力学进展

海洋柔性结构涡激振动的流固耦合机理和响应

陈伟民, 付一钦, 郭双喜, 姜春晖 — 2017-01-01

陈伟民, 付一钦, 郭双喜, 姜春晖对近几十年来国内外在涡激振动的基础研究包括机理认识和动响应分析等方面的进展进行了论述，尤其针对海洋油气平台中的立管、隔水管等细长柔性结构的涡激振动.描述了涡激振动这种典型的非线性流固耦合现象所具有的特征，包括自激、自限制、展向相关、尾迹水动力与结构动力的流固耦合等及其主要影响参数.介绍了目前常用的结构响应预测方法和相关实验.通过讨论当前理论研究和实际工程中的热点问题，诸如多模态宽带振动、浮体运动与水下立管的耦合、响应抑制措施、双向振动、高雷诺数下的大尺度物理实验等，对今后该领域的研究方向进行了力所能及的展望. 力学进展. 2017 47(1): 25-91.

水下吸声机理与吸声材料

王育人, 缪旭弘, 姜恒, 陈猛, 刘宇, 徐文帅, 蒙丹 — 2017-01-01

王育人, 缪旭弘, 姜恒, 陈猛, 刘宇, 徐文帅, 蒙丹随着我国加速实施海洋强国战略，对先进水下吸声材料的需求日益迫切.与空气吸声不同，水下的高静水压力和复杂的海洋环境对水下吸声材料提出了更为苛刻的要求.吸声问题的本质是如何将弹性能高效地转化为热能或其他形式能量.本文综述了主要以聚合物分子内摩擦机制及界面耗能机制为基础的传统水下吸声材料.传统水下吸声材料面临的主要是其在低频及高静水压力下吸声性能差的问题.这是因为：一方面受质量密度定律的限制，有限厚度的水下吸声材料无法有效吸收水中传来的低频声波；另一方面，在高静水压力下，弹性材料如高分子聚合物会变“硬”，从而大大降低了声波弹性能的转换效率.随着局域共振理论及超材料概念的提出，发展出了一系列新型水下吸声材料，为解决水下吸声材料遇到的难题提供了新思路.局域共振理论的特点是可以用小尺度结构控制长波声波的传播，从而可以解决低频吸声问题.本文重点综述了局域共振理论，以及由此发展出的声子木堆、声子玻璃等新型水下吸声材料.声子玻璃材料在局域共振理论基础上，通过引入多孔金属骨架结构提高了材料的抗压性能，从而解决了高静水压力下材料吸声性能变差的问题.本文最后对水下吸声材料未来发展方向进行了展望. 力学进展. 2017 47(1): 92-121.

高温结构蠕变裂尖拘束效应

王国珍, 轩福贞, 涂善东 — 2017-01-01

王国珍, 轩福贞, 涂善东

如何对蠕变裂纹扩展寿命进行准确预测和评价是高温结构完整性评定、寿命设计和运行维护中需要解决的核心问题.基于宏观单参数C^*的蠕变断裂行为的评价方法，未有效纳入裂尖拘束效应的影响，因而其评价结果过于保守或非保守.目前国内外还未建立起有效纳入裂尖拘束效应的高温结构蠕变寿命评价的理论体系和技术方法，还没有纳入蠕变拘束效应的高温结构完整性评定规范.本文综述了作者近年来在高温蠕变断裂拘束效应方面的研究工作.主要包括：裂尖拘束对材料蠕变裂纹扩展行为的影响及机理；蠕变裂尖场和拘束参数R的定义和影响因素；载荷无关的蠕变拘束参数R^*的提出及其应用基础；承压管道表面裂纹的拘束参数R^*解及纳入裂尖拘束的蠕变寿命评价方法；试样与管道轴向裂纹蠕变裂尖拘束的关联；基于裂尖等效蠕变应变的面内与面外蠕变裂尖拘束的统一表征参数A_c的研究；材料拘束相关的蠕变裂纹扩展速率的建立；宽范围C^*区蠕变裂纹扩展速率及其拘束效应的数值预测；材料拘束对焊接接头蠕变裂纹扩展行为的影响及机理等.这些研究为建立纳入裂尖拘束效应的高温部件的蠕变裂纹扩展寿命评价方法奠定了理论和技术基础.论文对后续拟开展的工作也进行了展望.

力学进展. 2017 47(1): 122-149.

Cell mapping methods-beyond global analysis of nonlinear dynamic systems

Jian-Qiao SUN, Fu-Rui XIONG — 2017-01-01

Jian-Qiao SUN, Fu-Rui XIONG The cell mapping methods created by Hsu in 1980s have been popular choices for the researchers in nonlinear science communities. There have been new applications and new algorithm developments of the cell mapping methods. This paper presents a discussion of the literature of some control applications and recent algorithm developments of the cell mapping methods. In particular, we present studies of multi-objective optimization problems with the cell mapping methods, multi-objective optimal control designs, and zeros finding of nonlinear algebraic equations. The problems solved with the cell mapping methods are now in moderately high dimensional space with the help of parallel computing. 力学进展. 2017 47(1): 150-177.

