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2023年 44卷 5期
刊出日期：2023-10-28
研究论文
研究论文
555
基于柔性模板曲率调控的毛细液桥组装新方法
孙继达 姚寅 彭志龙 张博 陈少华
功能分子的组装方向和速率高度可控，使得毛细液桥组装方法在制备多维微结构方面具备独特优势，进而在生产拥有新颖光，电，磁等特性的微纳电子器件方面具备潜在的应用价值。但该方法为了控制功能分子的组装方向，往往依赖于光刻制备且侧面需疏水修饰的模板，从而使该方法步骤繁琐且生产成本较高。为了解决上述问题，本文首先通过数值仿真以及理论分析指出模板的本质作用是通过锚定作用调控液桥表观接触角，从而决定功能分子组装方向。基于上述结论，本文分析了模板曲率调控液桥表观接触角的理论机制，并通过数值仿真以及实验验证了通过柔性模板弯曲变形调控液桥表观接触角的可行性。通过对弯曲方向以及弯曲程度的简便调控，本文成功组装得到结构宽度可调的环形结构。此工作提供了一种简单易行的毛细液桥组装新方法，可以更加高效的调控功能分子组装，为其实现在微纳电子器件方面的应用提供了新的思路。
2023 Vol. 44 (5): 555-564 [
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565
单晶I型弹塑性开裂取向效应的离散位错动力学-近场动力学研究
董文博 陈子光
本文采用基于近场动力学框架的位错动力学叠加模型对FCC单晶在四种不同取向下的I型弹塑性开裂行为进行模拟研究。在模型中，无需预设裂纹扩展路径和内聚力区域，裂纹扩展路径由位错与裂纹的相互作用自动确定。数值计算了FCC单晶体在不同取向时的位错分布演化和裂纹扩展路径。分析表明取向会影响韧性和断裂行为，并证实了单晶体的单轴拉伸开裂行为遵循施密特因子关系，即位错更倾向于在施密特因子大的滑移面上形核并滑移。计算得到位错裂纹演化结果显示，不同取向时位错在滑移系上的分布和演化行为会导致不同晶体断裂模式。
2023 Vol. 44 (5): 565-577 [
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578
预扭转单晶铜棒拉伸行为的分子动力学模拟
米俊儒 杜欣 桂杨 张波 阚前华 张旭
一维纳米材料具备与宏观材料不同的力学性能，在微纳米设备中拥有开阔的应用前景。采用分子动力学方法研究了预扭转角度、纳米棒长径比、拉伸应变率对预扭转单晶铜棒的拉伸行为的影响。结果表明：在较高应变率下，预扭转变形会导致轴向<100>取向单晶铜纳米棒屈服强度降低而拉伸流动应力提高，通过对位错结构演化过程分析发现，流动应力的提高是由于预扭转变形产生的位错网对拉伸过程中位错运动的阻碍作用；随着预扭转角的增大，初始位错密度先增大后减小，因此在随后拉伸加载过程中流动应力先增大后减小；由于初始位错网会缓解纳米棒拉伸过程中的局部应力集中，预扭转对拉伸流动应力的提升效果随纳米棒长径比的增大而增强。而在较低应变率下，预扭转产生的位错缓解了位错饥饿现象，使纳米棒的流动应力相比高应变率情形下有所降低。通过系统地研究单晶铜纳米棒预扭转再拉伸行为，有望为理解纳米棒在复杂载荷下的塑性变形机理提供理论支撑。
2023 Vol. 44 (5): 578-590 [
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591
低剂量辐照损伤氮化镓材料的分子动力学模拟及其力学性能变化
徐浩 李田坤 尚福林
本文使用分子动力学模拟方法，根据已有的辐照仿真试验结果与理论分析结果，建立一套有效的辐照模拟方法用于模拟纤锌矿结构氮化镓（GaN）材料在长时间低剂量辐照环境中的损伤情况。首先模拟了GaN材料受不同入射能量初级离位原子（PKA）的级联碰撞过程，并分析了点缺陷数量与PKA入射能量的关系以及点缺陷的演化过程。进而，通过设定一定数量和空间分布的反冲原子开展等效模拟分析，不仅提高了计算效率还能获得辐照损伤的均匀分布情况，由此对级联过程进行迭代得到了长时间低剂量辐照下GaN材料的损伤累积模型。之后，对不同辐照剂量下GaN材料进行了纳米压痕模拟计算，得到了辐照作用下GaN材料力学性能的变化情况。
2023 Vol. 44 (5): 591-605 [
