力学季刊

当前目录

• 聚合物及其复合材料多场耦合损伤本构模型研究进展

  宋浩然, 朱萍萍, 仲政

  聚合物及其复合材料凭借优异的力学性能与高度可设计性，广泛应用于各传统工程及新兴领域．但在材料服役中常暴露于湿热、化学腐蚀、电磁辐射、循环机械载荷等复杂多场耦合环境，易诱发性能退化、各向异性损伤演化等非线性行为．本文首先梳理几类经典聚合物本构模型，剖析其优势与局限；其次聚焦多场耦合下聚合物及其复合材料损伤本构研究进展，阐述模型建构思路、损伤内变量定义、损伤演化微-宏观机制及耦合效应定量表征方法，重点分析连续介质损伤力学在描述多场耦合与跨尺度损伤行为的优劣势；最后展望未来损伤力学的重点研究方向，为相关领域理论突破与工程应用提供参考．

• 低维纳米复合材料多场耦合力学研究进展

  夏晓东, 王梦凯, 仲政

  低维纳米复合材料凭其轻质及优异的力学特性，已广泛应用于固态电池及航空航天等领域．然而，在实际工程中该类复合材料常面临复杂工况，表现出显著的多场耦合与多尺度力学特征．本文聚焦于低维纳米复合材料的多场耦合力学行为，从实验表征、理论建模及数值模拟三个维度，系统综述了晶粒尺寸相关弹塑性损伤力学、温度相关粘弹性力学以及温度相关粘塑性损伤力学的研究进展．重点阐明了如何通过多尺度模型建立温度效应、位错机制、界面效应及微结构演化等微观机制与宏观多场耦合特性的内在联系．最后，梳理了低维纳米复合材料多场耦合力学领域当前的挑战，并对未来研究方向进行了展望．

• 基于晶体塑性有限元法的HCP 锆合金孔洞演化及各向异性力学行为研究

  何昊东, 陈忠村, 刘虓瀚, 李阳, 杨庆成

  锆合金因其优异的力学性能与耐腐蚀性能，被广泛应用于核反应堆燃料包壳等关键领域．然而，在核辐照作用下，其内部会形成孔洞，从而显著影响材料的力学性能与服役安全性．本文基于晶体塑性有限元法(Crystal Plasticity Finite Element Method, CPFEM)，建立并实现了一种适用于六方密排（Hexagonal Close-Packed, HCP)结构锆合金的率相关晶体塑性本构模型，并通过在Abaqus平台编写UMAT子程序实现数值求解．采用包含球形孔洞的锆合金单晶代表性体积单元(Representative Volume Element, RVE)模型，系统研究了不同加载条件（单轴与双轴拉伸、压缩）下的宏观力学响应与微观孔洞演化规律．结果表明，孔隙率对锆合金的强度与损伤演化具有显著影响：在单轴拉伸下，孔洞扩张导致材料出现明显软化效应；而在单轴压缩下，孔洞收缩引起几何硬化效应，使流动应力随变形持续增加．此外，晶体初始取向对宏观各向异性行为具有决定性影响——当拉伸方向由〈a1〉轴转向〈c〉轴时，材料表现出更高的屈服强度与弹性刚度．进一步研究发现，多轴应力状态会显著改变孔洞的演化特征：双轴拉伸加速软化失效过程，而双轴压缩则强化硬化效应．该研究揭示了孔洞演化、晶体取向与加载路径对HCP锆合金力学行为的耦合影响，为复杂应力条件下的结构安全评估与性能优化提供了重要理论依据．

• 三杆张拉整体机器人多绳索协同的驱动策略研究

  张家成, 宋自根

  张拉整体机器人凭借其轻质、可变形以及优越的结构适应性，在行星探索、灾害救援等领域展现出广阔的应用前景．现有针对张拉整体机器人驱动控制策略的研究中，主要基于最少个数的绳索驱动设计原则．即在机器人驱动控制设计过程中，如果仅收缩单个绳索即可实现运动，则优先收缩该绳索，而不驱动其他绳索．这就导致了因为需要收缩绳索的长度很大，而引起机器人驱动控制的响应时间变长，使得机器人在移动时运动效率低下，限制了其工程应用．为此，本研究以三杆张拉整体机器人为研究对象，基于力密度法，对张拉结构的几何构型与静力平衡特性进行了系统建模，分析了其受力-变形的响应关系．进一步，利用重心偏移的滚动判定方法，设计了遍历搜索算法，提出了基于多绳索协同驱动的控制策略，实现单个绳索收缩量的减小，从而降低机器人在运动变形过程中的结构变形幅度，实现了驱动控制响应时间的显著缩短．最后，研制了基于ESP32控制系统的三杆张拉整体机器人实验平台，并通过原型实验验证了所提出策略的有效性．结果表明，相较于最少驱动绳索运动控制策略，多绳索协同驱动模式能够显著降低变形幅度，减少响应时间．

• 旋转Rayleigh-Bénard 对流中旋涡从无序态到超涨落态的转变

  谢今晓, 钟锦强

  在旋转Rayleigh-Bénard对流系统中，对流旋涡作为流动的基本单元，其相互作用主导了系统的输运特性．本研究结合实验观测与统计分析，揭示了旋涡分布随约化瑞利数Ra/Rac的减小，从无序随机态向超涨落态的动力学转变．基于密度涨落的分析表明，在强旋转约束下，系统涌现出显著的巨数涨落特征，幂律指数显示其超越了随机泊松分布．静态结构因子 S(k) 的计算结果显示，旋涡虽在全局上缺乏长程周期性，但在局域尺度上呈现出与六方晶格高度吻合的有序排列模式．进一步的空间关联函数与旋涡团块统计分析发现，旋涡间的流体相互作用与位阻效应诱导了局部各向异性，促使具有自相似特性(L ~ N0.65)的大尺度旋涡团块形成．这种团块结构的长程关联被证实是系统产生超涨落现象的物理根源．本研究阐明了对流旋涡分布的复杂统计特性，为理解湍流对流中自组织结构的集体行为提供了新的物理视角．

