地球流变学研究现状

地球流变学研究地球介质的流变学性质、地质构造的形成和演化、地震的前兆及其发展、泥石流、岩浆流、冰川运动等地学问题。它是介于地球科学和力学之间的边缘学科。本文介绍地球流变学的进展,包括:岩石蠕变实验,利用观测数据反演地球流变学性质,岩石圈变形分析,动力热体系,地质构造、矿物颗粒的定向分布以及地震过程与流变学的关系。      

折纸及其折痕设计研究综述

折纸是指不经剪裁和粘接,将二维平面纸张折叠成三维立体的方法,具有设计简单、成形迅速、适用范围广等优点,在可展开式结构、结构组装与自成型等领域有着广阔的应用前景. 本文首先简述了多种典型的新式折纸应用,如屈曲诱导的微尺度三维结构、可折叠太阳能电池板、DNA螺旋组装结构等;根据折纸的曲线折痕数量、相对运动、刚性折叠面、使用纸张数量界定折纸的分类;然后 折痕设计是实现折纸结构的核心问题,着重阐述了折纸的折痕设计方面,包括梳理折痕设计的基本条件,给出若干典型折痕设计如三浦折痕设计、水弹折痕设计、吉村式折痕设计和对角线型折痕设计,介绍典型折痕设计的显著特点及几何条件,将目前折纸折痕设计的创新方法归纳为对经典折痕设计适当改进、形成折痕设计数据库、利用拓扑优化方法、借助成型的汇编算法等;最后,基于当前折纸的研究进展对未来的研究方向进行了展望,其中涉及到可重构折纸结构、四维折纸、多材料折纸和多尺度折纸等.      

合成射流技术及其在流动控制中应用的进展

流动控制是流体技术最主要的研究领域,21世纪的空气动力学将在流动控制领域取得重大突破; 合成射流是一种基于旋涡运动的零质量射流,是流动控制领域近10年来最热门活跃的流动主动控制技术.首先介绍了合成射流激励器及激励器的基本类型,并概括了激励器的主要发展方向,即宽频域、高动量、``强壮'的合成射流激励器和微小型激励器.尔后,对合成射流激励器工作原理、合成射流结构以及合成射流独特的流场特征和合成射流技术的特点进行了综述.最后着重对合成射流技术主要和潜在应用,如流动分离及气动力控制、射流矢量控制、增强掺混及加强传热和传质、抑制噪声、微流体控制、飞行控制以及粒子的散布控制、合成射流陀螺仪技术等进行了介绍和综述,同时对其在各应用领域的控制机理进行了归纳总结.      

颗粒流润滑过程中粉末层的微观破坏形式和机理分析

将松散的石墨粉末导入到面接触摩擦副间隙中,对粉末层形成和破坏过程的宏、微观现象进行了跟踪和分析.通过对粉末层的电子、光学显微镜观察及能谱分析发现粉末层典型的生命周期包含完整、轻微破损、严重剥落和完全破坏4个阶段.利用光学显微镜观察到粉末层的鼓包、部分剥落、分层剥落和擦伤等微观现象,这些现象代表粉末层不同阶段的破坏状态和磨损程度.鼓包、部分剥落、分层剥落是粉末层破坏的早期形式.擦伤是粉末层破坏的严重形式,表明上试件和下试件发生了表面的直接接触并产生磨损,通常能够在粉末层完全破坏之前观察到.     

