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.      

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.      

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...     

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.      

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.      

自由面对潜艇尾流场流动特性影响研究

潜艇周围绕流场流动特性会影响潜艇的机动性能, 特别是近水面航行时, 自由面的存在会增大潜艇尾流场的复杂程度.为探究潜艇在近水面航行时自由液面对潜艇尾流场流动特性的影响机理,借助大型水下三维粒子图像测速技术开展潜艇尾流场流动特性研究.首先通过美国泰勒水池标准模型实验结果对试验方法准确性进行验证; 随后,用验证后的模型试验方法对潜艇尾流场进行测量,得到不同潜深工况、不同速度下的桨盘面轴向速度以及脉动速度,同时辅以数值模拟对试验无法测得的兴波波系及中纵剖面速度场加以补充,从兴波角度阐述了自由面对潜艇尾流场流动特性影响机理. 研究结果表明:潜艇在近水面航行时, 随着Fr增大,桨盘面处轴向速度云图中上方等值线整体趋于扁平化, 较4D潜深工况,1.5D潜深工况出现局部脉动速度极大值, 且脉动速度结构整体下移; 自由面存在时,艇体与自由面间流场速度明显增大, 特别在桨盘面区域, 流场速度明显提升.随着Fr增大, 桨盘面处的自由液面高度逐渐降低,这就导致了桨盘面位置出现更大的流体速度, 即造成了桨盘面伴流场挤压现象.      

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.      

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.      

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.     

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．     

Advanced mobility in difficult terrain

The development and success of the Swedish Combat Vehicle CV90 has demonstrated the abilities of the author in the field of terramechanics related to tracked military vehicles. The honour of the Bekker–Reece–Radforth Award 2002 has been granted in recognition of these achievements made during the author's employment at Hägglunds Vehicle AB since 1975. Hägglunds Vehicle AB has been a producer of military vehicles since the late 1950s, although the first years concentrated on production only. From the early 1960s, Hägglunds developed a number of its own tracked vehicles, all of which were influenced by the mobility demands dictated by their intended use in severe terrain conditions, such as those found in Northern Scandinavia. This paper presents a brief history of the advancement of tracked vehicle technology at Hägglunds Vehicle AB. The concepts discussed include: ground pressure, the number of road-wheels, articulated steering, track tension, track attack angle, sinkage, belly effects, and the use of terramechanic simulation. The success of the CV90 demonstrates that the combination of practical experience, terrain knowledge, and terramechanic simulations can effect substantial improvements in vehicle mobility. Evaluation of the CV90 versus other modern combat vehicles of the same class has shown that the CV90 possesses considerably higher mobility and speed under severe terrain conditions. These two attributes provide CV90 with the ability to access terrain that similar vehicles cannot, thus giving the military user greater mobility options.     

NON-CONSERVATIVE NONLINEAR RIGID-ELASTIC-LIQUID- CONTROL COUPLING ANALYTICAL DYNAMICS AND ITS APPLICATIONS$^{\bf 1)}$

非保守非线性刚-弹-液-控耦合分析动力学是与航天动力学和多体动力学相关的重要研究课题之一, 研究这一理论和应用课题具有重要理论意义和实际应用价值. 本研究建立了非保守非线性两类变量的刚-弹-液-控耦合分析动力学的Hamilton型拟变分原理, 并以该Hamilton型拟变分原理的泛函为依据, 分析了刚-弹-液-控耦合中的刚-弹耦合、刚-液耦合与弹-液耦合、控-刚耦合的特点. 借助于Lagrange-Hamilton体系, 从Hamilton型拟变分原理出发推导出非保守非线性刚-弹-液-控耦合系统的Lagrange方程, 并应用该Lagrange方程推导出系统的控制方程. 进一步以该控制方程为依据, 分析了刚-弹-液-控耦合中的刚-弹耦合、刚-液耦合与弹-液耦合、控-刚耦合的机理. 从两个方面概要地研究了非保守非线性刚-弹-液-控耦合系统的Lagrange方程的应用: 一方面, 应用该Lagrange方程建立了相应的有限元计算模型, 分析了这类计算模型的优越性; 另一方面, 应用系统的控制方程对实际问题进行解析的分析讨论, 说明了应用解析的分析讨论来研究问题与应用数值的、定量的分析方法来研究问题的互补特性. 最后, 讨论了几个相关的问题.     

