针对航天器板状空间桁架弦杆与腹杆刚度差异导致传统等效板模型固有频率预测偏高、高阶振型失真等问题,提出一种基于三阶位移场的高阶等效板动力学建模方法.首先,构造适用于周期性航天器板状空间桁架的无约束三阶位移场,建立离散节点位移与连续体位移场之间的映射关系;其次,基于能量等效原理推导桁架胞元应变能与动能表达式,建立同时表征拉压、弯曲、横向剪切、厚度伸缩及其耦合效应的等效刚度矩阵和等效惯性矩阵,并结合静力凝聚与哈密顿原理建立自由振动控制方程;最后,以 10×10 和 6×6 四面体胞元阵列桁架为算例,对所建模型进行验证,并进行参数敏感度分析.结果表明:本文模型对两类算例前若干阶固有频率的平均绝对相对误差分别为 1.21%和 1.98%,明显低于一阶剪切等效模型的 5.23%和 6.41%,且能够更准确地表征高阶模态振型.在单边固支点力激励工况下,本文模型能够较准确地预测结构频响函数(FRF)和时域响应特征,其共振峰位置与响应幅值与精细有限元结果吻合较好.敏感度分析表明,弦杆长度是影响板状空间桁架动力学特性的主导几何参数.所提方法在保持较低模型维度的同时提高了动力学预测精度,可为航天器板状空间桁架的动力学分析、参数优化及在轨振动控制建模提供参考.

为揭示 γ 射线长期作用下混凝土温湿度、水分损失、收缩变形与后续受压力学性能之间的耦合关系,在 Abaqus 中建立了包含砂浆基体和随机球形粗骨料的两相细观有限元模型.模型以砂浆相为 γ 射线辐照敏感相、骨料相为弹性约束相,采用用户子程序USDFLD 更新累积剂量、温湿度和损伤指标等状态变量,并利用用户自定义膨胀子程序(UEXPAN)将 γ 射线剂量诱导收缩和水分损失干燥收缩转化为砂浆相等效本征应变,实现辐照老化-压缩加载的顺序耦合分析.以已有文献开展的 Con-A 和 Con-B 混凝土 γ 射线辐照试验为依据,对试件温度、可蒸发水含量、收缩云图、残余应力、损伤分布以及抗压强度和弹性模量变化进行了验证.结果表明,模型能够再现混凝土温度周期波动、可蒸发水含量逐渐降低以及砂浆收缩受骨料约束后形成局部残余应力和损伤的过程;后续压缩模拟得到的应力-应变曲线、抗压强度和弹性模量与试验变化趋势一致,说明在所验证剂量率和 4～32 个月范围内,γ 射线辐照引起的力学性能变化可能受水分释放、干燥致密化、龄期效应、累积剂量损伤和收缩残余应力共同控制,并不表现为简单的随剂量增加而单调退化.所建模型可为核电混凝土结构γ射线辐照老化评估和长期服役性能预测提供数值分析方法.

损伤生物力学主要基于力学原理分析人体响应和损伤,对特定损伤机制和损伤耐限的理解有助于人体防护.假人是模拟冲击过程人体生物力学响应的人体替代物,被广泛应用于汽车安全、运动康复、法医学、军事及航空航天等领域.汽车碰撞假人是汽车安全领域损伤评测的重要工具,包括实体假人和数值仿真假人.本文介绍了实体与仿真假人的发展历史,聚焦汽车碰撞假人参数化设计方法进行分析,对损伤评测技术未来发展趋势进行展望,以期助力损伤生物力学领域发展及对汽车安全技术的进步.

全球气候变暖背景下,青藏高原冰-岩崩灾害频发,对区域生命和财产安全构成严重威胁.为深入理解此类灾害的力学机制,聚焦于关键致灾体——冰川冰本体及其与岩石形成的冰-岩组合体,通过系统室内力学试验,重点研究冰川冰力学特性及界面倾角对冰-岩组合体整体力学特性的影响规律,主要结论如下:(1)冰川冰强度特性呈现显著的温度T-围压σ3 耦合效应,其强度随温度升高线性降低,随围压增大线性提升;(2)冰-岩组合体力学行为受温度 T、围压σ3、界面倾角β三种因素耦合影响,围压从 0 增至 0.5 MPa 时,临界倾角由 30°变化为45°,且温度 T≥-10℃时,冰-岩组合体峰值强度大幅下降;(3)无围压时,破坏模式随界面倾角增大表现为冰体鼓胀(β＜30°)→复合破坏(β=30°)→界面滑移(β＞45°);围压大于 0.5 MPa 时,破坏模式逐渐回归为冰体鼓胀破坏,但温度T≥-10℃后围压调控失效,界面滑移成为唯一破坏模式.首次通过三轴试验初步探讨了界面倾角对组合体整体力学性能的影响,为理解冰岩崩灾害中冰-岩复合体的破坏力学行为提供了重要的试验依据.