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606
基于纳米压痕试验的塑性本构参数反演方法研究
田静萱 夏僮 杨振宇 卢子兴 贺小帆 贺自强
纳米压痕技术被广泛应用于微纳米材料的力学性能测试。通过压痕试验的载荷-位移曲线可以确定材料的硬度与杨氏模量，但获取材料的塑性本构参数仍然存在挑战。本文针对真空化学热处理表面渗碳的M50NiL轴承钢，基于Johnson-Cook塑性本构模型，结合神经网络技术及遗传算法建立了塑性本构参数反演分析方法，获得了沿表面渗碳方向的塑性本构参数变化规律。最后通过试验结果与有限元计算得到的载荷-位移曲线对比验证了该方法的有效性。
2023 Vol. 44 (5): 606-621 [
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622
基于PCA-BP神经网络的管道内壁几何形状识别
甘智超 郭硕昌 陶盈盈 荆瑞江 余波
针对石油和天然气等管道内部因腐蚀等因素造成的结构性缺陷问题，基于主成分分析(PCA)和反向传播(BP)神经网络提出了一种有效的管道内壁几何识别方法：首先，借助CAD二次开发实现随机管壁几何模型的自动化建模，并结合二维恒定磁场有限元分析来获取测点磁场响应，建立了自适应样本库生成系统；然后，采用主成分分析法对测点磁场响应数据进行降维处理，去除了数据中的冗余信息；最后，利用BP神经网络基于测点磁场响应与管壁几何参数之间的映射关系对管壁几何形状进行反演识别。算例结果表明，基于PCA-BP神经网络的管道内壁几何反演分析模型可快速准确地预测管道内壁的几何形状。即使对于带有不同程度随机误差的复杂几何，该方法仍具备强大的识别性能。
2023 Vol. 44 (5): 622-636 [
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637
多孔材料微态多尺度计算方法的数值实现与应用
黄俊想 阮洪势 陈娟娟 许杨剑 梁利华 鞠晓喆
对多孔材料进行有限元建模通常需要极其精细的网格，因而采用直接数值模拟方法有着非常高的建模和计算的成本。传统的一阶计算均匀化框架局限于宏观特征长度远远大于非均质性所在尺度特征长度的问题。为此，本文基于微态多尺度理论，提出多孔材料的微态多尺度计算方法，并应用商业软件MATLAB实现微态多尺度计算均匀化框架。理论上，引入运动场分解，并将宏-微观能量等效通过Hill-Mandel条件自然地联系起来，进而导出宏-微观控制方程。算例结果表明，微态多尺度分析方法拥有较高的计算精度与计算效率。该方法具有良好的通用性，能够为多孔材料的设计和实际工程应用提供有力工具。
2023 Vol. 44 (5): 637-647 [
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648
碳纤维增强复合材料的聚类非均匀变换场分析
江祎楠 陈娟娟 梁利华 许杨剑 鞠晓喆
碳纤维增强复合材料因其优越的力学性能，一直以来是材料科学的研究热点。常规的多尺度方法因其巨大的计算量很难对该类材料的研究提供实质性帮助。非均匀变换场分析是针对弹塑性多尺度分析十分有效的降阶均匀化方法。然而，由该方法推导出的降阶模型存在普适性不强，应用门槛较高的缺陷。为此，将非均匀变换场分析法与k-means聚类算法有机结合起来，提出了改进版降阶模型。用户可以根据自身需求将细观本构模型嵌入到本文降阶框架中，无需再次对降阶模型进行独立推导。基于聚类非均匀变换场分析，揭示材料细观塑性应变场演化对宏观响应的影响规律，对碳纤维增强复合材料力学性能进行预测。算例结果表明，新降阶模型能够准确地预测复合材料的宏观力学性能，其相较于传统有限元计算的加速率可达惊人的103-104量级。
2023 Vol. 44 (5): 648-658 [
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局部温差作用下压电薄膜的变形与电场分析
席勃 李东波 陈晶博 鲁双