流动聚焦及射流不稳定性

司廷, 李广滨, 尹协振 — 2017-01-01

司廷, 李广滨, 尹协振流动聚焦是一种有效的微细射流产生方法，其原理可以描述为从毛细管流出的流体由另一种高速运动的流体驱动，经小孔聚焦后形成稳定的锥-射流结构，射流因不稳定性破碎成单分散的液滴.自从1998年流动聚焦被提出以来，陆续发展了单轴流动聚焦、电流动聚焦、复合流动聚焦和微流控流动聚焦等毛细流动技术.这些技术稳定、易操作、没有苛刻的环境条件的要求，能够制备单分散性较好的微纳米量级的液滴、颗粒和胶囊，在科学研究和实际应用中具有重要价值.流动聚焦涉及了多尺度、多界面和多场耦合的复杂流体力学问题，其中稳定的锥形是形成稳定射流的先决条件，过程参数是影响射流界面扰动发展的关键因素，而射流不稳定性分析是揭示射流破碎的最主要理论工具.该文回顾了近二十年来不同结构流动聚焦的研究进展，概述这些技术涉及的过程控制、流动模式、尺度律和不稳定性分析等关键力学问题，总结射流不稳定性的研究方法和已取得的成果，最后展望流动聚焦的研究方向和应用前景. 力学进展. 2017 47(1): 178-226.

纳米流控能量吸收耗散系统

曹国鑫 — 2017-01-01

曹国鑫基于纳米流控行为设计的新一代能量吸收耗散系统（nanofluidic en-ergy absorption system，NEAS）将会比传统吸能材料具有更高的能量吸收密度，而且还可以重复使用，特别是在小体积应用环境下具有显著的优势.本文从实验和计算模拟两方面综述了目前关于NEAS能量吸收耗散行为的最新研究进展，其中实验研究主要包括准静态压缩和动态压缩测试，计算模拟研究主要是采用基于经验势的分子动力学模拟方法.通过准静态压缩实验，可以测量NEAS模型的载荷-位移关系曲线，从而获得NEAS模型的临界渗透压强，了解卸载后系统是否能够恢复到加载前的状态（即是否可以重复使用），并通过载荷-位移关系曲线下面积估算NEAS模型的吸能密度；通过动态压缩实验可以测量NEAS模型对脉冲载荷的缓冲保护作用，主要体现为降低脉冲载荷幅值和扩展脉冲宽度.计算模型研究可以明确给出NEAS对外载荷的微观响应，从而可以准确了解NEAS的能量吸收耗散机制以及吸能密度的主要影响因素.本研究可以帮助我们全面了解NEAS的研究进展，为NEAS的设计与优化提供重要指导. 力学进展. 2017 47(1): 227-262.

从生物力学到力学生物学的进展

姜宗来 — 2017-01-01

姜宗来本文介绍了现代生物力学的发展历程和冯元帧先生的贡献、力学生物学的概念与发展以及我国生物力学的发展历程和力学生物学的研究新进展；思考了从生物力学到力学生物学的进展与现状；展望了我国生物力学学科发展的愿景. 力学进展. 2017 47(1): 309-332.

声学黑洞结构应用中的力学问题

季宏丽, 黄薇, 裘进浩, 成利 — 2017-01-01

季宏丽, 黄薇, 裘进浩, 成利声学黑洞(acoustic black hole, ABH) 效应是利用薄壁结构几何参数或者材料特性参数的梯度变化, 使波在结构中的传播速度逐渐减小, 理想情况下波速减小至零从而不发生反射的现象.实现声学黑洞效应的主要方法是将薄板结构的厚度按照一定规律裁剪, 利用声学黑洞可以将结构中传播的波动能量聚集在特定的位置.声学黑洞对波的聚集具有宽频高效、实现方法简单灵活等特点, 在薄壁结构的减振降噪、能量回收等应用中具有明显的优势.本文介绍声学黑洞效应的基本原理、相关力学问题的研究进展和有待进一步探究的问题, 包括声学黑洞结构的建模与分析方法、实验研究方法及进展、声学黑洞结构中波的传播与操控, 以及声学黑洞在工程应用中的相关问题. 力学进展. 2017 47(1): 333-384.

船舶声弹性力学理论及其应用

邹明松, 吴有生 — 2017-01-01

邹明松, 吴有生船舶结构与水介质耦合动力学在改善船舶运动性能与结构安全性, 控制船舶振动噪声与提高水下声隐身性能, 进行船舶综合性能的优化设计等一系列工程问题中有广泛的应用需求与发展前景.本文综述了船舶水弹性力学、声弹性力学的理论方法、试验技术与应用技术的国内外研究进展; 介绍了在带航速三维水弹性力学理论(Wu 1984) 基础上, 作者所在课题组近年来发展的船舶三维声弹性理论、计算技术及工程应用的概况.简述了船舶三维声弹性理论的部分应用情况及发展方向. 力学进展. 2017 47(1): 385-428.

