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2024年 45卷 1期
刊出日期：2024-02-28
研究论文
研究论文
1
基于Hopkinson杆的恒幅冲击疲劳试验方法研究
袁康博 杨建辉 李泊立 赵思晗 吴名疆 杨松淼 郭伟国
在航空、航天、武器和能源等领域的结构件经常会受到小载荷（小能量）的重复冲击，不同于大能量的单次冲断和常规准静态疲劳，这种载荷形式被称为冲击疲劳。冲击疲劳性能的评估需要依赖科学有效的冲击疲劳试验结果。多年来，受到基于能量法的冲击疲劳试验方法的限制，冲击疲劳试验结果在结构设计和性能评估方面的工业应用十分有限。因此，本文首先基于对冲击疲劳试验方法的发展历程的简要回顾，肯定了基于Hopkinson杆原理的应力波法的优越性，明确了冲击疲劳试验中普遍存在的非恒幅加载的问题。同时，提出了几种基于Hopkinson杆原理的冲击疲劳加载技术，并通过试验验证技术的可行性，重点关注是否存在二次加载引起的非恒幅加载问题。最后，采用经典的分离式Hopkinson压杆技术开发了一套可实现恒幅加载的动态剪切疲劳试验方法，实现了对TC4钛合金的冲击疲劳性能测试，从而验证了新方法的有效性和可行性。
2024 Vol. 45 (1): 1-15 [
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16
弹体侵彻混凝土靶体的温升计算模型及其影响因素分析
余双洋 彭永 陈荣
弹体侵彻过程中由于摩擦产生大量热量，导致弹体温度大幅升高，可能改变弹体侵彻过程的作用机理，进而影响侵彻能力。为研究高速侵彻作用下弹体的温升，建立了一种弹体侵彻与热传导并行计算的温升计算模型：首先根据弹体运动方程与摩擦生热机理获得弹体不同部位在侵彻全过程中的热流数据集，然后基于热传导理论并结合有限差分算法计算弹体不同时刻、不同位置处的温度分布。基于提出的温升计算模型，研究了弹体运动过程中产生的热流密度以及弹体温度分布，并对影响弹体升温的因素进行讨论分析，结果表明：侵彻过程温升非常明显，且高温主要分布在弹体表面附近；仅考虑摩擦生热时，侵彻过程中弹体外表面最高温度的位置与弹头形状有关；在侵彻时间内，弹体中热传导距离与弹体半径的比值随弹体尺寸的增加而减小。
2024 Vol. 45 (1): 16-28 [
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29
超高速撞击条件下靶体损伤区的数值模拟分析
钱秉文 周刚 陈春林 李名锐 高鹏飞 王可慧 戴湘晖 李明 马坤 吴崇欣
超高速撞击问题中，靶体损伤区研究能够弥补部分实验中难以精确获取成坑形貌的问题，为撞击机理研究和数值模拟的校验提供重要依据。损伤区的数值模拟研究开展较少，主要原因是缺乏经过实验验证的损伤区判据。本文总结了已有的损伤区定量测量实验结果，发现对于同一种靶体，多种切片显微测试方法得到的损伤区深度比较吻合，这给损伤区分析提供了便利。基于iSALE程序模拟分析了累计塑性应变、损伤因子和峰值压力作为损伤区判断参数的适用性，认为TPS=0.1适合作为损伤判据；D=1可以作为损伤判据，但误差较大需谨慎使用；峰值压力不适合作为损伤判据。通过参数化分析发现，随着孔隙率增大和靶体强度增大，损伤区深度逐渐减小。
2024 Vol. 45 (1): 29-37 [
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38
预应力加载下LY12-CZ激光烧蚀特性的实验与模拟研究
堵志钦 张宇 师先哲 惠煜中 沈将华