不同心排出量下主动脉瓣血流动力学的PIV实验研究

主动脉瓣发生病变时导致心排出量(cardiac output, CO)减少,而心排出量减少与主动脉瓣血流动力学耦合作用, 引发瓣膜继发性疾病.本文基于医学影像数据三维重构带有冠状动脉的主动脉根部,制备高度光滑和透明的主动脉根部实验模型, 构建体外脉动循环模拟系统,利用粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)研究冠状动脉存在时心排出量对主动脉瓣速度分布、黏性剪应力(viscous shear stress, VSS)和雷诺剪应力(Reynolds shear stress, RSS)等血流动力学的影响.研究结果表明: 冠状动脉的存在改变了主动脉窦中的涡旋运动和涡度,冠状动脉存在时流体经由冠状动脉流出, 主动脉窦中的涡旋运动逐渐消失,涡度较早开始减小. 峰值期, 中心对称流动两侧区域存在正、负高黏性剪切区域,存在冠状动脉一侧的升主动脉下游存在高雷诺剪应力区域.心排出量显著影响主动脉瓣的速度分布、VSS和RSS等血液流动和受力状况.随着心排出量增大, 冠状动脉存在时峰值期的最大速度、VSS和RSS增大, 即$CO=2.1$, 2.8, 3.5和4.2 l/min时, 最大速度分别为0.98, 1.13, 1.21和1.37 m/s, 最大VSS分别为0.87, 0.95, 0.96和1.02 N/m$^{2}$, 最大RSS分别为103.76, 116.25, 138.68和146.55 N/m$^{2}$. 心排出量较低时,主动脉瓣较低的跨瓣流动速度和黏性剪应力易导致血栓形成,研究结果可为主动脉瓣置换术提供理论参考.      

基于分子动力学的氧化石墨烯拉伸断裂行为与力学性能研究

与石墨烯相比,氧化石墨烯(graphene oxide, GO)的亲水性、分散性和反应活性更好,更易于作为增强材料而研发生成性能超常的复合材料,但另一方面,由于其电子结构较为复杂,致使目前有关力学方面的研究存在一定差异.本文利用分子动力学方法,建立了羟基、羧基和环氧基等官能团随机分布的GO原子模型;通过单向拉伸模拟,分析了其断裂行为,结果表明,远离羟基和羧基的环氧基对断裂具有"诱导"作用,并从化学成键、体系能量和应力分布三个角度对其机理进行了阐释;此外,进一步研究了拉伸应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线、极限强度、极限应变等力学性能与含氧官能团覆盖度间的关系,结果表明,极限强度、极限应变均随含氧官能团覆盖度的增大而呈减小趋势.分析认为,主要原因是官能团的出现对石墨烯面内的sp$^{2}$杂化形式造成了破坏,进而使得原子间键合能弱化,随着含氧官能团的覆盖度的增大,被弱化的键合能的数量和程度将越大,从而使得GO的极限强度、极限应变等越低. 研究结果可为GO的基础研究和工程应用提供参考.      

From the water wheel to turbines and hydroelectricity. Technological evolution and revolutions

Since its appearance in the first century BC, the water wheel has developed with increasing pre-industrial activities, and has been at the origin of the industrial revolution for metallurgy, textile mills, and paper mills. Since the nineteenth century, the water wheel has become highly efficient. The reaction turbine appeared by 1825, and continued to undergo technological development. The impulsion turbine appeared for high chutes, by 1880. Other turbines for low-head chutes were further designed. Turbine development was associated, after 1890, with the use of hydropower to generate electricity, both for industrial activities, and for the benefits of cities. A model “one city + one plant” was followed in the twentieth century by more complex and efficient schemes when electrical interconnection developed, together with pumped plants for energy storage.     

中国高速列车研发与展望

十几年来, 以高速列车为代表的高速铁路装备在长期技术积累和自主研发的基础上,经过引进消化吸收再创新、自主提升创新、全面创新和持续创新,成功研制了多代先进的高速列车产品. 通过不断的技术创新,突破了高速列车系列关键技术, 形成了自主研发能力,不断提升高速列车的安全性、可靠性、经济性、环保性及智能化.我国高速列车的运行速度、综合舒适度、安全性、可靠性、节能环保等各项综合性能指标优良,部分指标达到国际领先水平.论文系统回顾了我国和谐号动车组、复兴号动车组、城际动车组、前沿动车组产品的发展成就及主要技术突破,分析了高速列车研发过程中面临的复杂环境适应性、大系统复杂耦合作用、安全可靠设计、智能化应用等关键技术挑战,系统概述了高速列车故障预测与健康管理技术、车体轻量化技术、被动安全防护技术、碳纤维复合材料应用、气动外形设计技术、高速转向架技术、噪声控制技术、牵引制动技术等关键技术的研究进展及主要技术突破, 并展望了高速列车动力学技术、结构安全技术、被动安全防护技术、流固耦合技术、牵引制动技术、智能控制安全技术、故障预测与健康管理技术、综合节能技术等关键技术的未来发展方向.      

