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2025年 46卷 6期
刊出日期：2025-12-27
综述
研究论文
综述
707
红外热成像在超高周疲劳研究中的应用
吴桃 黄福增 陈国栋 谭凯 唐森 王宠 王清远
超高周疲劳是近年来结构完整性与运维安全领域关注的热点科学问题，其断裂失效行为表现出与传统疲劳机制不同的特点。本文系统梳理了金属材料在超高周疲劳载荷下的裂纹萌生与扩展机理，并结合凝聚态物理中的热力学原理，探讨了疲劳断裂与能量耗散、温度响应之间的内在耦合关系。在此基础上，全面回顾了红外热像法在疲劳研究中的应用进展，涵盖疲劳极限预测、裂纹识别与监测、内部裂纹定量表征及寿命评估等方面。研究表明，基于热效应的方法在理论与实验层面展现出独特优势，为高效寿命预测提供了新的思路。最后为促进热像法的深度发展，本文结合最新研究动态提出了未来的发展方向。总体而言，本文旨在构建热学方法在超高周疲劳领域的系统性研究框架，为深入理解其热力学本质及推动工程化应用提供参考。
2025 Vol. 46 (6): 707-730 [
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研究论文
731
传动机构载荷作用下悬臂梁的大挠度力学行为分析
李志 师岩 高存法
为揭示支杆作用下弹性梁的大挠度力学响应机制，本文以弹性悬臂梁为研究对象，开展了传动机构载荷作用下大挠度梁的理论分析与验证研究。首先，基于曲梁的平衡方程，考虑几何非线性因素，推导并建立了用于描述传动机构作用下弹性梁大挠度变形的控制微分方程。随后，针对控制微分方程所具有的强非线性特征以及载荷与变形之间的耦合关系，构建了结合打靶法与牛顿迭代法的数值求解方案，通过迭代收敛计算，获得了弹性梁的挠度分布及其受力状态。最后，将理论求解结果与基于有限元软件的仿真结果在多种工况下进行了对比分析。研究结果表明，理论计算所得的挠度值及其受力状态与有限元仿真结果高度一致，有效验证了所建立力学模型的正确性及数值求解方法的可靠性。该模型能够准确描述传动机构作用下弹性梁的大挠度变形行为，可为风洞实验段柔壁喷管设计、铁路轨道变轨设计等工程领域的结构分析与性能预测提供理论支撑，具有重要的学术价值和广阔的应用前景。
2025 Vol. 46 (6): 731-741 [
摘要
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742
严酷载荷工况下火箭橇结构拓扑优化设计方法研究
李泽商 王磊 顾凯旋
火箭橇试验能在地面模拟高速飞行器在飞行环境的动态性能，火箭橇结构性能对试验的准确性与安全性至关重要。飞行器马赫数的不断提高对火箭橇试验提出了更高要求，火箭橇结构的轻量化水平需要进一步提升，拓扑优化成为提升其性能的关键手段。提出了一种基于水平集法的火箭橇结构拓扑优化方法，首先，对火箭橇结构开展了刚柔耦合的动力学分析，通过ANSYS和ADAMS联合仿真得到了火箭橇结构的动力学响应历程，提取了火箭橇结构的严酷载荷工况作为拓扑优化的输入条件；然后，以结构减重为优化目标、以结构位移为约束条件构建了火箭橇结构的拓扑优化模型；最后，将所提方法应用于单轨三滑块火箭橇结构拓扑优化，结构减重超过30%，结构可靠度不低于90%，说明了所提方法的有效性和高效性。研究结果表明，该方法能够有效找到火箭橇结构的最优拓扑构型，在显著减轻结构质量的同时，保证结构可靠性满足设计要求，为火箭橇结构的轻量化设计与性能提升提供了一种高效、可靠的新途径。
2025 Vol. 46 (6): 742-752 [
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753
Sn-3.0Ag-0.5Cu-xBi低熔点无铅焊料合金的粘塑性行为及其封装互连热疲劳可靠性
雷晓丹 马宇宏 杨雪霞 树学峰 肖革胜