Double-double(D-D)复合材料层合结构因其良好的均质化特性,为变厚度层合结构轻量化设计提供了有效途径.为实现复合材料层合板动力学性能优化,提出一种基于参数化水平集的 D-D 层合板厚度渐变动力学优化方法.该方法采用紧支撑径向基函数构建水平集函数,通过其等值线隐式描述层合板铺层边界;利用 D-D层合板的均质化特性构建等效动力学模型,将离散的铺层数量松弛为连续设计变量,进而实现高效的动力学优化.此外,在优化中引入了对变厚度层合结构锥形过渡区域的锥度约束,通过约束水平集函数的梯度范数控制层合结构锥度,实现层合板厚度分布平缓渐变.结果表明:该优化方法在研究层合板动力学优化设计时,表现出良好的稳健性,能够直接以指定激励频段内的动态响应为目标实现结构优化设计,针对不同的激励频段自适应优化厚度分布,得到的优化设计具有光滑清晰的铺层边界和平缓渐变的厚度分布,显著抑制层合结构在目标频段内动力学响应,并且有效改善变厚度层合板设计中的应力集中问题.

稳定性是固体力学理论的核心问题之一.作为一种新兴非局部理论,近场动力学(peridynamics,PD)的稳定性分析方法尚不完善,尤其是常规态基近场动力学(ordinary state-based peridynamics,OSBPD).对于复杂场景,如涉及变近场域、表面效应、损伤断裂、非均质及各向异性问题的弹脆性体稳定性,仍缺乏严格理论支撑.为应对这一挑战,文章旨在为对偶域OSBPD(dual-horizon OSBPD,DH-OSBPD)理论建立一个通用稳定性分析手段.从线性化DH-OSBPD材料模型的应变能密度函数出发,利用柯西-施瓦茨不等式,将基本的材料稳定性定理推广至涵盖任意积分域、弹性体整体稳定性、非均质性、含裂纹损伤以及各向异性等多种情形,建立复杂情形下的稳定性条件.在此基础上,文章推导半正定应变能函数二阶变分为0的充要条件,从而统一概括所有零能模式的数学形式.分析表明,满足定理条件的理想弹性体零能模式仅包含刚体运动;而对于已断裂的弹脆性体,则自然地包含各碎片间相互独立的相对刚体运动.通过典型算例的特征值分析,验证定理对于半正定性和零能模式个数的预测.核心贡献在于将稳定性基本定理的适用范围,从仅适用于理想弹性体内部材料点,推广至涵盖存在表面效应、弹脆性断裂、各向异性及非均质等情形的系统整体稳定性分析,为DH-OSBPD模型在广泛问题的数值仿真应用中的鲁棒性奠定了坚实的理论基础.

在聚变反应堆中,高能中子与结构材料发生(n,α)嬗变反应会持续产生氦原子,导致材料服役性能退化,严重威胁反应堆的安全运行.因此,在原子尺度下揭示不同温度对低活化钢中氦致缺陷演化及力学行为的影响规律,是设计高性能聚变结构材料的关键科学基础.本文采用分子动力学模拟研究了温度对含5000 μmol/mol(1 μmol/mol的原子分数为10-6)氦浓度单晶铁的缺陷演化及力学行为的影响.结果发现,点缺陷(Frenkel pairs,FPs)先迅速增加至峰值后趋于平稳,且增加温度会促进FPs的峰值增加.温度T=773 K时的峰值FPs含量约占体系的0.5％.间隙氦原子优先与空位结合形成稳定的He-V复合体,且He-V复合体数量也随温度的升高而增加.在团簇缺陷方面,高温(T=773 K)会促进小尺寸团簇数量增加和大尺寸团簇(cluster size为16)形成,而空位团簇缺陷受温度影响较小,空位团簇的成团率普遍大于间隙团簇成团率.在氦行为演化结束后,将模型冷却至室温(T=300 K)之后再进行单轴拉伸,发现大尺寸的间隙团簇和He-V复合体共同作用会提高体系的局部弹性模量,降低峰值应力和峰值应变.300 K演化形成的缺陷结构更容易激活多个滑移系,使塑性变形主要由多滑移系的位错滑移控制.随着He-V复合体数量增加,773 K演化形成的大尺寸缺陷团簇对位错滑移具有更强的阻碍作用,使位错活动主要集中于少数滑移系,并表现出相对离散的分布特征.本研究揭示了氦注入环境中温度对单晶铁缺陷形成与演化及其力学特性的调控作用,为开发具备优异辐照耐受性的聚变铁基材料提供了理论参考.

