力之大道两周天*

力之大道两周天,旨在说明无论是工程还是科学问题,处处都有力学的道理。以此为纲,交流7个工程问题,7个科学问题,各取一周天之数。讲述内容分三部分。第一部分缅怀钱学森先生的传承与思想;第二、三部分分别介绍7个工程案例和7个科学案例。工程的案例旨在说明力学之硕果,科学的案例旨在说明力学之源泉。     

密实度对含水合物土体力学特性的影响

利用项目团队搭建的含天然气水合物土水–力特性联合测试装置,通过富气法制备含天然气水合物沉积物试样,采用三轴压缩试验研究了密实度对含水合物土体的力学特性的影响规律。试验结果表明,密实度对含水合物土体的应力–应变曲线、刚度和强度存在显著影响;在低净围压下,高密实度含水合物土会出现应变软化现象,而中、低密实度含水合物土出现应变硬化现象,并且剪缩程度随着密实度的增加而降低;含水合物土体的刚度会随着密实度的增大而增强,这种增强效应会随着净围压的增加逐渐减弱;在密实度越高的情况下,胶结赋存模式的水合物越多,但剪切行为也会破碎更多的水合物,这两者行为共同影响了含水合物土体的强度。因此,含水合物土体在中密实度情况下的强度最高。

     

力敏感受体介导细胞功能调控的力学生物学研究

细胞膜是细胞与外部环境进行物质与能量交换的界面,是调节细胞正常生命活动的重要结构基础.细胞膜上力敏感受体可通过力学作用方式参与并影响细胞的力信号转导等功能.整合素和钙黏素是细胞膜上典型的力敏感受体,可介导细胞与细胞周围基质或邻近细胞发生力学作用,并将力学刺激信号转导为生化信号,进而激活细胞内一系列应答反应,最终影响细胞生长、分化、增殖、凋亡和迁移等功能.力敏感受体介导细胞功能调控研究已成为探索细胞主动响应外界复杂力学微环境的力学生物学机制的关键,为进一步深入认识生理和病理状态下细胞功能变化规律,为揭示疾病的发生、发展机制提供重要的力学生物学理论与实验依据.本文总结了力敏感受体介导细胞功能调控的国内外研究进展;介绍了黏附界面处典型力敏感受体的结构和功能;总结了这些力敏感受体参与的细胞力信号感知与响应的数理模型;概述了细胞通过力敏感受体进行力学信号转导的过程;介绍了黏附介导细胞功能调控的力学生物学过程和机制;简述了体外构建模拟细胞力学微环境中细胞-细胞外基质和细胞-细胞力学相互作用的技术;指出了力敏感受体介导细胞功能调控的力学生物学研究发展趋势和未来方向.     

陡倾滑面滑坡锯齿形抗滑桩力学性能研究

陡倾滑面滑坡推力竖向分力显著,基于滑坡推力水平假定与普通抗滑桩相互作用不充分这一问题,建立锯齿形抗滑桩结构。依据梯形分布滑坡推力的假设,推导了受荷段内力计算公式,采用Winkler弹性地基理论推导了锚固段内力计算公式,并开展锯齿形抗滑桩的力学性能研究。分析表明,(1)随着滑面倾角的增加,锯齿形抗滑桩的受荷段、锚固段的弯矩、剪力以及侧应力均减小,内力减小幅度随之增大;(2)滑面倾角在20°～40°时,随着滑面倾角的增加,锚固段的理论最小长度在逐渐增加,40°时锚固段的长度为4.2 m达到最大值,且该长度仅占整个桩长35%,远小于按现行规范取得的锚固段长度最大值(1/2总桩长),桩侧摩阻力就可以完全满足竖向力学平衡;(3)将锯齿形抗滑桩与普通抗滑桩内力对比,受荷段和锚固段的弯矩减小34%、剪力减小36%及桩侧应力减小幅度大于30%,力学性能良好。     

理论力学教学案例——外推式平开窗的运动分析

外推式平开窗的打开和关闭由窗扇上下与窗框连接的连杆机构实现,其窗扇的运动分析是理论力学教学中一个典型的实践案例。本文给出了这一实例的简化模型和问题的描述,利用直角坐标法和基点法,对窗扇边缘点的运动方程、轨迹、速度和加速度进行分析,并从动力学角度讨论了如何开窗最省力。

     

数据驱动计算力学研究进展

以数字孪生、人工智能为核心的大数据理念正深刻影响着第四次工业革命,数据驱动计算力学在此背景下应运而生并展现勃勃生机.与此同时,航空航天等尖端工业领域对高性能材料与结构的先进制造与安全评估提出了更严峻的挑战,传统计算力学已很难实现成倍缩短产品研发周期、实时跟踪产品信息并提供解决方案的目标.因此,发展面向高性能材料与结构的数据驱动计算力学正当其时且刻不容缓.本文拟通过梳理数据驱动计算力学的部分研究现状,探讨数据驱动计算力学的发展趋势.     

测量界面软铬层力学性质的纳米压入法

为了测量双层铬的界面软铬层力学性质,提出了化学腐蚀基体法,通过溶解掉基体制备没有基体支撑的自由铬层,将在横截面内线状显示的界面转化为界面表面(铬层与基体相连接的面),避免了横截面不能显示界面表面的缺点。对界面表面进行纳米压入实验和借助于表征薄膜力学性质的表面压入能量法,测得了描述界面软铬层力学性质的弹性模量和压入弹、塑性功等参数。     

PVDF应力测量技术及在混凝土冲击实验中的应用

介绍了使用PVDF(polyvinylidene fluoride,聚偏二氟乙烯)应力计的应力直接测量技术。在SHPB装置上进行自制PVDF应力计动态压电系数的标定实验,分析了应力集中、横向泊松效应、摩擦效应对PVDF应力计信号及动态压电系数的影响。用PVDF应力计进行了混凝土的冲击压缩实验。利用混凝土前后端面PVDF应力计信号分析了实验过程中混凝土试样的应力均匀性。与应变计直测应变技术相结合得到了混凝土的动态应力-应变关系。     

Inter-contact force analysis of impacted disk assembly by dynamic caustics

The caustic method was utilized to study the contact force transmission in disk assemblies under impact load. The mapping equations were obtained based on the first invariant of the stress components in the disk subject to a normal concentrated force, and a characteristic dimension of the maximum size in the caustic curve was proposed to evaluate the contact force between the disks. Transient patterns of the caustic shadows were recorded by means of a high-speed camera of off-focus imaging, then the histories of the inter-contact forces among the disks were obtained with respect to the conditions of different masses and heights of the falling hammers. The influence of the impact loading and impulsive velocity was analyzed with respect to the force responses of the disk assembly, the double-peak phenomenon with comparison to the initial masses, and the energy dissipation of the systems under impact of different momentums. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (10125211)     

双层碳纳米管中的周向导波

考虑双层碳纳米管的层间范德华力,采用连续介质力学的波动理论,建立了双层碳纳米管中周向导波传播模型,研究周向导波的频散现象.通过与单层碳纳米管结果的比较表明,双层碳纳米管中周向导波的传播表现出更为明显的频散特性,出现更多的模态干涉现象,并发现在某些特殊频率处出现成对模态的消失与新启现象.