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2024年 45卷 6期
刊出日期：2024-12-28
研究论文
研究论文
709
考虑几何非线性的无铰链柔顺机构渐进式拓扑优化设计
唐跃友 王强 何健 夏凉
基于双向渐进结构优化法提出一种考虑几何非线性的无铰链柔顺机构设计方法。首先，采用基于离散拓扑变量和渐进演化策略的双向渐进结构优化法进行柔顺机构设计，自然规避了传统变密度方法在考虑几何非线性时存在的中低密度单元畸变现象，有效提升了拓扑演化进程的数值稳定性。其次，通过对输入和输出端在单位激励下的响应形变进行约束，有效抑制了柔顺机构中集中铰链的形成，提升了结构强度并改善了设计构型的可制造性。最后，分别制备了考虑线性和非线性设计的柔顺机构测试样件，实验结果与数值仿真性能一致性良好，展现了在柔顺机构拓扑优化设计中考虑几何非线性的必要性。
2024 Vol. 45 (6): 709-723 [
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724
双轴弯曲超声疲劳实验方法
汪歆彧 阳东彤 唐森 黄北海 徐波 王宠 王清远
面向航空发动机叶片等薄壁材料长寿命耐久性测试需求，本文提出了一种适合双轴弯曲疲劳试验的超声加速疲劳实验方法。从简谐振动原理出发设计了固有频率为20 kHz的四阶和三阶弯曲垂直叠加TC4十字双轴超声疲劳试样。通过应变片测量对该方法的振动频率和振动模态进行了测定，并结合激光传感器对超声弯曲疲劳的应力进行了标定。开展了双轴弯曲加载下的超高周疲劳性能验证性实验。通过对不同加载条件下的S-N曲线、裂纹扩展路径和断口形貌分析，揭示了双轴弯曲超高周疲劳失效破坏行为的特征。
2024 Vol. 45 (6): 724-734 [
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735
基于分数阶标准线固体模型的粘弹性薄板力-热耦合蠕变屈曲分析
茆武 陈衍茂 刘济科 刘奇贤
分数阶本构模型以其较少的参数和更清晰的物理意义，在众多领域中展现出了比传统整数阶模型更优的适用性。本研究采纳了分数阶标准线固体模型，旨在深入探讨粘弹性薄板在力学与热学耦合影响下的线性蠕变屈曲特性。为了确保数值分析的准确性，本研究采用了HRBF无网格方法，其计算结果经过验证，展现出了高度精确性。研究结果显示，分数阶粘弹性薄板的稳定性对时间具有显著依赖性，具体表现为随着时间推进，薄板的临界载荷和临界温度均呈现下降趋势。
2024 Vol. 45 (6): 735-747 [
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748
具有线性介电常数Ogden型锥形介电弹性体作动器的力电响应研究
缪广红 李顺 楚翔宇 袁成
为研究锥形介电弹性体作动器在非理想状态下的力电特性,本文采用多材料常数Ogden模型，考虑无预拉伸和预拉伸的情况下，通过引入依赖拉伸率的线性介电常数，得到非理想状态下的本构关系.对薄膜受到外力外电压作用时发生面外非线性轴对称大变形进行数值模拟.结果表明在预拉伸下，随着电致伸缩系数的减小，薄膜变形，拉伸量呈稳定状态，真实电场分布呈均匀状态,研究结果有利于理解介电弹性体的力电稳定性,更好地指导此类作动器的设计.