低熔点无铅焊料合金的率/温相关力学行为及其封装互连热可靠性研究是电子工业领域无铅化、高装备质量及降低能耗需求的重要基础。本文采用Instron万能材料试验机对Sn-3.0Ag-0.5Cu-xBi（x=0 wt.%、1.5 wt.%、2.5 wt.%）3种低熔点无铅焊料合金开展了不同温度及应变率下的单轴拉伸测试，分析了温度、应变率及Bi元素含量对其拉伸变形行为（弹性模量、饱和应力）的影响，通过热膨胀测试及差示扫描量热法得到了三种焊料合金的热膨胀系数与熔点，基于非线性拟合获取了三种焊料合金的统一粘塑性Anand本构参数并与实验数据对比验证了所得参数的有效性。结合所得相关粘塑性参数与数值模拟开展了SAC305-xBi低熔点无铅焊料合金封装互连热疲劳可靠性分析，确定了温度循环过程中关键焊点的位置，分析了Bi元素含量对关键焊点最大等效应力、最大等效塑性应变的影响，通过基于塑性变形的修正的Coffin-Manson疲劳模型对关键焊点的热疲劳寿命进行了评估，结果表明Bi元素在降低熔点的同时可提高SAC305焊料合金用于封装互连时的热疲劳可靠性。相关研究对低熔点无铅焊料合金的体系设计及提高其封装互连热服役可靠性具有重要意义。
2025 Vol. 46 (6): 753-768 [
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基于接触区应变增量的软材料摩擦行为研究
韦慧心 陈鸣健 何里沙 廖宝鹏
近年来随着触觉传感、机器手以及可穿戴设备等领域的迅速发展，软材料的摩擦与接触行为研究越来越重要，不仅关乎材料性能的优化，而且对高精度传感的发展具有关键指导意义。本文通过自主研发的可视化原位加载设备测量了摩擦过程中接触区域的形状演化规律，采用数字图像相关（DIC）技术和二阶多项式位移函数确定接触区的应变增量。结果表明，软材料滑移摩擦过程中切向力的存在会引起接触各向异性，这种现象主要源于软材料大变形的力学特性及表面应变响应的非均匀性。本文旨在探讨应变调控的界面力学变形行为，为软材料摩擦性能表征和预测提供实验依据。
2025 Vol. 46 (6): 769-779 [
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PVC凝胶锥型结构柔性驱动器在机电耦合条件下的非线性振动
魏杰 肖洋 李超群 罗斌
聚氯乙烯（PVC）凝胶是一种成本低、变形大、轻质、耐疲劳的电活性聚合物材料，具有双向的机电耦合性能，在智能传感和柔性驱动方面有着重要的应用前景。该材料常常被制备成锥形结构，用于软体机器人、柔性泵等驱动等，然而关于PVC凝胶的锥形结构的理论及其在动态载荷下的非线性变形行为研究较少，进而限制了其推广使用，因此本文基于该结构，建立了空间锥型结构驱动器力电耦合模型，并通过欧拉——拉格朗日方程建立了该力电耦合模型的非线性振动控制方程。其中，使用Helmholtz自由能描述了PVC凝胶锥型驱动器的系统能量变化，采用超弹性材料Gent本构模型表征了PVC凝胶材料的弹性应变，并对PVC凝胶锥形结构的非线性动力学行为进行了分析，考虑了材料内部的阻尼效应、拉伸极限因素，以及外部因素，如预拉伸机械外力、外接周期性正弦电压和弹簧刚度系数的多种情况下耦合效应。探究了不同参数下PVC凝胶锥型结构驱动器从稳态向混沌振动转换的临界阈值，通过分岔图和李雅普诺夫指数对阈值进行了定性和定量的界定和分析。该研究给为PVC凝胶锥型结构驱动器的进一步应用提供理论基础。
2025 Vol. 46 (6): 780-793 [
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含能晶体材料模压过程力学行为的精细化离散元仿真与机器学习预测
李长恒 李伟 郭昱辰 吕珂臻 周博
本研究提出了一种基于人工智能的本构建模框架，将离散元建模（DEM）和机器学习算法相结合，用于高效预测含能晶体材料在模压过程中的力学响应。研究建立并校准了晶体压制过程的离散元模型，系统生成了涵盖不同中值粒径、不均匀系数和孔隙率的75组数值试样，构建了包含4500个应力-应变数据点的数据库。基于该数据集，重点对比分析了传统人工神经网络（ANN）与物理信息神经网络（PINN）两种算法在小样本条件下的预测性能。结果表明，PINN通过在本构关系中引入单调性约束及应变零点约束作为物理先验知识，显著提升了预测精度与泛化能力，在测试集上预测结果的回归系数R2达到0.99，性能优于ANN。算法能够合理反映晶体材料的物理参数与力学响应的物理规律，即使对未训练参数组合仍表现出良好的外推能力与物理一致性。本研究为含能晶体材料的力学性能预测与工艺优化提供了可靠的数据驱动建模框架。
