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2024年 45卷 4期
刊出日期：2024-08-28
研究论文
 
       研究论文
427 数据与连续损伤力学双驱动的增材疲劳寿命预测模型
王谙斌 甘磊 淦志强 范志明 苏永辉 吴昊
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2024.010
传统的力学模型与新兴的数据驱动模型都已广泛用于预测增材材料的疲劳寿命。然而，以连续损伤力学（Continuum Damage Mechanics，CDM）代表的传统模型存在着精度低、适用范围有限等问题，而以神经网络(Artificial Neural Network, ANN)为代表的数据驱动模型则无法应用小样本工况。为解决上述问题，融合物理知识和数据信息的知识-数据双驱动模型在近年来受到了广泛关注。为比较分析上述各类模型的预测能力，本文以激光粉末床熔融成型(Laser Powder Bed Fusion, LPBF)的 AlSi10Mg合金为研究对象，首先构建了可自动标定的CDM模型，并将其与基于ANN的数据驱动模型在各种工况下进行了比较研究。进一步通过特征融合、参数融合和输出融合方法，构建了三类以CDM模型与ANN模型为基础的知识-数据双驱动模型，并量化分析了它们在预测精度和数据需求等方面的性能。研究结果表明：基于参数融合的模型，训练数据修正作用较为显著，在预测精度方面受CDM模型影响最小，在CDM模型拟合结果较差时也能保证一定精度；基于特征融合的模型能最大化利用CDM模型中的信息，在数据充足时具有最高的预测精度；基于输出融合的模型以CDM模型的结果为主导，利用ANN进行修正，具有最好的非训练域（外推）预测性能。这些结果对于进一步发展知识-数据双驱动的高精增材疲劳寿命预测模型具有参考价值。.
2024 Vol. 45 (4): 427-440 [摘要] ( 57 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 9 )
441 含夹杂和裂纹的各项同性全空间半解析模型
吴祖荣 董庆兵 熊广
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2024.016
材料不可避免引入的夹杂、裂纹等缺陷影响其力学特性。为了研究各向同性全空间内裂纹与夹杂的相互干涉作用，本文基于等效夹杂法与分布位错技术相结合的方法，将非均质夹杂近似为与基体具有相同弹性模量且含有未知本征应变的均质夹杂，将I/II混合型裂纹近似为密度未知的攀移位错和滑移位错，建立了可仿真各向同性全空间内夹杂和裂纹干涉作用的半解析模型，并基于位错分布求解了裂纹尖端的应力强度因子。模型采用共轭梯度法迭代求解了未知量，并借助快速傅里叶变换算法提高计算效率，最后通过有限元方法验证了模型的有效性。本模型可为缺陷材料内各结构的干涉作用以及由此诱导的断裂行为的解析提供理论方法。
2024 Vol. 45 (4): 441-455 [摘要] ( 41 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 11 )
456 磁电弹性体中螺型位错与圆弧裂纹的相互作用
刘欣宇 刘官厅
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2024.006
基于广义复变函数理论和保角映射技术，研究了磁电弹性体中具有穿透型的圆弧形裂纹和螺型位错的相互作用.为讨论磁电弹性体中裂纹尖端的位错、位错屏蔽效应和裂纹屏蔽效应，推导得到了力-电-磁场的场强度因子和作用在位错上的像力.当圆弧形裂纹退化为Griffith裂纹时，导出了应力和位移的显式解析表达式.利用解析解并结合数值算例，分析了磁电弹性材料中圆弧形裂纹和螺型位错的相互作用对场强度因子、位错力的影响.结果表明：圆弧形裂纹尖端到位错点的距离，以及它们连线与 轴正半轴所形成夹角的不断增大会引起场强因子屏蔽效应的降低，即位错对裂纹具有屏蔽作用；位错对圆弧形裂纹产生的影响比直线裂纹的影响更为明显；作用在位错上的像力会受到圆弧形裂纹表面状况的影响；螺型位错能降低圆弧形裂纹尖端的应力强度因子，且屏蔽效应随夹角的增加而迅速减弱，随位错点到裂尖的距离与圆弧形裂纹半弦长比值的增大，螺型位错对裂纹的屏蔽效应会加强.