低速偏斜下的大长径比水润滑径向轴承常出现异常磨损和摩擦振动,严重影响舰船可靠性和隐身能力.然而,关于全尺寸水润滑径向轴承性能测试的相关研究较少,其在不同服役状态下动力学行为演化机制尚待探究.本研究基于全尺寸推进轴系试验台,设计并构建了一套水润滑径向轴承分布式测试系统,开展了全尺寸水润滑径向轴承磨合试验、速度特性试验和标高特性试验.从摩擦学特性与润滑状态分区的角度,本文揭示了不同工况下轴承各润滑子区域的动力学行为变化规律.研究结果表明:转速提升会使轴颈挠曲程度增大,促使水膜压力峰值向自由端润滑子区迁移;而中间轴承标高改变会影响润滑子区域之间的载荷分配;不同润滑子区域的起飞特性呈现显著差异.研究结果为船舶大长径比水润滑径向轴承动力学建模与结构优化设计提供了重要的实证数据.

深部巷道围岩内置裂隙发育,在频繁剧烈动载下极易劣化,导致工程灾害频发.为探究动载作用下随机分布内置开裂隙对岩体的力学特性及损伤演化影响规律,借助砂型 3D 打印技术制备含不同数量随机分布内置开裂隙的类岩体试样,开展循环扰动加载试验,并结合声发射监测技术,对比分析不同裂隙数量下类岩体强度变形特性、声发射与破坏特性、能量特性差异,基于耗散能密度与声发射能量分析不同试样损伤演化特征.研究结果表明:(1)含不同数量内置裂隙试样强度差异明显,与裂隙数量呈负相关.不同试样动载区段的劣化表现不同,加载模量平均下降速率、累积不可逆变形平均增长速率均与裂隙数量呈正相关;(2)试样均在动载区段表现损伤加剧特征,内置裂隙的存在提升了试样剪切型裂纹的比例,更高的裂隙数量使宏观破裂行为提前到来,且破坏路径与最终破坏形式因裂隙数量不同存在显著差异;(3)不同试样动载区段平均能量耗散速率与裂隙数量呈正相关,动载区段损伤占比与平均损伤速率均与裂隙数量呈正相关.研究结果可为采用砂型 3D 打印技术开展裂隙岩体力学试验研究提供参考依据,可作为工程裂隙岩体稳定性控制的研究基础.

为提高装配式建筑墙板安装效率,降低施工强度,应用可控机构理论设计出一种新型装配式建筑墙板安装机.考虑装配式建筑墙板安装机重载、长时间作业工况,针对其门架俯仰机构进行优化设计.以墙板安装机为研究对象,求解了门架翻转角位移、角速度、角加速度分别与门架油缸工作长度、速度、加速度之间的函数关系,为动力学优化设计提供了前提条件;建立了机构动态静力学模型,求解了门架油缸负载与机构尺度参数之间的函数关系;设定门架俯仰机构的驱动油缸最大负载为最小作为目标函数,通过MATLB软件,基于复合形法优化算法求得门架俯仰机构最优尺度参数,优化后门架油缸最大负载降低了 7.1％左右.基于Creo软件进行动力学仿真分析,其结果验证了尺度优化模型的正确性.依据优化结果制造样机,并进行功能测试,其性能表现良好,符合墙板安装要求.

膨润土的主要矿物成分为蒙脱石.膨润土颗粒长轴在单向静压成块体过程中趋于定向排列,呈现压实诱导的力学各向异性特征.以高庙子膨润土为例,系统综述其在膨胀力、膨胀/收缩变形、压缩和强度特性等方面的力学特性各向异性研究进展.结果表明,膨胀各向异性与蒙脱石晶层定向膨胀和颗粒重排列有关,干密度增大促进前者,而NaCl 浓度升高抑制二者;湿度增加有助于压实膨润土趋于均匀化;在加载过程中,压实面竖直型试样较水平型试样更易发生颗粒错动,导致其屈服应力降低;高应力可消除初始各向异性,并诱发次生各向异性;拉伸力平行于晶层平面时抗拉强度较高,压实面竖直型试样的剪切强度高于水平型试样.考虑土体颗粒的定向排列等微观结构特征、多因素耦合的各向异性预测模型、地下实验室原位试验,以及多场(热-水-力-化)耦合作用下膨润土屏障行为及其演化规律等,将是今后的研究重点.

