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2026年 47卷 3期
刊出日期：2026-06-28
研究论文
研究论文
281
液晶弹性体-形状记忆聚合物复合结构的热-力耦合行为研究
郑成浩 杨虎啸 陈梓坷 陈柏宏 戴璐 肖锐
液晶弹性体（LCE）具有响应速度快、变形可逆且驱动幅值大等特点，在软体机器人领域具有广泛的应用前景，然而液晶弹性体的模量低，难以提供稳定的刚度。与之不同，形状记忆聚合物（SMP）随着温度的变化能极大的改变其模量并可实现形状固定，但其不具备可逆的形状改变能力。因此，通过结合液晶弹性体和形状记忆聚合物，形成复合结构，有望同时实现可逆驱动与形态锁定的有效设计策略。本论文基于仿真手段验证了上述方案的可行性。首先建立了液晶弹性体力-热-序耦合的本构模型，能够描述单畴液晶弹性体在温度变化过程中由于向列相-各向同性相转变所导致的形状改变，同时建立了基于玻璃化转变机制的粘弹性本构模型，该模型能够描述非晶聚合物的形状记忆效应。在此基础上，将上述本构模型植入有限元软件，并开展了液晶弹性体-形状记忆聚合物双层梁结构的响应行为研究，相关结果显示可以通过调控向列相-各向同性相转变区和玻璃化转变区的范围，实现不同的响应和形状锁定功能。上述结果验证了基于液晶弹性体-形状记忆聚合物复合结构实现复杂驱动行为的可能性。
2026 Vol. 47 (3): 281-290 [
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291
热力耦合问题嵌入域等几何分析
张鹏 张世林 孟伟 柴涵涵 王晨 祝雪峰
复杂三维结构中的热传导及热力耦合分析对于几何表示精度和数值求解稳定性提出了较高要求。传统有限元分析方法在处理复杂CAD几何时依赖繁琐的网格划分，易产生精度损失；而传统等几何分析方法又受限于参数化困难，难以直接应用于工程中常见的B-Rep表示几何数模。针对上述问题，本文发展了热力耦合问题嵌入域等几何分析方法。该方法以NURBS为背景样条，通过引入虚拟域和单元分类策略，结合自适应高斯积分实现了对复杂模型的精度几何近似，并在此基础上推导了稳态热传导方程及热应力的离散形式。数值算例表明，该方法在无需网格划分与几何重构的条件下，能够稳定、准确地完成复杂结构的稳态热传导及热力耦合分析，具有良好的数值精度与几何适应性，为复杂工程结构的热力耦合分析提供了一种有效的数值分析途径。
2026 Vol. 47 (3): 291-305 [
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306
CoCrNi基析出强化中熵合金动态力学行为的数值模拟
普丽霏 赵聃 王强 方慧青 王建军 马胜国 王志华
析出强化型中/高熵合金在动态载荷下具有重要的应用潜力，其强化机理与微观变形机制亟需从多尺度角度进行量化揭示。本文以CoCrNiSi0.3C0.048中熵合金为研究对象，结合分离式霍普金森压杆动态压缩实验与晶体塑性有限元模拟，系统研究了其在103 ~ 104 s?1应变率范围内的力学行为与微观机理。本文建立了一个耦合几何必需位错（Geometrically necessary dislocations；GND）密度演化与多级析出相强化效应的晶体塑性本构模型，以揭示三级析出相对动态力学行为的影响。结果表明，模型预测的动态应力-应变响应与实验结果吻合良好。硬质析出相是引发微观应力场非均匀性与局部应变梯度的核心因素，其驱动几何必需位错早期快速累积，并显著提升统计储存位错（Statistically stored dislocation；SSD）的存储效率，二者协同贡献了主要的加工硬化。此外，高应变率通过抑制位错动态回复和加剧位错塞积，进一步放大了应变梯度效应与位错增殖，从而提升了材料的强度与硬化率。最后，从晶粒尺度量化分析了两相界面处应力、应变、GND等差异所导致的变形不协调性。
2026 Vol. 47 (3): 306-320 [
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321
考虑马氏体相变体积应变的激光焊接残余应力晶体塑性模拟研究
赵飞 缪丰屿 李岳刚 黄剑斐 郭凯 张桢
