Strati¯ed turbulence experimental platform and its application in innovative teaching practice

介绍了上海大学上海市应用数学和力学研究所湍流与环境流体力学实验室分层湍流实验平台的建设,以及基于此科研平台进行的LIF(laser-induced fluorescence)流动显示、PIV(particle image velocimetry)流场测量和PDA(particle dynamic analyzer)单点测量等教学实验结果,最后对此平台在研究生创新实践教学过程中的应用过程进行了介绍. 将学科建设的高级实验仪器设备用于流体力学实验教学和人才培养,研学结合,使高水平实验服务于教学改革并提高教学质量,培养高质量创新型人才.     

数字散斑相关方法的原理与应用

应用图像识别与变分学原理，对数字散斑相关方法作了理论阐述，导出了测量物体表面变形场的一般过程，将力学中的变形测量问题转化为单纯的数值计算问题，避免了传统光测方法与干涉条纹有关的一系列困难。初步的实验结果表明，该方法在工程实际现场、高速冲击动态过程、细观力学变形过程以及变形测量的自动化等方面都有广泛的应用潜力，从而为光测力学拓展应用领域、实现自动化测量展现了新的前景．     

深井/超深井开窗钻头切削齿切削力学分析

针对深井/超深井套管开窗侧钻的特殊性问题中所研究设计的双作用强侧切开窗钻头的结构特点,基于金属切削理论、开窗钻头与布齿规律,建立了开窗钻头切削齿切削力学模型,推导出开窗钻头的几何学方程,完成了切削齿切削力学模型的求解;最后使用本文研制的双作用强侧切开窗钻头进行套管开窗实验,对切削齿切削力学计算模型、仿真结果进行验证。结果表明:在开窗钻头切入套管的初始阶段,仿真计算得到的主切削力比实验所得数据略大,在中间阶段略小,到后期又略大;仿真计算结果能够准确地反映主切削力的变化规律,基本能满足工程应用的要求。本文研究结果为开窗钻头切削力的分析计算提供了理论依据,为深井/超深井套管开窗钻头的设计及切削力学研究提供参考。     

基于数字图像相关方法的材料力学实验教学探索

实验教学是培养学生实践和创新能力的重要手段,如何在有限的实验学时条件下,开展丰富高效的力学实验、关联更多的理论知识点是材料力学教学改革亟需解决的问题。本文引入数字图像相关（digital image correlation, DIC）方法,以带孔低碳钢拉伸和高温镍基合金热变形测量等试验为例,对材料力学实验教学进行改革探索。实践表明,基于DIC方法的实验教学可充分发挥出DIC全场变形可视化、测量过程简单、快速精确等优势,显著调动了学生的学习兴趣,加深了学生对多个关联知识点的理解,同时启迪了学生的科学创新意识。     

仿生皮肤软材料大变形场的数字云纹实验

软物质等大变形材料是近年来力学与材料科学关注的热点问题,与之相关的实验研究也引起格外关注.本文将数字云纹实验技术应用于大变形材料力学实验,研究了软材料大变形场的实验测量与表征技术;以仿生皮肤材料缝线力学的应用为例进行实验分析,通过坐标变换给出集中力作用下的大变形材料径向变形场ur和环向变形场uθ的全场分布,并研究了缝线针口附近区域的变形场分布.分析结果表明,大变形材料的变形场存在明显的扇区变形特征.本文还进一步讨论了两种不同缝合方式下针口周边区域的力学变形特征,并初步分析了不同缝合方式对切口愈合产生的影响.     

综述:阵列式高速摄像技术及其在动态光测力学中的应用

高速摄像技术与先进光测力学方法相结合是研究材料和结构断裂、冲击、爆破、渗透等动态力学行为的重要手段。阵列式高速摄像系统是一种具有成像通道成阵列均匀分布显著特点的高速摄像系统,已在科学研究和工程技术领域得到广泛应用。本文对阵列式高速摄像系统的设计及其动态光测力学方面的应用进行综述。首先,对阵列式高速摄像系统的发展历史和技术改进过程进行概述。其次,阐述阵列式高速摄像系统的研究现状,重点介绍双场镜、旋转镜面和物理分幅等三类典型阵列式高速摄像系统的设计原理,并对不同系统的主要技术指标进行总结。再次,对阵列式高速摄像系统光学视差的定性和定量分析方法进行总结,并对视差修正方法进行归纳。最后,结合光弹法、焦散线法、数字图像相关法、云纹法、相干梯度敏感法和数字梯度敏感法等主要光测实验技术,阐述阵列式高速摄像系统在动态光测力学领域中的应用。本文对阵列式高速摄像系统的设计和应用进行了总结和展望,对于研制动态光测力学设备、推动材料与结构动态力学行为以及阵列高通量测试的基础科学问题的创新性实验研究具有一定参考意义。     

同时测量U、V场的云纹干涉系统

本文介绍了两种可以同时测量物体变形U、V场的云纹干涉系统.并利用该系统成功地完成了有塑性变形高分子材料的泊松比测量实验.     