一种适用于岩土的扩展强度及屈服准则

土壤材料是一种典型的摩擦型材料,然而天然岩石却具有一定的凝聚力,而金属材料则完全是凝聚型材料. 在分析三种典型的材料强度准则表达式基础上,即SMP,Lade-Duncan以及广义Von-Mises准则,通过利用应力张量的不变量表达形式,提出了一种扩展准则即VML准则,该准则能够分别退化为上述3种典型准则. 在偏平面上,新准则能够描述从曲边三角形到圆形在内的多种开口形态;在子午面上,采用幂函数作为破坏准则公式,能够描述静水压力对于强度特性影响的非线性性质. 而对于土壤的屈服性质,岩土材料具有典型的压剪耦合特性,因此,为了描述剪切与等方向压缩两种路径下的体积耦合现象,采用水滴型屈服面作为屈服准则. 对于偏平面上的截面形状,讨论了给定球应力下偏应力强度值的分布形式及特点,讨论了应力罗德角对于偏平面上强度曲线的凹凸性的影响. 最后,通过多种材料的破坏与屈服试验成果,用所提新准则进行了验证. 通过强度以及屈服特性测试对比,验证了所提VML准则的合理性.      

模拟不同节理粗糙度对单裂隙渗流的影响

在研究岩体裂隙间的渗流特性时,节理粗糙度会影响裂隙水流的渗流特性和路径,因此需要对粗糙表面进行恰当的描述。本文选取伸长率、最大起伏高度、最大起伏角和分维数4个参数刻画粗糙度。结合分维数的计算方法,选择当最大起伏高度为2.5mm、节理宽度为5mm时,随机生成4组直线和曲线节理边界。建立二维模型模拟发现,最大起伏角、伸长率和分维数是影响水流流速分布的敏感因素。在节理最高起伏处的下边界,流速值最大。此外,粗糙度的方向性对渗流影响较大。同等节理条件下,可发现沿水流方向,最大起伏高度的位置越靠后,越能抑制最大流速值,从而减小渗流破坏。最后,根据规则锯齿状的节理试验分析表明,在外力条件下,渗流量一定时,节理通道一旦发生改变,内部形成的漩涡便与水流的有效路径呈现负相关关系。     

双曲率壳的力学研究进展

双曲率壳是飞机、汽车以及船舶上常见的薄壁结构，其中性面可看作是一条动曲线沿着另一条曲线扫掠所形成的曲面．双曲率壳的非线性理论不断更新推动着双曲率壳力学行为的研究．随着工程实际应用的不断改进，如功能梯度材料(FGM)，加筋壳，弹性地基模型等的引入，双曲率壳在强度、变形和稳定性等方面的研究得到了进一步促进．本文首先回顾了双曲率壳结构非线性力学基本理论发展过程，主要阐述了经典的二维板壳理论，如Donnell 薄壳理论，一阶剪切变形壳理论，高阶剪切变形壳理论，和三维板壳理论的理论体系及基本公式，并对几种理论之间的联系和应用进行了总结和讨论，简述了近几十年来国内外学者在双曲率壳非线性弯曲、稳定性和振动等方面的最新研究成果，最后对双曲率壳体研究目前的局限性和未来的研究方向进行了探讨．     