马氏体相变可显著降低焊缝的宏观残余应力。现有研究将其归因于相变体积膨胀，但是其在晶粒尺度的起源及演化规律尚不明确。为此，本文以P91钢激光焊接为对象，考虑马氏体微观相变体积应变，结合电子背散射衍射（EBSD）微观组织重构与晶体塑性有限元模拟，开展焊接相变对残余应力的影响机制研究。结果表明，该模型能够较好捕获焊缝残余应力的微观演化特征。相变体积应变通过变形梯度引入本征应变，在宏观尺度上补偿冷却收缩变形，在微观上诱发晶粒间局部应力积累与释放，从而形成非均匀残余应力场。位错密度分析表明，冷却速率对相变体积应变的影响存在阈值效应：低于10 ℃/s时影响显著；高于该值后不显著。本文从晶粒尺度阐明了马氏体相变诱导微观内应力的形成机制，揭示了冷却速率对于相变行为的调控规律，为理解P91钢焊缝区残余应力的形成提供了理论依据。
2026 Vol. 47 (3): 321-333 [
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334
热力载荷下含残余应力的梯度材料相场模型
刘小虎 朱旺
本文针对新一代热障涂层材料YTaO4/8YSZ梯度陶瓷在极端热力载荷下的断裂行为，建立了考虑温度相关材料属性与初始残余应力的相场断裂模型。通过引入基于力-热能量密度等效原理的温度损伤判据，修正了临界能量释放率等参数的温度依赖性；采用Voigt均质化方案描述梯度材料性能连续变化，并通过本征应变法将残余应力场引入热力耦合框架。基于COMSOL平台实现了对氧化铝陶瓷水淬裂纹扩展和YTaO4/8YSZ梯度结构热致开裂的数值模拟，结果表明：温度相关损伤判据能显著提升裂纹形貌预测精度，残余压应力可使梯度陶瓷裂纹萌生时间延迟，有效抑制裂纹扩展。本研究为梯度热障涂层的断裂失效分析提供了可靠的数值仿真方案。
2026 Vol. 47 (3): 334-349 [
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350
覆冰接触线的动力学特性探讨
张元夏芝 张彪 张巨祥 王波 许向红 魏征
本文针对冲击式除冰技术中覆冰接触线在冲击荷载下的动态响应机理尚不清晰的问题，以单跨覆冰接触线为对象，通过理论推导与有限元仿真相结合的方法，建立了覆冰接触线动力学模型。通过引入无量纲参数ξ，建立了从柔性索到弹性梁的力学状态判别准则，明确了典型参数下覆冰接触线处于柔性索主导状态。研究表明，横波传播具有显著的频散特性，其波速依赖于轴向张力与等效弯曲刚度，并随频率升高而增大；纵波波速则由刚度比γ与质量比δ共同调控，覆冰厚度增加会引起波速下降。该研究系统揭示了覆冰接触线中的波动传播机理，可为冲击式除冰技术的参数设计与工程应用提供理论依据。
2026 Vol. 47 (3): 350-362 [
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363
一维六方压电准晶中不等尺寸双周期裂纹反平面断裂问题
让雪 周彦斌
本文研究了一维六方压电准晶材料中含不等尺寸双周期裂纹在反平面机械载荷与面内电载荷共同作用下的反平面问题。利用椭圆函数理论与保角映射技术，得到了该问题的封闭形式解析解。基于该解析解，本文给出了应力、电位移在裂纹尖端的场强度因子以及含裂纹材料的有效电弹性模量的精确表达式。通过数值计算得出了多裂纹相互作用引起的力-电耦合效应，尤其是小裂纹对主裂纹的屏蔽与强化作用，并给出了由于微裂纹阵列导致的有效电弹性模量的损失。本文所得解涵盖了多种典型裂纹构型,如等长矩形阵列、菱形阵列、行列交错裂纹等特例，为一维六方压电准晶材料的断裂分析提供了理论依据。
2026 Vol. 47 (3): 363-378 [
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379
基于小试样的燃机叶片断裂韧性研究
吉昌兵 秦淑芝 曹岳 禹争光 龙老虎 崔光顺 包陈
为揭示镍基高温合金燃气轮机叶片材料在典型服役温度下的断裂行为及裂纹扩展阻力，本文分别在叶身与叶根区域取样，制备Mini-SEB小尺寸试样，并结合室温和900 ℃拉伸试验对局部断裂韧性进行评价。结果表明：室温下两区域力学性能差异明显，叶根屈服强度较高，而叶身塑性变形能力更强；当温度升至900 ℃时，上述分布规律发生反转，叶根在强度和延性方面均优于叶身。Mini-SEB试验结果表明，两区域试样在900 ℃下的J–Δa曲线整体高于室温水平，条件启裂韧性JQ0.2BL明显提高；断口均表现为延性断裂特征。研究结果表明，小试样方法能够在受限取样条件下获得可靠的断裂参数，可为燃气轮机叶片结构完整性评估提供实验依据。
2026 Vol. 47 (3): 379-391 [