2024 Vol. 45 (6): 748-758 [
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759
非线性能量汇提高前起落架摆振的稳定性和抑制效果
周家才 赵艳影 肖相志 刘奕安 周龙华
摆振对飞机地面滑行的操纵性与安全性等影响较恶劣，大幅度地缩减起落架的使用寿命，从而增加事故发生率。为了抑制前起落架发生摆振，本文采用非线性能量汇(Nonlinear Energy Sink, NES)对前起落架进行减摆。以某轻型飞机起落架为研究对象，建立了含有NES装置的单轮前起落架摆振动力学模型。首先，分析了NES装置对起落架摆振稳定性区域和发生摆振时振幅的影响，证明了NES装置对减摆的有效性。其次，分析了NES装置非线性刚度、线性刚度、质量、阻尼系数和NES装置到前起落架S轴的垂直距离对减摆效果的影响。再次，在给定的优化目标下，选择合适的参数优化范围，通过遗传算法对参数进行全局优化设计。最后，通过时域分析验证了优化结果的可靠性。研究表明，NES装置能够提高前起落架的防摆性能，具有很好的实际应用价值。
2024 Vol. 45 (6): 759-775 [
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石墨烯对镁基复合材料抗压性能影响的分子动力学研究
华军 邢小茹 谢云龙 赵冬
镁(Mg)作为轻质金属材料，因其塑性不足及高温下力学性能下降等缺点限制了其应用。石墨烯(Gr)因其比表面积大、强度高等优点可以作为一种理想增强材料与金属镁复合，从而提升材料的力学性能。本文采用分子动力学(MD)方法对石墨烯/镁(Gr/Mg)复合材料在不同压缩条件下的力学性能进行研究。结果表明，单晶Mg在不同晶向下压缩表现出强烈的各向异性特征。引入Gr使得Mg基体中难以启动的滑移系因晶粒细化作用而被激活，应力得到释放，孪生变形机制难以开启。位错和孪生等缺陷在Gr界面附近形核增殖，载荷有效传递至Gr，提升了复合材料塑性阶段的平均流动应力。此外，Mg基体对Gr的约束限制了Gr的褶皱和弯曲，使材料韧性增强，Gr/Mg复合材料沿Z轴[ 0 0 0 1 ]晶向压缩的应变达0.35时，Gr仍未断裂。Gr/Mg复合材料中位错运动到Gr表面无法继续贯穿，抑制了Mg基体的破坏。压缩荷载作用下，Gr/Mg复合材料中位错线的增加有助于抵抗压缩塑性变形。Gr/Mg复合材料的屈服应力、屈服应变及塑性变形阶段的平均流动应力随着Gr层数增加而增大，且Gr处于分离状态时，Gr/Mg复合材料的屈服应变更大。在10K~600K温度范围内，Gr/Mg复合材料的弹性模量和屈服应力随着温度升高而降低。而应变率对Gr/Mg复合材料的弹性模量和塑性变形阶段的平均流动应力影响不明显，但增大应变率可以提高复合材料的屈服应力和屈服应变。
2024 Vol. 45 (6): 776-794 [
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795
结构参数化皮肤缝合界面的平面抗拉性能研究
徐林龙 纪小刚 李华彬 江昊
针对临床医用粘合剂缝合皮肤创面后缝合伤口抗拉能力的可靠性问题，开展了硅胶倒模成形工艺制备的皮肤缝合界面抗拉性能研究。以四种类型缝合结构的拉伸刚度研究为主线，利用缝合界面力学理论对皮肤界面构建等效力学模型，得到预测拉伸刚度的数学模型。结合数值模拟和物理实验，聚焦分析了皮肤缝合结构形状因子和齿尖角角度对其抗拉性能影响规律，同时进一步探究了尖端区域增生后对界面结构抗拉特性的影响。研究结果表明，锯齿形结构较其他缝合结构具有显著的拉伸刚度，随着齿尖角角度增加，四种类型的缝合结构刚度均呈现下降趋势，且尖端区域进一步提高了缝合界面的抗拉性能，可为后续提高临床缝合术后皮肤创面愈合率提供相关参考。
2024 Vol. 45 (6): 795-807 [
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808
功能梯度一维六方准晶层合梁的自由振动和弯曲变形研究
高得旺 郭俊宏 王浩田 孙托娅