• 考虑温度和溶质含量的先驱液表观黏度模型及浸渍效果分析

  何云璐, 王岭, 陈熹, 戴瑛, 贺鹏飞, 邱海鹏

  在制备陶瓷基复合材料的先驱体浸渍裂解(Precursor Impregnation Pyrolysis, PIP)工艺中，浸渍过程的效率受到先驱液的黏度影响，黏度取决于浸渍温度、先驱体溶质质量分数和剪切速率．本文基于阿伦尼乌斯形式建立了一个考虑温度、溶质质量分数和剪切速率的五参数先驱液表观黏度模型．选取混入陶瓷微粉和不同溶剂类型的聚碳硅烷(Polycarbosilane, PCS)先驱液进行参数标定和模型验证，分析了先驱液黏度对温度、剪切速率和PCS质量分数的敏感性．在该黏度模型基础上推导了毛细管内先驱液浸渍深度与溶质质量分数、温度和浸渍时间的关系．研究表明，该模型能够有效定量分析黏度的影响因素，并为浸渍液配比和工艺条件的优化提供理论依据．

• 氯化聚氯乙烯电缆保护管落锤冲击响应特性与损伤机理研究

  毛丹辰, 李成钢, 储昭杰, 王耀文, 刘建军, 邓向允, 吴佰建

  为揭示氯化聚氯乙烯(Chlorinated Polyvinyl Chloride, CPVC)电缆保护管在标准落锤冲击下的动态响应特征与损伤机理，本文结合实验与数值仿真开展系统研究．通过落锤冲击试验，对不同性能批次试样在多能级冲击下的动态应变与损伤形态进行测试；基于有限元软件建立三维显式动力学模型并经试验数据验证其可靠性．依托该模型，深入分析了冲击力、应变、应变率、接触应力及能量吸收等关键物理量的演化规律，并结合不同批次试样的损伤表现，明确了影响冲击响应与失效模式的主导因素．研究揭示了 CPVC 电缆保护管在冲击载荷下的动态力学行为与损伤机制，所提取的关键物理量指标可为轻量化、便携式现场快速检测装备的设计与标定提供理论依据和评价标准．

• 无螺纹自锚式锚杆承载特性的物质点法模拟研究

  冯攀举, 周晓敏, 李松刚, 孙政

  针对无螺纹自锚式锚杆的承载特性，基于B样条物质点法(B-spline Material Point Method, BSMPM)，引入了库伦摩擦模型、指数模型和双曲线模型，发展了土体-锚杆耦合界面接触模型，开展了锚杆的竖向和水平拉拔模拟，并与已有试验结果或理论解进行对比．结果表明：(1) B样条物质点法能够准确计算土体-锚杆耦合问题，引入三种接触模型下的耦合模型所得锚杆竖向拉拔模拟结果均与已有试验结果吻合较好，所得锚杆水平承载力特征值与理论解相对误差在合理范围内，指数接触模型、摩擦接触模型和双曲线接触模型的相对误差分别为12.03%、13.04%和13.19%；(2) 水平荷载下锚杆变形由锚杆与土体的相对刚度主导，长径比增加至30时，锚杆变形特征由刚性转变为弹性；(3) 随着锚杆直径的增大，水平变形系数呈幂指数减小，锚杆的水平承载力呈负指数衰减型曲线增长规律，锚杆直径由100 mm增大至400 mm，水平承载力提升83% (10.3 kN→18.87 kN)．研究结果验证了B样条物质点法在土体-锚杆耦合问题研究上的可行性，为土体-结构耦合问题研究提供了可靠分析方法．

• 含非对称内部结构的水下壳体声场波数谱特征研究

  马力, 潘永东, 殷学文, 金亚斌

  水下壳体的声振特征对于掌握振动传播与声辐射机理至关重要．传统的频域分析方法，能够通过准确建立模态贡献量与线谱噪声的定量关系以实现深度揭示水下结构声辐射的物理机理，受到持续广泛的关注，但壳体内结构弹性波与声辐射特征的内在联系及其物理机理尚不清晰．本文以典型水下壳体结构为例，将声振系统有限元法与空间傅里叶变换法结合，提出了壳体结构弹性波及其辐射亮点的波数域分析方法．通过不同基座形式的结构典型算例，揭示了结构对称性对弹性波波数域中辐射亮点特征的影响，进一步基于空间波数谱与壳体法向振速、远场辐射波、声功率等建立了频域与波数域对应关系．研究结果表明提高基座对称性有助于降低组合壳体结构的声辐射水平，可为后续结构优化设计提供全新的理论支撑．

• 变角度纤维复合材料多孔板的屈曲问题研究

  张宁, 徐志军, 刘亚威, 陈晓东, 聂国隽

  本文基于经典层合板理论，借助等几何分析法和有限胞元法，针对不同开孔形状、开孔尺寸和开孔数量的变角度复合材料多孔层合板的屈曲问题进行了研究．并与现有文献或有限元结果进行对比，验证了此方法处理变角度复合材料多孔板屈曲问题的收敛性和正确性．进一步，对多种边界条件和纤维路径下含单孔或多孔的变角度纤维复合材料层合板进行了参数化屈曲分析．结果表明，合理的纤维铺设角度可以显著减少由于开孔造成的屈曲性能损失．