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392
求解有限变形结构动力响应的距离最小化数据驱动法
董标 徐国林 李建光 盛冬发
距离最小化数据驱动法是计算力学领域新兴的计算方法，可将力学边值问题转化为泛函极值问题进行求解。作者曾基于此方法推导了适用于小变形结构动力学问题的求解格式，现将进一步给出适用于有限变形结构动力学问题的求解格式。以有限应变格林公式和动力平衡方程作为泛函约束条件，结合拉格朗日乘子法，建立关于位移和拉格朗日乘子的非线性方程组，采用Newton-Raphson迭代法求解该方程组，利用增量迭代和搜索迭代获得数值解。通过三个典型数值算例的非线性动力响应分析，验证了该求解格式的准确性。
2026 Vol. 47 (3): 392-401 [
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402
热环境下功能梯度石墨烯折纸拉胀超材料曲梁固有频率分析
汤智宏 王秀洋 彭林欣 陈卫
基于一阶剪切变形理论，采用移动最小二乘近似的无网格法研究热环境下功能梯度石墨烯折纸拉胀超材料(functionally graded graphene origami- enabled auxetic metamaterials, FG-GOEAMs)曲梁的自由振动。采用遗传算法(genetic programming, GP)辅助的微观力学模型与混合律相结合的方法来确定材料属性。利用哈密顿原理推导出FG-GOEAMs曲梁的无网格自由振动控制方程。采用完全转换法处理边界条件。文末通过基准算例验证本文方法的收敛性和有效性后，数值讨论了温度、边界条件、几何模型、GOri含量、分布模式和折叠度等因素对FG-GOEAMs曲梁自振频率的影响，研究表明：温度升高会减小FG-GOEAMs曲梁的自振频率，X型分布模式以及更强的边界约束可以削弱温度变化对固有频率的影响。
2026 Vol. 47 (3): 402-415 [
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416
前起落架与机体连接处间隙对起落架摆振的非线性影响分析
郑宇辰 张金龙 高相国 卢翔 赵永奇
结构间隙引起的刚度非线性变化会对起落架的摆振稳定性产生较大影响。为揭示前起落架与机体连接处间隙对摆振系统稳定性的影响规律，该研究建立了考虑机体局部刚度的六自由度摆振动力学模型，通过几何映射将间隙转化为支柱旋转角度，对非线性力矩方程进行光滑化处理，基于分岔理论分析了该间隙对摆振稳定性的影响。结果表明：考虑机体局部刚度会显著影响摆振发生区域，扭转摆振区域随等效刚度降低而扩大，侧向摆振区域随等效刚度降低而减小；随着间隙增大，扭转摆振区域收缩，侧向摆振区域扩大；在固定滑跑速度下，0.1-0.2mm间隙可有效抑制摆振幅值。
2026 Vol. 47 (3): 416-430 [
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431
平面共结点桁架高次超静定结构力学模型与应用
王子权 马海龙 丁海鑫 吴杰 蒋冬磊 姚祖斌
本文以航天器桁架式吊具连接件及航天器起吊过程结构精度与精度稳定性保证需求为研究背景，根据结构刚度矩阵分析理论，以结点在全局坐标系中的坐标建立梁的长度、夹角等几何关系方程，提高模型的适用性，考虑结构的内力品质，建立了n根梁共结点连接桁架的结构力学分析模型，给出了各梁的刚度元素在矩阵结构中的分布，为相关结构参数在一定范围内的大规模计算奠定了理论基础。使用ANSYS建立多线体分析模型，与理论计算结果的对比误差小于1%。模型应用于某圆台型航天器两点连接吊具连接件设计，得到了结点约束力关于矩形钢材截面参数的分布情况。通过有限元分析，得到吊具连接件最大应力为44.051MPa，满足5倍安全裕度。通过激光跟踪仪测量星箭对接面孔位坐标，得到径向半径最大偏差为0.44mm，满足≤0.5mm要求。研究成果可为共结点桁架式结构的相关研究提供参考，在相似类型结构的分析中具有潜在作用。
2026 Vol. 47 (3): 431-442 [
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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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