虚位移场方法在石墨材料力学参数测量中的应用

光测实验技术在现代力学研究中得到了广泛的应用。对于材料力学参数如杨氏模量和泊松比的测量,可利用典型加载试验如拉伸试验、弯曲试验并结合光测方法(如云纹和数字图像相关技术)得到位移值,利用载荷信息和应变场信息通过计算获得相关的力学参数。本文利用虚位移场方法测量石墨材料的力学参数。结合石墨材料的三点弯曲实验,由数字图像相关法测量得到试件表面的非均匀变形场。通过选择两组不同的虚位移场,可以反算出材料的力学参数:杨氏模量和泊松比。结果表明这种方法可以有效测量石墨材料的弹性参数。该方法可望在材料力学行为检测中得到推广应用。     

基于光学和扫描显微平台的微尺度实验力学检测技术和装置研究

本文基于光学和扫描显微平台,介绍了本研究组在微尺度实验力学检测技术和设备方面的最新研究成果。在检测技术方面涉及显微散斑干涉技术、微标记阵列检测技术、晶粒变形分析技术、光学探针动静态变形分析技术;在检测系统和装置方面介绍了新近开发的双视场薄膜检测系统、散斑微干涉系统、微标记检测平台、AFM和SEM单轴拉伸装置、三维微定位与加载系统、微力传感器及其标定装置、微动平台驱动装置等。探讨了微尺度实验力学检测中的问题和新的检测技术,给出了一些典型的应用和相关装置。     

基于光学和探针技术的微纳米固体实验力学研究进展

本文综述了近期微纳米固体实验力学在检测技术和设备平台方面的进展,尤其是基于光学和扫描探针平台的实验技术、方法和相关应用。探讨了不同检测技术的优势以及局限性,涉及微纳米实验力学检测中夹持、加载以及微力与微变形的检测与识别。通过相关的研究事例,介绍巧妙、创新的检测技术和系统在微纳米实验中的重要性,以及微尺度检测中所特有的检测系统与检测对象间的耦合关联等特点。     

开放式柔性材料力学实验平台的建设与实践

提出建设以机器编号为标识,以计算机网络通信技术为支撑的柔性力学实验平台,在这个平台上,学生自主进行实验,而教师在后台监控学生实验,既提高了学生实验的积极性,也减轻了教师的工作量,使实验设备得到很好的保护和利用.     

探针实验力学

扫描探针显微系统的发明，使人们通过探针获得了原子级的微观结构，而近年的研究更是将探针技术应用于各种相互作用的检测和分析之中。一个以探针为检测平台的新的检测技术和系统已日益凸显并引起广泛关注。本文提出探针实验力学这一新概念，并以探针为主题介绍其在微纳尺度材料和结构的力学性能检测中的相关技术和典型应用。涉及探针检测系统及其标定、探针检测中的夹持和加栽、探针和试样表面的相互作用、探针微力传感器等。     

Novel Experimental Method to Determine the Cutting Effectiveness of Grinding Grits

This work presents a novel experimental apparatus to determine the cutting effectiveness of grinding grits. The apparatus consists of a custom high-speed scratch tester, a force measurement system, and an offline 3D optical profilometer. Preliminary results based on a spherical tool are presented to demonstrate the usefulness of the system. Experiments were performed at depths of cut ranging from 0.3 μm to 7.5 μm at cutting speeds of 5 m/s to 30 m/s in 5 m/s increments. High resolution scans of the scratch profiles provided insight into the change in the cutting mechanics as the depth of cut and cutting speed were increased. In general, lower cutting speeds produced higher pile-up heights while higher cutting speeds produced lower pile-up heights. The force measurements indicated that the normal forces increased with cutting speed due to strain rate hardening of the workpiece material while the tangential forces decreased with cutting speed due to a reduction in the coefficient of friction and a change in the cutting mechanics. The force ratio data and the specific energy data both demonstrated high slopes at low depths of cut due to asperity contact between the tool and the workpiece. The modular nature of the developed system allows different grit geometries to be investigated.     