本文利用伪Stroh公式，研究具有功能梯度的一维六方准晶层合梁的自由振动和弯曲问题。建立准晶层合简支梁模型，采用传递矩阵法推导出简支边界条件下梁自由振动的固有频率及弯曲变形位移的精确解，并与已有结果对比，验证模型和方法的准确性和精确性。通过数值算例,分析两种不同叠层顺序下层合梁的高跨比、层厚比和功能梯度系数对一维准晶层合简支梁固有频率和弯曲变形的影响规律。结果表明，固有频率随功能梯度系数增大而增大；两种叠层顺序下随功能梯度系数的增大，声子场位移逐渐减小而相位子场位移逐渐增大。本文得出的精确解可为研究准晶梁的各种数值方法和实验结果提供理论参考。
2024 Vol. 45 (6): 808-819 [
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820
复合材料层合板的气动热弹性分析及颤振边界控制
陈志洋 刘文光 成龙 陈红霞
研究了超声速气流中复合材料层合板的气动热弹性特性，并使用压电纤维复合材料(MFC)对层合板进行主动颤振边界控制。采用超声速活塞理论计算气动压力，并基于假设模态法与Hamilton原理建立了系统的运动微分方程。利用频域方法对结构系统的气动热弹性特性进行了分析。研究了层合板的纤维铺设角度和几何参数对临界颤振气动压力和临界屈曲温度变化的影响。采用比例反馈控制设计控制器，计算了不同增益系数下的颤振边界。研究结果表明：在不同长宽比下，铺设角度为[90o/?90o/90o]时层合板的气动热弹性稳定性最差；在纤维铺设角度为大角度时，长宽比越大，层合板的气动热弹性稳定性越好；采用比例反馈控制方法可提高系统颤振边界，但需要调整增益系数以确保控制系统的稳定性与控制性能。
2024 Vol. 45 (6): 820-830 [
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极坐标下连续密度梯度多孔金属材料设计及其夹芯管的抗爆性能研究
于学会 李婷 王安帅 王茗仕
利用3D-Voronoi技术，建立了极坐标下径向连续密度梯度泡沫铝及其夹芯管有限元模型，进而研究了夹芯管在内部爆炸载荷下的动态响应。分析了正梯度、负梯度、“V”型梯度（中间高两端低、中间低两端高）等芯材密度分布方式，芯材密度梯度大小，管壁与芯材装配方式以及炸药长径比对夹芯管抗爆性能的影响。结果表明：当芯材密度梯度大小相同时，负梯度夹芯管的外管最大变形量最小，中间低梯度夹芯管的比吸能最高，正梯度夹芯管的抗爆性能最劣；随着芯材密度梯度的增加，负梯度夹芯管的外管最大变形量显著减小，中间低梯度夹芯管的比吸能呈现出先增加后减少的趋势，中间高梯度夹芯管的抗爆性能减弱；将管壁与芯材进行理想粘结，有效提高了均匀、负梯度以及中间低梯度夹芯管的比吸能，但也增加了外管的最大变形量；在不同的炸药长径比下，负梯度夹芯管的外管最大变形量最小。
2024 Vol. 45 (6): 831-845 [
摘要
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846
高转速硬涂层阻尼双薄壁圆柱壳耦合结构的行波振动特性
王鹏 王宇 常宇枫 王立萍
为分析具有螺栓连接旋转硬涂层阻尼双薄壁圆柱壳耦合结构的行波振动特性。首先，通过改进连续整周的人工弹簧分布方法，构造非连续弧连接来模拟实际螺栓连接条件。其次，基于Sanders壳理论，确定硬涂层壳体结构的应变能。最后，考虑转速的影响并采用Rayleigh-Ritz法推导动力学方程。此外，利用状态空间法进行求解计算，通过文献和有限元方法验证理论方法的合理性。结果表明：连接刚度在108~1010区间范围内行波频率显著增大；旋转导致行波频率出现分离现象且整体呈增大趋势；硬涂层厚度越大对行波频率的影响越明显，硬涂层厚度从0提高到0.85 mm时，行波频率最大增长程度可达5.87%。
2024 Vol. 45 (6): 846-856 [
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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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