大跨度斜拉桥非线性振动模型与理论研究进展

斜拉桥的非线性动力学问题一直都是力学、结构和桥梁领域的研究热点.随着新材料(如碳纤维增强聚合物索)和新施工工艺的发展,斜拉桥的跨越能力不断得到提高,从而在桥梁建设中更具有竞争力.然而,斜拉桥跨度的增大和新材料的应用使结构变得更轻和更柔,使结构的非线性振动问题比以往更为突出,可能危及桥梁安全.基于课题组近年来对斜拉桥非线性动力学的研究,围绕大跨度斜拉桥的非线性建模理论及动力学问题,较为详细地评述近十年来国内外的研究进展情况.主要从斜拉索非线性动力学模型、梁的非线性动力学模型、索-梁组合结构的非线性动力学模型、斜拉桥整体非线性动力学模型与理论、以及斜拉桥的非线性振动实验等几个方面对斜拉桥非线性建模方法、力学模型、数学模型、求解方法及相应研究成果进行评述和讨论.研究结果表明,斜拉桥由于多柔性索和大跨度梁的耦合问题,以及环境载荷的复杂性,导致其具有丰富的非线性动力学行为.同时由于高维非线性系统求解方法的欠缺,整体斜拉桥非线性动力学行为又相当复杂,深入研究面临很大困难.最后,基于未来斜拉桥的发展趋势和可能面临的突出问题,对斜拉桥非线性振动问题今后的发展方向进行了探讨和展望.      

Studying the Darcy-Stefan problem on phase transition in a saturated porous soil

The Cauchy problem for the Darcy-Stefan model, which describes the process of freezing (thawing) of a saturated porous soil with allowance for liquid-phase filtration, is considered. The model includes the Darcy law, the equation of liquid-phase incompressibility, the equation of absence of solid-phase motion, the equation of energy balance in the porous soil-saturating continuous medium system, and also the Stefan condition and the condition of continuity of the normal components of the velocity field at the interface boundary. The existence of generalized solutions of the problem satisfying an additional condition of entropy nondecreasing in a thermomechanical system (i.e., the second law of thermodynamics) is proved by the method of the kinetic equation. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 49, No. 4, pp. 81–93, July–August, 2008.     

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。     

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。     

四种不同形状微粒的摩擦学性能研究

为了减少润滑液对石油的依赖,发展环境友好水基润滑液,本文通过在蒸馏水中加入螺旋藻、白葡萄球菌、寡核苷酸和丝素四种水溶性微粒来改善水的摩擦学特性.采用原子力显微镜和扫描电子显微镜对螺旋藻、白葡萄球菌、寡核苷酸和丝素进行结构表征;采用微摩擦试验仪对蒸馏水和四种水基润滑液摩擦性能进行了评价,采用流变仪对其流变性进行了评价.结果表明:①螺旋藻结构为螺旋状,白葡萄球菌为球状,寡核苷酸和丝素为线状;②螺旋藻的减摩效果最好,白葡萄球菌次之,最后是寡核苷酸和丝素;随着载荷增大蒸馏水摩擦系数减小,四种水基润滑液摩擦系数均增大;随着滑动速度增大摩擦系数均减小;③蒸馏水中添加微粒后仍为牛顿流体,但黏度增大.通过对机理进行分析,认为螺旋藻减摩效果最好是由于表面的螺旋结构能够产生足够大的滑动摩擦力,容易克服滚动阻力偶使微粒滚动起来;载荷增大四种水基润滑液摩擦系数均增大是微粒滚动阻力偶增大造成的;滑动速度增大四种水基润滑液摩擦系数均减小是微粒聚集体逐渐被分解造成的.