提升InSb材料的剪切性能，合成出具有优异力学性能的InSb光电、磁敏材料具有指导意义。
2023 Vol. 44 (2): 157-171 [
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172
单晶硅智能切削退火至开裂过程中氢离子、晶体缺陷和应力演化的分子动力学研究
李宗阳 王冰 陈祥锐 古斌
利用分子动力学模拟了智能切削技术中的离子注入过程和退火至开裂过程，重点研究退火至开裂过程中注氢单晶硅微纳尺度下的开裂行为，以及氢原子数目、硅晶体缺陷大小和平均正应力等参数沿注入方向分布的演化规律。研究结果表明：硅晶体开裂经历空位点缺陷形核和生长，但无明显的空隙缺陷局部扩展、空位缺陷生长并引起显著的空隙缺陷局部扩展、空隙缺陷Ostwald生长等三个阶段。开裂位置与注入过程后氢原子分布的浓度峰重合。在三个阶段中，由于氢扩散和变形的影响，氢原子、晶体缺陷和应力的分布随退火至开裂过程进展呈现不同的演化特性。此外，化学成键分析表明氢与硅发生化学反应，形成不同形式的硅氢化合物，退火至开裂过程中硅氢化合物将发生转化。本文建立的系统定量分析智能切削中晶片开裂的数值方法，可进一步用于智能切削技术的改进和优化。
2023 Vol. 44 (2): 172-184 [
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185
利用时滞反馈对飞机起落架半主动控制系统进行等峰优化
宋克健 赵艳影 王长利
提出了一种利用飞机起落架摆振系统磁流变阻尼器中存在的时滞来降低侧摆振幅的方法。首先，考虑在利用磁流变阻尼器控制侧摆角的过程中所产生的时滞以及起落架系统中的侧向位移、侧摆角建立了起落架摆振系统振动微分方程，通过特征方程求解出侧摆角与外激励频率之间的关系。然后，由于第二共振峰的幅值较大，造成两峰之间幅值差过大，设计了一种等峰优化方法，并设计了优化准则，有效的降低了第二共振峰的振幅，并且使两峰差控制在极小的范围之内。最后对所设计的优化准则在时域、频域上进行验证分析，验证了计算过程的准确性以及时滞系统对降低两峰之差所带来的优益性。
2023 Vol. 44 (2): 185-196 [
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197
“V型”约束下泡沫铝夹芯圆管的准静态横向压缩性能研究
于学会 王茗仕 杨彦
本文对受“V型”约束泡沫铝夹芯管的准静态横压性能进行了实验研究，观察到三种失效模式包括整体屈服、芯材剪切和局部凹陷。分析了泡沫铝夹芯管的几何参数和横向约束夹角的角度对其失效模式和承载与吸能能力的影响。结果表明，泡沫铝芯材的厚度对三种模式的竞争具有重要影响；在准静态横向压缩下，泡沫铝夹芯管的承载与吸能能力大于对应的空管；泡沫铝夹芯管的承载与吸能能力随着外管直径的增加而增加，随着内管直径的增加而减小；“V型”约束夹角的角度越大，泡沫铝夹芯管的承载与吸能能力也越高。
2023 Vol. 44 (2): 197-208 [
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基于GABP的压力容器表面裂纹断裂研究
张邢 胡义锋 李群 师俊平 梁浩 徐勇 张柏华 曹小杉
压力容器在长期运行过程中表面裂纹问题难以避免，进行基于断裂分析的安全评估对压力容器的稳定运行具有较强的现实意义。针对二维J-积分理论难以应用于表面半椭圆裂纹，数值模拟耗时冗长的问题，本文提出一种采用三维J-积分量化压力容器表面裂纹尖端应力强度，再结合神经网络进行预测的安全评估方法。通过有限元方法计算了1200例不同几何尺寸、裂纹尺寸和内压载荷的含表面裂纹的压力容器问题，分析了半椭圆裂纹尖端三维J-积分结果，构建修正系数F表征材料性能、裂纹尖端奇异性以及容器几何特征对三维J-积分的影响。基于生成的机器学习数据集，搭建反向传播神经网络(BPNN)模型，采用遗传算法优化，形成GABPNN预测模型。结果表明：BPNN和GABPNN模型预测精度高达96%以上，在未知数据上亦可以取得较为准确的结果，可以高效地预测裂纹尖端三维J-积分，对于实现计算机辅助压力容器安全性现场快速评定提供新的思路和方法。
2023 Vol. 44 (2): 209-221 [
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222
碳纳米管增强硫化天然橡胶拉伸性能的分子动力学模拟
闫宏远 杨洋 郭荣鑫 范正明