2024 Vol. 45 (4): 456-465 [摘要] ( 38 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 13 )
466 三维动态应力强度因子的自适应虚拟节点法
冯泽洋 段庆林
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2024.007
采用自适应虚拟节点法计算三维动态应力强度因子，改善了标准虚拟节点法计算精度和效率的不足。通过无需裂尖加强函数(和相应的额外自由度)的虚拟节点技术模拟裂纹处的强间断。在裂纹处引入自适应网格加密技术以及契合裂纹问题的加密准则，无需高计算消耗的全局稠密网格，从而提高计算精度和效率。采用简便的约束近似技术处理局部加密网格中的悬空节点，避免特殊单元和复杂形函数，便于数值实现。数值算例表明，相较于标准虚拟节点法，自适应虚拟节点法可有效提高计算精度，且在同样精度下具有更少的计算消耗和更高的效率。
2024 Vol. 45 (4): 466-476 [摘要] ( 41 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 10 )
477 适用于钢丝毛刷的非对称鬃毛模型及应用
钟炜翔 金永斌 金肖玲 鲍荣浩 黄志龙
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2024.014
本文针对钢丝毛刷表现出的方向依赖性摩擦现象(非对称摩擦)，提出了一种基于鬃毛模型和LuGre模型的非对称鬃毛模型，其摩擦力由非对称刷毛与被接触基底之间水平方向相互无摩擦接触产生的。数值模拟和实验研究表明：非对称鬃毛模型能很好地说明方向依赖性摩擦现象，并在平面双足机器人的仿真研究中发现，与对称摩擦模型相比，此模型能提高机器人最大运动速度。此外，实验研究表明钢丝毛刷相比于橡胶材质具有高摩擦、高耐磨等优势。基于这些特性，钢丝毛刷结构在足式机器人领域有着较大的应用前景和潜在优势。
2024 Vol. 45 (4): 477-487 [摘要] ( 38 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 13 )
488 考虑加载频率的超高周疲劳寿命预测模型
舒力力 陈永辉 潘凯 徐乾罡 郭凯 张桢
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2024.012
超高周疲劳试验可以通过传统的电磁振动（30-3000 Hz）、超声振动（20 kHz）等测试方法实现。对于同一材料，采用不同加载频率的测试方法得到的疲劳寿命可能存在差异。为了充分利用不同测试系统得到的超高周疲劳寿命数据，关于考虑加载频率的超高周疲劳寿命预测方法亟待研究。本文结合基于Tanaka的位错偶极子堆积理论的裂纹萌生寿命预测模型以及Paris裂纹扩展速率的裂纹扩展寿命预测模型，引入频率对有效应力及疲劳强度的影响，得到超高周疲劳寿命预测模型。利用本文提出的模型，针对钛合金TC17和镍基高温合金GH4169在不同加载频率下的超高周疲劳试验数据进行寿命预测验证，结果显示本文模型能较好地表征不同加载频率下材料的超高周疲劳特性。本文模型对钛合金和镍基高温合金不同频率加载下的疲劳寿命数据提供了有效的利用方式
2024 Vol. 45 (4): 488-495 [摘要] ( 25 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 9 )
496 聚合物中Case II扩散与材料溶胀变形的耦合行为分析
罗焱 李能 李旭 刘齐民
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2024.013
立足于连续介质力学理论，建立了一套描述聚合物中Case II扩散与材料溶胀变形耦合行为的理论模型，其控制方程包括力-化学平衡状态方程、溶剂扩散方程和分子数守恒方程，以及反映聚合物力学行为时间依赖性的粘-超弹本构方程。将该理论方法用于分析两种材料体系的瞬态自由溶胀过程，探讨无约束情况下柱状和板状聚合物试样中发生单向Case II扩散的行为特征。结合适当的边界条件和初始条件，直接求解单向扩散的浓度场和应力/变形场函数，并将其分布、演变规律与实测结果进行对比，较充分验证了本文建立的聚合物溶胀耦合分析框架的有效性和适应性。这些结果丰富了Case II扩散相关的表征理论，可望为后续的薄膜设计、药物输送等实际应用场景提供重要支撑。
2024 Vol. 45 (4): 496-507 [摘要] ( 33 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 10 )
508 基于三种单元构型的感知结构功能特性研究
康利宏 朱睿 吴国良 张婕
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2024.011
通过熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，FDM)的3D打印技术，制备了晶格结构，在其结构元素表面粘附复合导电材料后，制备了具有感知功能的3D晶格结构（lattice structure sensor，LSS）。基于3种单元构型，对不同晶格结构LSS的力学性能与压阻特性展开研究，根据导电复合材料中的导电渗流现象，探究在小范围应变与大变形应变的情况下，不同结构、不同复合材料的LSS压阻特性的规律。结合实验的压缩应力平台数据，找到最适合的晶格结构与LSS复合材料质量分数值，为实现感知结构的变形监测功能提供了可靠的依据。采用先生成3D结构再复合导电复合材料的方法形成功能3D结构，具有结构可控且机械性能良好的优势。其感知结构可用于物体压缩应力的检测，同时也可作为优质缓冲或阻尼材料，有效的吸收振动和能量，因此该研究成果具有较为广阔的应用前景。