飞行器是激光武器的主要打击目标，对常用航空材料激光辐照响应的研究具有重要价值。通过实验和有限元模拟的手段，研究了预应力加载下，1080 nm连续激光烧蚀LY12-CZ铝合金的失效机理。实验结果表明，激光烧蚀沿光斑径向存在三种组织，分别为近光斑的枝晶组织、中部的等轴晶组织及远离光斑的原始组织；其中，枝晶、等轴晶组织中存在严重的Cu元素偏析，且枝晶组织还存在较高的内应力。有限元模拟的结果表明，温度场对所施加的预应力并不敏感；烧穿孔洞形成的一个原因是局部因热软化和高水平热应力造成的屈服；与热应力相比，预应力并不容易达到因温度升高而降低的屈服强度。
2024 Vol. 45 (1): 38-51 [
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计及磨损的电连接器插拔力分析
李友华 沈飞 王志慧 刘奕光 邢前 柯燎亮
电连接器在工程中使用量大，接触失效情况严重，一旦发生失效则有可能影响设备的正常使用甚至毁坏设备。针对电连接器接触失效占比率较高，且磨损对插拔力的影响规律未知等问题，本文以国产某型号电连接器为研究对象，建立电连接器的等效有限元模型，使用自适应网格技术和耗散能磨损模型进行磨损模拟，获得不同插拔次数下接触表面的磨损形貌，讨论不同插拔次数下磨损程度对电连接器插拔力的影响。结果表明，随着插拔次数的增加，电连接器表面的磨损会逐渐严重，插拔力的波动现象也会更加明显，且磨损对电连接器的拔出力影响较插入力更明显。
2024 Vol. 45 (1): 52-60 [
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磁电弹性体中纳米孔边任意位置贯穿裂纹的解析解
肖俊华 信玉岩
本文研究了反平面机械载荷、面内电载荷和面内磁载荷作用下磁电弹材料中含有纳米尺度孔边任意位置贯穿裂纹的III型断裂力学性能。基于Gurtin-Murdoch表面弹性理论考虑纳米缺陷(孔洞和裂纹)的表面效应，利用磁电弹理论和复变弹性理论获得了纳米缺陷表面为磁电不可通条件下磁电弹场的精确解，给出了贯穿裂纹两端裂尖的磁电弹场强因子的解析表达。所得结果与已有研究比较说明了本文方法的有效性。讨论了裂纹位置、裂纹相互作用与施加多物理场载荷对无量纲磁电弹场强因子的影响。结果表明：贯穿裂纹裂尖的无量纲磁电弹场强因子尺寸效应显著；缺陷表面效应对裂纹耦合尖端场的影响受裂纹位置的制约；无量纲磁电弹场强因子受贯穿裂纹两端的裂纹长度比与施加力电磁载荷的显著影响。
2024 Vol. 45 (1): 61-73 [
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功能梯度锥-柱连接壳的环向自由振动分析
庞磊 成龙 刘文光 张宇航 吕志鹏 宛润豪
为了推进功能梯度材料在航天领域的应用,对功能梯度锥-柱连接壳的环向自由振动进行了分析.采用Voigt模型和四参数幂函数体积分数描述功能梯度材料属性,基于Donnell薄壳理论推导出锥壳和柱壳的位移与应变关系,分别得出锥壳和柱壳的能量表达式.引入人工弹簧模拟任意边界和连接条件,依据Chebyshev多项式构造位移函数,基于Rayleigh-Ritz法求解FGMs锥-柱连接壳模态频率,分析梯度指数、边界条件和几何参数对模态频率的影响.结果表明:当环向波数小于6时,边界约束条件越强则整体结构模态频率越高,增加陶瓷体积分数也能有效提高结构的模态频率,相比于环向和径向弹簧刚度,轴向弹簧刚度对结构固有频率的影响更为明显;当环向波数大于3时,随着壳体厚度增大,结构的模态频率呈线性提高，而增大锥柱壳长度比会降低结构模态频率.