Constraints, Constitutive Limits, and Instability in Finite Thermoelasticity

This paper examines all the possible types of thermomechanical constraints in finite-deformational elasticity. By a thermomechanical constraint we mean a functional relationship between a mechanical variable, either the deformation gradient or the stress, and a thermal variable, temperature, entropy or one of the energy potentials; internal energy, Helmholtz free energy, Gibbs free energy or enthalpy. It is shown that for the temperature-deformation, entropy-stress, enthalpy-deformation, and Helmholtz free energy-stress constraints equilibrium states are unstable, in the sense that certain perturbations of the equilibrium state grow exponentially. By considering the constrained materials as constitutive limits of unconstrained materials, it is shown that the instability is associated with the violation of the Legendre–Hadamard condition on the internal energy. The entropy-deformation, temperature-stress, internal energy-stress, and Gibbs free energy-deformation constraints do not exhibit this instability. It is proposed that stability of the rest state (or equivalently convexity of internal energy) is a necessary requirement for a model to be physically valid, and hence entropy-deformation, temperature-stress, internal energy-stress, and Gibbs free energy-deformation constraints are physical, whereas temperature-deformation constraints (including the customary notion of thermal expansion that density is a function of temperature only), entropy-stress constraints, enthalpy-deformation constraints, and Helmholtz free energy-stress constraints are not.     

页岩气储层暂堵转向压裂直井段暂堵球运移特性研究

考虑附加质量力、相间阻力、Basset力、重力、浮力等力学条件,建立了暂堵球运移过程动量守恒模型,通过四阶龙格-库塔方法对其求解,并以长宁区块气井直井段为例进行研究.结果表明:在直井段,暂堵球呈现先加速后减速,最后匀速运动的规律,暂堵球加速度ab≤0阶段,暂堵球运移速度达到最大峰值;随着暂堵球直径、密度及排量增大,暂堵...     

多维磁浮柔性转子控制系统分岔与控制器设计

讨论了多维悬浮柔性转子控制系统局部及全局分岔问题,首先建立了该复杂系统动力学模型,应用中心流形和求规范形综合方法,得到此系统非半简双零特征值问题的规范形及其普适开折,并进一步讨论了此控制系统的分岔 行为（余维二分岔）及稳定性;给出了为实现稳定控制,控制器参数、转子系统结构参数的相互关系及稳定控制域,即给出分岔 参数条件、分岔曲线、转迁集,最后,给出此柔性转子控制系统的数值仿真结果。     

海洋结构物摩擦学问题的研究进展

海洋结构物主要包括海上钻井平台、油气开采平台、FPSO、海底输油管线及海上大型储油罐等大型海上结构物.海洋结构物总是处于波浪、海流、风暴、海冰等严峻海洋环境中,并受到海生物污损、海洋腐蚀、磨损等多方面因素相互作用的影响,摩擦学问题无处不在.论文针对海洋平台结构、流体处理及运输设备、定位设备及作业设备四方面的摩擦学问题进行论述,主要介绍了海洋平台结构、管道系统及海水泵、锚链及螺旋桨、钻井套管及电潜泵等海工设备的工作特点,概述了国内外关于这类海工设备的摩擦学问题的研究现状,并对海洋结构物的摩擦学研究重点进行了展望.     

透平转子的可靠性设计

介绍透平转子的可靠性设计方法。该方法以传统的转子强度和振动的设计方法为基础,把透平转子的静应力、材料静强度、应力幅、尺寸系数、表面加工系数、应力集中系数、材料疲劳极限、热疲劳累积损伤程度、材料低周疲劳程度、蠕变寿命、固有频率、激振力频率、不平衡响应等处理为随机变量,使用机械概率设计法确定转子设计的可靠度。文中给出了透平转子静强度、疲劳强度、热疲劳、蠕变寿命、避开弯曲共振、避开扭转共振和限制不平稳响     

Debye-Hückel solution for steady electro-osmotic flow of micropolar fluid in cylindrical microcapillary

Analytic expressions for speed, flux, microrotation, stress, and couple stress in a micropolar fluid exhibiting a steady, symmetric, and one-dimensional electro-osmotic flow in a uniform cylindrical microcapillary were derived under the constraint of the Debye-Hiickel approximation, which is applicable when the cross-sectional radius of the microcapillary exceeds the Debye length, provided that the zeta potential is sufficiently small in magnitude. Since the aciculate particles in a micropolar fluid can rotate without translation, micropolarity affects the fluid speed, fluid flux, and one of the two non-zero components of the stress tensor. The axial speed in a micropolar fluid intensifies when the radius increases. The stress tensor is confined to the region near the wall of the mi- crocapillary, while the couple stress tensor is uniform across the cross-section.     