基于热压电理论考虑一阶和二阶变形之间的耦合对压电薄膜内部的力学和电学行为进行分析。论文推广了传统的弹性Mindlin板模型到多物理场上，建立了具有局部温度场的压电薄膜模型，作为应用，研究了局部温度变化对压电薄膜变形和电场的调控效果。利用Navier解理论求解压电薄膜在厚度伸缩变形时的位移场和电势场。接下来进行了数值研究，结果表明：局部升温（降温）会导致加载区域内的厚度拉伸（收缩）变形，同时伴随着面内拉伸（收缩）变形和二阶剪切变形，薄膜的面内变形在上表面和下表面的温度加载区域达到最大，两处区域分别产生电势阱（电势垒）和电势垒（电势阱），这表明利用局部温度场可以实现对压电薄膜变形和电场的非接触式调控。本研究是对具有热弹性效应和热释电效应的压电薄膜结构分析理论的一个扩展，为微纳米尺度器件的结构设计提供参考。
2023 Vol. 44 (5): 659-671 [
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672
基于YOLOv5s的复合材料层合板层裂损伤局部稳态波场识别研究
李容 冯侃 闫静 胡旭
本文提出了一种基于深度学习目标检测算法的碳纤维增强塑料复合材料层合板（CFRP）层裂损伤识别方法。该方法根据CFRP在高频激励下层裂损伤将导致局部稳态波场发生改变的特性，利用深度学习卷积神经网络YOLOv5s的目标检测功能，对损伤区域进行识别定位。为了提高含损伤振型训练样本的生成效率，根据层裂损伤局部的响应特性，本研究采用迁移学习的方案，选取含盲孔损伤的各向同性铝板结构为数值模型，代替复合材料层裂结构，大大提高了数值计算效率。首先以含损伤铝板中的问题波场图及对应标签训练目标识别YOLOv5s网络。进行损伤检测时，将采用压电片激励的含损伤CFRP稳态波场输入训练完成的神经网络。对稳态波场的识别结果表明，本文提出的基于深度学习目标检测的稳态波场识别算法，在过迁移学习训练后，能够快速准确识别出CFRP中的不同位置的多个层裂损伤，为快速智能化的复合材料损伤检测提供了新的检测方案。
2023 Vol. 44 (5): 672-678 [
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679
近不可压分析的无额外自由度广义有限元法
马今伟 段庆林
无额外自由度广义有限元法具备丰富的近似空间，并解决了作为传统广义有限元法瓶颈问题之一的线性相关问题。本文研究了无额外自由度广义有限元法的近不可压分析，发现其存在体积自锁。针对该问题，将假设应变技术引入到广义有限元，分别建立了选择减缩积分和平均体应变两种假设应变方案，并推导了各自的的修正应变矩阵。两个经典算例的数值结果表明，本文引入的假设应变技术能够有效处理体积自锁问题，显著改善了无额外自由度广义有限元法近不可压分析的计算精度和收敛性。
2023 Vol. 44 (5): 679-686 [
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687
含有磁流变阻尼器的准零刚度浮置板轨道系统隔振性能分析
王友会 刘彦琦 宋春芳 江伟
在传统钢弹簧浮置板轨道结构的基础上引入水平弹簧负刚度机构以及磁流变阻尼器，构建含有磁流变阻尼器的准零刚度浮置板轨道系统。首先，通过静力学分析系统结构参数对系统非线性刚度与承载能力的影响。然后，采用Bingham模型描述磁流变阻尼力，并建立系统非线性动力学微分方程，利用平均法求解，得到幅频与项频特性方程，并推导出力传递率表达式。最后，数值分析非线性系数、竖直阻尼比、水平阻尼比、力激励幅值、库伦阻尼力以及粘滞阻尼比对力传递率的影响，并与传统钢弹簧浮置板轨道以及无磁流变阻尼器的准零刚度浮置板轨道系统进行对比分析。结果表明：通过参数匹配的系统在浮置板位移限值内具有较低的非线性刚度，同时具有满足实际工况要求的承载能力。增大竖直阻尼比、水平阻尼比、库伦阻尼力、粘滞阻尼比均可以抑制系统力传递率峰值，改善系统低频隔振性能。增大非线性系数能够降低系统起始隔振频率，拓宽隔振频带。较大的力激励幅值有益于系统高频隔振性能。相较于传统钢弹簧以及无磁流变阻尼器的准零刚度浮置板轨道，该系统具有更优的低频隔振性能。
2023 Vol. 44 (5): 687-698 [
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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