2024 Vol. 45 (1): 74-87 [
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粘接层对聚甲基丙烯酸甲酯涂层刮擦破坏的影响及机理分析
蔡鸿彬 刘天远 杨卓然 程前 蒋晗
为研究粘接层厚度和粘接强度对聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）涂层刮擦破坏的影响，对不同粘接层厚度和粘接强度的PMMA涂层开展了系统的刮擦实验。采用考虑剪切屈服和脆性断裂竞争行为的本构模型描述PMMA的力学行为，进行了PMMA涂层刮擦行为的有限元模拟，揭示了复杂刮擦破坏模式的物理机理。研究结果表明：与零厚度粘接层的涂层相比，有限厚度粘接层的变形使PMMA涂层在刮擦过程中出现局部弯曲，导致刮头下方涂层底部区域形成内部裂纹；具有强粘接强度的粘接层可限制涂层在刮擦过程中的变形，避免刮头前方可能产生的严重屈曲，进而防止涂层底部形成沿厚度方向贯穿涂层的纵向裂纹；增加涂层厚度可以提高涂层在刮擦过程中的抗弯曲和抗屈曲能力，延缓内部裂纹和纵向裂纹的形成。这些发现有助了解和改善PMMA涂层的刮擦性能。
2024 Vol. 45 (1): 88-110 [
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次表面微裂纹对偏折主裂纹扩展行为的分布位错理论研究
张启洞 闫华东
为研究在拉伸载荷作用下包含一条埋置偏折裂纹和一条任意位置微裂纹的半无限大平面问题。本文基于连续分布位错法，建立相应的位错密度积分方程，并采用GAUESS-CHEBSHEV数值积分法得到其力学参量。通过有限元法对理论结果进行了验证。埋置深度、微裂纹中心到主裂纹尖端的距离将对主裂纹尖端的应力强度因子产生影响；结果表明相比于无微裂纹的情况，在某些方位处微裂纹对主裂纹尖端的扩展起到促进作用，而在其他方位的微裂纹对主裂纹尖端的扩展起到抑制作用；主裂纹尖端的扩展方向和等效应力强度因子相比于倾斜微裂纹而言受水平微裂纹的影响更大。
2024 Vol. 45 (1): 111-122 [
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123
含唇口次生两不对称裂纹的一维六方压电准晶体的反平面剪切问题
郭怀民 刘官厅 姜丽娟
利用复变函数法和Stroh算法研究了反平面载荷作用下一维六方准晶压电材料中唇口次生裂纹的断裂问题，首次构造了唇口次生两不对称裂纹的缺陷力学模型，推出了含唇口次生两不对称裂纹的无限大区域到单位圆外部区域的保角变换公式，得到了裂尖处的场强度因子和能量释放率的解析表达式.数值算例揭示了缺陷尺寸，特别是唇口高度和裂纹长度对场强度因子和能量释放率的影响.结果表明：增加裂纹两边的长度会促进裂纹的扩展，增加唇口的高度，会抑制裂纹的扩展.最后，在给定条件下，这些解析结果可以简化为其它的缺陷模型的解，比如唇口次生单裂纹和唇口次生两对称裂纹的解，同时还可以退化为经典的Griffith裂纹和唇口无次生裂纹的解，以上结果与理论分析的结论是一致的.
2024 Vol. 45 (1): 123-134 [
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考虑表面效应纳米压电双晶中波的频散分析
黎琪 胡彪 刘娟
基于非局部应变梯度理论探究了考虑表面弹性和表面残余应力的纳米压电双晶中波的频散特性，压电双晶的上下压电层暴露在电场之中并且整体沉积在粘弹性基底之上。利用哈密顿原理和正弦剪切理论推导了控制方程，基于含非局部参数和长度尺度参数的尺度依赖本构模型得到了运动方程，带入谐波解求解相应的特征方程。数值分析了表面弹性和表面残余应力、尺度参数和波数以及粘弹性基底对压电双晶的作用规律。研究表明，表面效应的存在对压电纳米双晶频率特性的研究至关重要，尺度参数和波数对频散特性具有耦合作用，弹性系数、阻尼系数和压电层厚度对频率的作用表现出区域性。
2024 Vol. 45 (1): 135-144 [
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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