Generation, transport, and deposition of tungsten-oxide aerosols at 1000 °C in flowing air/steam mixtures

Experiments were conducted to measure the rates of oxidation and vaporization of tungsten in flowing air, steam, and air/steam mixtures in laminar flow. Also measured were the downstream transport of tungsten-oxide condensation aerosols and their region of deposition, including plateout in the superheated flow tube, rainout in the condenser, and ambient discharge that was collected on an array of sub-micron aerosol filters. The nominal conditions of the tests, with the exception of the first two tests, were tungsten temperatures of 1000 °C, gas mixture temperatures of 200 °C, and boundary temperatures of 150–200 °C. It was observed that the tungsten oxidation rates were greatest in all air and least in all steam, and generally decreased non-linearly as the steam mole fraction increased. The tungsten oxidation rates in all air were more than five times greater than the tungsten oxidation rates in all steam. The tungsten vaporization rate was zero in all air, and increased with increasing steam mole fraction. The vaporization rate became maximum at a steam mole fraction of 0.85 and decreased thereafter as the steam mole fraction was increased to unity. The tungsten-oxide was transported downstream as condensation aerosols, initially flowing upwards from the tungsten rod through an 18-in. long, 1-in. OD quartz tube, around a 90° bend with a 3.5-in. radius, and laterally through a 24-in. horizontal run. The entire length of the quartz glass flow path was heated by electrical resistance clamshell heaters whose temperatures were individually controlled and monitored. The tungsten-oxide plateout in the quartz tube was collected, nearly all of which was deposited at the end of the heated zone near the entrance to the steam condenser that was cold. The tungsten-oxide that rained out in the condenser as the steam condensed was collected with the condensate and weighed after being dried. The aerosol smoke that escaped the condenser was collected on the sub-micron filter assemblies. There was no aerosol generation for the case of all air, so the plateout, condensate, and smoke were all zero. For the case of all steam, there was very little plateout in the superheated regions; almost all of the aerosol was collected in the condensate from the condenser and there was no smoke discharge into the filters. For the experiments with intermediate air/steam fractions, there was some aerosol plateout, considerable aerosol in the condensate, and aerosol smoke discharged from the condenser with the escaping air.     

骨陷窝-骨细胞形状和方向对骨单元内液体流动行为的影响

骨组织内的流体流动不仅为骨细胞的生存提供了充足营养供应及代谢物排放途径,也在骨重建过程中起到关键作用. 为了更精确地阐明骨内液体流动的具体形式,这项研究利用骨陷窝-骨细胞的密度,形态和方向等参数来计算骨单元内液体的流动行为. 首先,计算出不同形状和方向的骨陷窝周围骨小管的数量及分布情况,其次利用算出的参数以及骨组织其他微结构数据来估计骨组织的渗透率和孔隙率等参数,最后根据计算所得的参数建立骨单元的多孔弹性力学有限元模型,并分析了在轴向位移载荷作用下骨陷窝形状和方向对骨单元内液体渗流行为的影响. 结果表明,在所研究的参数范围内不同骨单元模型的相同区域上,骨陷窝形状影响下的骨单元最大压力和流速比最小的分别增加了86%和18%;骨陷窝方向影响下的最大压力和流速比最小的分别增加了125%和56%. 伸长形骨陷窝对单个骨单元局部压力的影响远大于扁平形和圆形骨陷窝. 骨陷窝从0°绕$x$轴旋转到90°过程中压力是逐渐降低的,且30°,45°和60°的模型对骨单元内局部流速有显著影响. 该模型表示骨陷窝的形状和方向以及骨小管的三维分布对骨单元内液体压力和流速幅值及沿不同方向的流动差异有显著的影响. 这项研究将有助于精确量化描述骨内液体的流体行为.