2024 Vol. 45 (4): 508-519 [摘要] ( 30 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 11 )
520 任意边界条件下功能梯度阶梯圆柱壳的振动特性研究
唐冲 王宇 李学辉 徐自强 杨志宏
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2024.017
对金属-陶瓷功能梯度材料阶梯圆柱壳在任意边界条件下的振动特性展开了研究。首先，采用Voigt模型和幂函数体积分数得到金属-陶瓷功能梯度材料属性。其次，引入人工弹簧技术，模拟各壳段间的连续耦合及壳体两端的边界条件，并基于一阶剪切变形理论推导出壳体的能量表达式。最后，选取Chebyshev多项式构造容许函数，基于Rayleigh-Ritz法对任意边界条件下壳体的动力学微分方程进行求解计算，通过与现有文献对比，验证了本文方法的有效性与收敛性。结果表明：体积分数指数增长，壳体固有频率也随之增长；而长径比和厚径比对壳体的振动特性影响均不同，随着长径比的增加壳体的固有频率减小，随着厚径比的增加壳体的固有频率增大；且相较于旋转弹簧，平动弹簧的刚度值对壳体振动特性的影响显著。
2024 Vol. 45 (4): 520-532 [摘要] ( 41 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 10 )
533 面内周期性结构多分辨率拓扑优化设计
邹胤康 李少华 邱文科 夏凉
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2024.015
复合材料在微观尺度上具有复杂的结构形式，对其进行结构分析设计需要精细化有限元网格剖分，导致计算规模庞大。面内周期性结构作为一种常见的复合材料结构形式，在宏观尺度上可以承受任意方向载荷，但是其性能表征困难，设计分析难度较大。本文基于厚板假设和多分辨率网格策略，建立了面内周期性结构的高效拓扑优化方法。首先，利用粗糙网格对宏微观结构进行解耦分析，求解微观边值条件，进行非均质单胞的力学性能等效表征；其次，根据均匀化等效性能求解宏观边值条件，利用精细网格进行设计变量更新和密度变量映射。一方面，考虑面外剪切变形的厚板假设使双尺度拓扑优化设计更符合实际承载场景；另一方面，利用多分辨率建模策略，在不牺牲优化构型分辨率的前提下，避免有限元计算量过大导致可求解问题规模受限的问题。
2024 Vol. 45 (4): 533-546 [摘要] ( 47 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 11 )
547 夯筑土遗址EBTP锚杆两锚系统拉拔破坏模式分析与群锚效应研究
芦苇 薛科 闫笑琦 刘加平 李东波
DOI: 10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2024.009
以夯筑土遗址EBTP锚杆两锚系统为研究对象，分别开展间距为0.3m和0.6m的室内两锚DIC拉拔试验，明确荷载-位移关系与典型破坏模式；在此基础上，依据锚杆滑移失效特征，将承压段浆体/土体界面和受拉段杆体/浆体界面力学行为分别通过接触对和非线性弹簧模拟，提出锚固系统二维有限元数值模拟方法，结合试验结果验证了其可靠性。试验结果表明，间距0.3m时锚杆间土体主要沿夯层水平开裂破坏，0.6m时以拉压转换位置为界呈30~45°的锥形开裂破坏，土体顶面最大开裂半径约24cm，0.3m间距相比0.6m时承载力降低约7%；模拟分析显示，锚杆间距对群锚效应的影响较为显著，当间距大于0.6m时群锚效应较为有限，与试验结果吻合较好；扩体深度与锚杆极限承载力近似线性相关；随着锚固长度的增加承载力增幅先大后小，群锚效应逐渐增强，但锚固长度增加引起的承载力的提升仍大于群锚效应造成的承载力损失。研究结果对夯筑土遗址EBTP锚杆群锚设计具有指导意义。
2024 Vol. 45 (4): 547-564 [摘要] ( 33 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 11 )
  编辑部公告
22 Acta Mechanica Solida Sinica入选2021年国际影响力TOP期刊榜单
22 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”
22 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”
22 2020年度Acta Mechanica Solida Sinica 影响因子达到2.161
22 重要通知
22 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
22 Acta Mechanica Solida Sinica (AMSS) 入选“2019中国最具国际影响力学术期刊”
22 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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