尾矿砂非均质性堆积结构严重威胁尾矿库的安全稳定运行,但现有冻融循环作用导致尾矿砂非均质堆积体力学性能退化分析较少.基于三轴压缩试验、核磁试验对冻融循环作用下尾矿砂非均质堆积结构宏观力学性能、细观孔隙演化进行分析.结果表明:随着冻融循环次数增加,不同界面倾角试件抗剪强度均明显降低,降幅与倾角大小呈正相关;低围压下,倾角较大的试件应力-应变曲线表现为应变软化;冻融循环作用下,粗砂、细砂及各倾角试件变形模式可归纳为剪胀、剪胀-收缩并存,破坏模式为横向断裂;冻融循环导致尾矿砂试件孔隙水发生"迁移积累"作用,而不同粒径尾矿砂堆积界面结构可大幅缩短"迁移积累"周期,表现为更剧烈的小孔隙连通与大孔隙塌陷现象;围压对尾矿砂起到强化作用,可放大冻融循环对尾矿砂强度劣化的影响;小颗粒对下层孔隙空间的填充作用,导致界面处尾矿砂强度增加,界面上方小颗粒处为弱结构面,更易出现结构劣化特征.该研究结果可为冻融作用下砂、土体力学性能退化提供宏-细观角度参考.

超高展弦比无人机因其优异的气动效率而被广泛采用,但其轻柔细长结构在飞行中易出现显著的几何非线性变形.尽管三维有限元方法能够准确模拟此类结构的非线性响应,但其高昂的计算成本限制了实际应用.为此,本文提出了一种面向超高展弦比无人机的等效几何精确梁动力学建模方法,通过将复杂三维结构转化为由几何精确梁与刚体单元构成的多体系统,实现高效率的动力学仿真.以 X-HALE 无人机为研究对象,针对其主翼、吊杆和尾翼等周期非均匀细长部件,采用辛传递矩阵法计算等效一维梁的完全耦合截面刚度矩阵,并基于三维与一维模型动能等效原理及截面速度插值技术,构建相应的等效梁模型质量矩阵.在此基础上,建立由一维几何精确梁与刚体单元刚性连接组成的柔性多体系统,采用基于对偶四元数的几何精确梁单元.研究无人机在巡航状态下的静气动弹性配平方法和瞬态动力学数值积分方法.数值算例表明,机翼等效梁模型的静力学响应与三维有限元结果吻合良好,整机等效模型的模态特性与三维模型高度一致,验证了所建模型的准确性与有效性.相较于传统三维有限元方法,本文所提方法在保证计算精度的同时,显著降低了系统自由度,为超高展弦比无人机的动力学仿真与设计优化提供了高效的建模手段.

获取月壤的原位力学是人类在月面开展科研和建设的先决条件.系统梳理了不同原位探测方法的原理、功能和优缺点,并总结了苏联月球号和美国阿波罗号在月壤原位力学探测方面已取得的研究成果、存在的问题以及目前相关技术的发展趋势.聚焦我国月壤原位力学探测技术的研究现状,重点阐述了相关研究单位基于静力触探方法在月壤、星壤原位力学探测方面所开展的预研工作.由于月壤独特的物理性质、极端月球环境以及有限资源的限制,要实现月壤原位力学以及3 m以上更深的精准探测和解译,其关键技术尚待进一步创新和突破.依据我国探月工程的发展需求,提出了月壤原位力学探测亟需重点攻关的技术难点和发展方向.未来的月壤原位力学探测载荷将朝着小型化、自动化、智能化的方向发展,形成作业模式新颖的新原理和新方法,同时在结构设计上进行创新,并嵌入机器学习的技术,AI 赋能建立适合月壤的力学参数精准解译方法,从而为我国月壤原位力学探测任务的顺利实施以及实现更准、更深的探测目标提供参考和技术支撑.

多稳态结构作为一类具有多个平衡状态的非线性系统,在能量耗散、冲击防护以及振动控制等领域有着广阔的应用前景.该文提出一种基于柔性杆屈曲失稳原理的双稳态结构,建立了相应力学解析模型,并定义了关键设计参数——刚度比k与初始角度θ0.通过深入分析参数变化对结构响应机制的影响,明确了超塑性、超弹性与单稳态这三种响应模式之间的参数界限,提出了面向工程实践的设计准则.为检验理论模型的准确性,开展了有限元数值仿真,结果表明该理论模型具有较高的可靠性.该研究为多稳态结构参数化设计与工程应用提供了系统的理论基础与方法指导.