基于分子动力学（MD）模拟方法，建立了碳纳米管/天然橡胶复合材料体系模型，采用ReaxFF势函数，模拟了不同碳纳米管（CNT）含量的复合材料的拉伸过程。通过计算复合材料体系的自由体积分数、均方位移及回转半径，分析了材料基本微观性质和碳纳米管团聚的机制，计算结果与实验相符。通过碳纳米管与天然橡胶界面能的计算，发现在加载过程中系统总势能的变化主要由硫化天然橡胶基体引起，其中非键能起主导作用；碳纳米管由于其自身力学性能较好，且与天然橡胶分子链相互作用产生界面能，导致材料力学性能提升，材料的屈服应力随碳纳米管含量的增加而显著升高。
2023 Vol. 44 (2): 222-231 [
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232
SMA叠层变刚度水平万向阻尼器滞回性能研究
李安邦 黄烜 聂彪 徐善华
利用NiTi形状记忆合金（Shape Memory Alloy，简称SMA）的超弹性特性，开发了一种新型SMA叠层变刚度水平万向阻尼器，介绍了其基本构造和工作原理，建立了阻尼器恢复力计算模型并开展了滞回性能参数分析，研究了SMA张拉应变、SMA直径、阻尼器层数以及每层SMA丝根数对阻尼器行程、刚度、耗能、等效阻尼比的影响。研究结果表明：SMA叠层变刚度水平万向阻尼器的恢复力-位移滞回曲线呈饱满的纺锤形，阻尼器具有良好的能量耗散能力、自复位功能、大行程以及变刚度特性；随着SMA张拉应变由0.03不断增大至0.06，阻尼器最大行程不断减小而单位循环耗能呈先增大后减小趋势；随着SMA直径不断增大，阻尼器刚度和耗能能力不断增大而最大行程和等效阻尼比不变；随着叠层层数不断增大，阻尼器最大行程和单位循环耗能不断增加而刚度不断降低；随着每层SMA布置数量由8根增大至16和32根，阻尼器刚度和单位循环耗能不断增大而最大行程和等效阻尼比变化不明显。
2023 Vol. 44 (2): 232-248 [
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249
光滑边域连续-非连续细胞自动机在裂纹开裂扩展中的应用
唐志丹 晏飞 李云 任玲瑛 汪晓宇 罗贞华 马耀 杨皓然 郑虹
针对岩石裂纹开裂扩展问题，将应变光滑技术与连续-非连续细胞自动机方法相结合，构建了非连续裂纹贯穿单元和裂纹尖端单元光滑应变场，提出快速自适应光滑边域连续-非连续细胞自动机方法。建立了裂纹贯穿单元和裂纹尖端单元的光滑应变矩阵求解方法，利用高斯散度定理将单元的区域积分转换为光滑域边界线积分，推导给出了光滑边域连续-非连续细胞自动机应变矩阵计算表达式，并提出了快速自适应更新方法，建立了加速因子随元胞更新而同步更新的自适应加速算法，基于此，最佳加速因子随更新自动获得，收敛速度较传统细胞自动机方法得到极大提高。利用C++编制了分析计算程序，针对多裂纹开裂扩展过程进行了模拟，并与扩展有限元进行了比较。研究发现，光滑边域连续-非连续细胞自动机方法在解的精确性、稳定性和收敛性上较扩展有限元有显著优势。
2023 Vol. 44 (2): 249-263 [
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264
基于内动力的对径压缩岩石拉张破裂演化规律研究
赵娜 孙境艺 王来贵
岩石是一种复杂的天然非均匀脆性材料，拉压性能差距较大，拉破坏往往控制着岩石工程整体的稳定性。论文将岩石内部某一点在一定尺度范围内所受内力的差异性定义为内动力，进行了对径压缩岩石拉张破裂裂纹扩展实验。采用高速摄像机捕捉破裂瞬时拉张裂纹扩展过程并用数字散斑软件分析第一主应变演化过程。采用连续-非连续方法模拟对径压缩岩石拉张裂纹扩展过程。从实验结果可以看出：拉张破裂裂纹扩展分为三个阶段：拉张破裂变形累计阶段（宏观无裂纹）、拉张破裂裂纹稳定扩展阶段、拉张破裂裂纹动态张裂阶段。将实验、数值计算结果与解析解进行对比分析，实验与数值计算结果扩展规律基本一致，但是与弹性力学解析解不同。解析解基于均匀性假设，而外载荷及岩石本身是非均匀的。外载荷及岩石本身的非均匀性是裂纹起裂点、扩展路径与解析解不相同的主要原因。综合分析给出拉张破裂裂纹扩展规律：当外载荷作用下内动力超过原子或分子连接力则裂纹扩展，扩展方向与内动力的方向垂直。岩石拉张破裂裂纹扩展演化规律的研究可为岩石工程拉张破坏的预防和控制提供理论依据。
2023 Vol. 44 (2): 264-272 [
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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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