DISCUSSION ON THE APPLICATION OF NUMERICAL EXPERIMENT IN EXPERIMENTAL TEACHING OF FLUID MECHANICS

为强化学生对流体力学课程理论知识及实验教学环节的掌握,本文针对传统实验教学过程中受限于硬件设施、模型等问题,将数值模拟技术与流体力学实验教学相结合。以伯努利实验为例,应用数值模拟软件进行物理建模、网格划分、变参数数值模拟等实验内容,通过压力云图、流线等模拟结果对能量转换特性进行了分析,增强了学生对流体力学理论知识及相关参数的物理意义、变化特征等的理解,使学生在实验中产生强烈的“参与感”,有效地提高了教学水平和教学质量。     

OBE理念下的材料力学教学方法改革与实践

为提高材料力学教学效果,培养学生分析和解决实际问题的能力,开展了目标导向教育(outcome based education,OBE)的教学方法改革与实践。以采矿专业大学生为教学对象,结合巷道支护技术的最新发展动态,针对轴向拉伸、轴向压缩、扭转、弯曲、组合变形和压杆稳定分别导入顶板锚杆、墩柱、锚杆孔钻孔、巷道顶板锚杆布置优化、钢管混凝土支架破坏和墩柱稳定性等案例,运用相关章节力学知识,最终解答了案例。OBE教学方法能让学生深刻地认识到材料力学和所学专业的密切关系,激发学生的学习兴趣,培养学生的科学素养和研究性思维,实践创新和解决工程问题的能力,教学效果显著。     

ON AN INTERDISCIPLINARY TEACHING METHOD OF FLUID MECHANICS AND OTHER MECHANICS RELATED COURSES1)

流体力学是力学和机械等专业本科生的一门专业基础课。由于其涉及数学、物理的概念多、公式复杂、理论抽象而实际应用广,是公认的难教、难学的课程之一。笔者提出了将流体力学与理论力学、材料力学、电动力学等其他力学课程交叉教学的方法,充分利用各门力学课程知识间的联系,使得学生在学习流体力学的同时复习其他力学的知识,通过对比深化理解流体、固体、刚体和电磁场,最终获得对力学学科的整体视野,增强教学效果。     

Figures of and come from two basic structures in force method

在传统的结构力学力法教学中,无论是力法基本方程的建立还是方程中系数和自由项 的求解,都要求在同一基本结构上进行. 本文通过实例计算和比较,采用公式叠加原理分析 了当$M_p$图与$\overline M_1$图分别选自不同的基本结构时,力法基本方程的物 理意义以及计算过程的科学意义. 结果显示在力法计算中,基于不同的基本结构求 解超静定问题,可简化力法的计算过程. 用本文方 法开展教学,有利于学生对力法的深入理解和掌握.     

COMPUTER-ASSISTED TEACHING REFORM FOR THEORETICAL MECHANICS 1)

本文依照四川大学某理论力学教学班实际教学改革的经验,通过具体举例说明计算机技术在理论力学教学中尚未开发的巨大潜力,减小数学运算使学生重点关注理论力学基本原理,批量求解使学生提前接触实际应用案例,普适性求解使学生深化对处理多变量问题的认识。同时本文还探讨了理论力学教学改革的方向和目的,即把教学重点放在普适的教学方法上,借助计算机求解多刚体、多变量问题,以期有助于理论力学教材更好地适应时代发展。     

创新流体实验仪器,探索创新型人才培养

实验教学是理论联系实践的关键环节,对于学生的综合素质培养和提高有重要意义,而传统的实验教学模式已难以满足社会对工程应用型创新人才的要求。本文结合流体力学实验教学改革实践,探讨了改进自制流体力学实验仪器设备对提升大学生创新精神和创新能力的作用。创新化的实验教学,有助于激发学生自主实验的积极性,进而增强了他们应用已学知识解决复杂实际问题的创新能力。     

应用真三维岩体建模仿真技术推进岩石力学教学改革

随着计算机技术的发展和研究项目最新成果的取得, 把岩体真三维建模仿真技术引入到岩石 力学教学改革与实践中, 挖掘教学资源潜力; 开展岩体结构、岩石变形与破坏过程的数值试 验, 再现许多物理实验所不能观察到的力学现象, 例如岩体的空间真三维结构、岩石破坏过 程块体滑落等, 从而使学生对岩石的变形与破坏过程有更加清晰的认识, 提高岩石力学实验 的教学质量.