2025 Vol. 46 (6): 794-806 [
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单轴受压混凝土超声波速演变的理论解释
商峰 汤雪娟 王一凡
超声波速与混凝土的应力状态紧密相关，现有理论无法解释受载混凝土超声波速连续变化过程。本研究将小应变理论中弹塑性损伤的概念推广到几何非线性条件下用于波速分析，以卸载构型为起点，推导了与预变形弹性应变相关的超声波速理论计算公式；同时基于经典的单轴受压应力应变方程，分离预变形中的塑性应变和应力损伤因子作为初始条件用于波速计算；并通过模拟实验结果验证和讨论理论模型。理论计算结果表明，本文建立的理论模型可以较好地描述混凝土波速随着应力水平提高而出现的非线性变化过程。敏感性分析结果表明，卸载构型的各向异性和高阶弹性损伤都可以忽略不计；已有文献的测量结果大多低估了混凝土的真实三阶弹性系数。
2025 Vol. 46 (6): 807-820 [
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821
基于FDP-PCG的大型结构静力重分析方法
曹鸿飞 朋茜 杨秋伟
本文将柔度分解扰动(Flexibility disassembly perturbation, FDP)和预共轭梯度法(Preconditioned conjugate gradient, PCG)结合起来，提出一种FDP-PCG静力重分析新方法，并将其与蒙特卡洛(Monte Carlo, MC)方法结合起来用于大型结构随机有限元分析。所提方法可以快速求解结构每次随机采样的静力响应，并据此开展响应参数统计分析及失效概率计算。和传统MC算法相比，所提方法计算精度基本不变但计算效率显著提升。两个数值案例的结果表明，FDP-PCG方法显著优于传统MC方法和原PCG方法。以大跨斜拉桥结构为例，FDP-PCG方法的计算时间仅为传统MC方法的20%左右，即使在材料性能随机性很大的情况下，各项指标的计算误差也都小于0.5%。所提方法为大型结构的随机有限元分析提供了一条快捷可靠的新途径。
2025 Vol. 46 (6): 821-835 [
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836
基于相场理论模拟微波照射下初始缺陷对混凝土界面开裂的影响
乔汝佳 张行 邵珠山 董云鹏 雷周枫林 耿义坪
回收高品质的骨料是废弃混凝土循环利用的核心工作之一。利用微波加热技术诱导骨料-砂浆界面开裂可显著提高回收骨料的品质。为了深入探讨微波作用下混凝土骨料界面的开裂行为，分析初始缺陷对混凝土界面裂纹扩展规律的影响，建立了电磁-热-力多场耦合相场模型。该模型模拟了微波作用下混凝土内电磁场、温度场以及应力场的动态分布，揭示了微波功率、加热时间，以及初始缺陷的位置、角度等重要因素对混凝土界面裂纹扩展的影响。通过与微波加热试验结果对比，验证了相场模型的可靠性。结果表明，初始缺陷的存在可改变界面裂纹的扩展路径，通过双重路径影响材料破碎的效果：一方面显著改变试块内部电磁场分布特征，诱发局部温度场改变；另一方面在裂纹尖端形成应力集中效应，改变了整体的应力分布，不仅影响了界面开裂的区域，使得整体裂纹扩展速率提升并且损伤面积也得到增加。研究成果为微波破碎混凝土回收骨料技术的工程应用优化提供了重要的理论支撑。
2025 Vol. 46 (6): 836-850 [
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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