不规则小行星引力场内的飞行动力学

李俊峰, 曾祥远 — 2017-01-01

李俊峰, 曾祥远小行星探测是当前深空探测的主要方向之一, 具有重要的科学意义.绝大多数小行星引力场极不规则, 探测器在小行星附近运动形态复杂多样.由于同时受到中心引力、快速自旋的不规则形状摄动力、以及光压摄动等作用, 探测器容易与小行星发生碰撞或逃逸.概述小行星研究现状和不规则引力场建模方法.重点介绍不规则引力场内动力学特性, 包括引力平衡点、局部流形、自然周期轨道和悬停探测轨道等, 尝试提出新的研究方向. 力学进展. 2017 47(1): 429-451.

磁流体动力学在航空工程中的应用与展望

李益文, 张百灵, 李应红, 肖良华, 王宇天, 何国强 — 2017-01-01

李益文, 张百灵, 李应红, 肖良华, 王宇天, 何国强介绍了磁流体动力学在航空工程中的主要应用方式, 主要包括: 磁流体冲压组合发动机、磁流体涡轮组合发动机、燃烧室后磁流体发电、表面磁流体发电、磁流体加速风洞、磁流体推力矢量、进气道大尺寸磁流体流动控制、边界层分离流动控制、边界层转捩控制、飞行器头部热流控制等; 探讨了磁流体技术在应用中存在的关键科学与技术问题, 对导电流体的产生、磁流体实验设备与实验技术、多场耦合机理及数值模拟方法等进行了分析; 最后对磁流体技术在航空工程上的应用与发展进行了总结与展望. 力学进展. 2017 47(1): 452-502.

板壳结构中的非线性兰姆波

刘瑶璐, 胡宁, 邓明晰, 赵友选, 李卫彬 — 2017-01-01

刘瑶璐, 胡宁, 邓明晰, 赵友选, 李卫彬鉴于常规超声检测技术对分布式材料细微损伤和接触类结构损伤的检测效果不佳, 近年来非线性超声技术逐渐引起广泛关注. 超声波在板壳结构中通常以兰姆波的形式进行传播, 然而由于兰姆波的频散及多模特性, 使得非线性兰姆波的理论和实验研究进展缓慢. 本文从经典非线性理论出发,总结了源于材料固有非线性诱发的非线性兰姆波的理论和实验两个方面的研究进展, 并综述了兰姆波的二次谐波发生效应在材料损伤评价方面的若干应用; 从接触声非线性理论出发, 讨论了目前由于接触类结构损伤诱发的非线性兰姆波的研究现状. 最后展望了非线性兰姆波的未来研究重点及发展趋势. 力学进展. 2017 47(1): 503-533.

干细胞的生物力学研究

吕东媛, 周吕文, 龙勉 — 2017-01-01

吕东媛, 周吕文, 龙勉干细胞生物力学作为生物力学的重要分支和前沿学科, 近年来在力学-生物学、力学-化学耦合等方面取得了重大进展, 已成为生物力学乃至生物医学工程最活跃的领域之一, 并对发育生物学、干细胞生物学、组织修复、再生医学等相关领域产生重要影响. 干细胞具有独特的力学性质, 可感知、传递、转导和响应生理力学微环境的改变, 从而调控干细胞的生长、分化等功能, 体现出典型的力学-生物学耦合特征. 本文将对干细胞的力学性质与细胞力学模型、在体力学环境对干细胞生长和分化的影响、干细胞对外界力学刺激的响应等方面加以综述. 力学进展. 2017 47(1): 534-585.

Sloshing（晃荡）

O. M. Faltinsen

O. M. Faltinsen 本文列举了诸多工程领域中的液体共振运动现象，详细探讨了船舱中伴有剧烈流动的晃荡问题.描述了基于理论分析的非线性多模态方法，该方法便于波动稳定性分区、多分支解和物理稳定性的研究.强调了方形舱、垂向圆柱舱以及球形舱内伴有旋转和混沌（不规则波动）的三维流动的重要性.晃荡引起的砰击涉及到各种各样的内流条件，这些条件随液体深度与舱体长度之比而变化.针对棱柱状LNG舱，讨论了许多与流体力学和热力学参数、影响砰击载荷效应的水弹性以及模型实验缩尺比的物理现象. 力学进展. 2017 47(1): 201701-.

密集颗粒物质的介观结构

孙其诚, 刘晓星, 张国华, 刘传奇, 金峰

密集颗粒物质由大量颗粒组成的多体相互作用体系，在一定条件下，颗粒互相连接，形成相对稳定的介观尺度结构，其几何和动力学性质较大程度上决定了颗粒体系的宏观物理和力学性质，因此开展颗粒的介观结构研究具有重要的理论价值，是科学的前沿之一.自然界的堆石坝、堰塞体和碎屑流，以及工程中的高温气冷堆堆芯颗粒流和先进核裂变能系统（ADS嬗变）的颗粒散裂靶等都是典型的颗粒体系，研究颗粒体系宏观力学性质是灾害预测和调控技术的关键.本文首先介绍颗粒接触力理论和简化模型的研究进展，接着介绍介观尺度结构分析方法与测量技术，颗粒体系Jamming转变、软点和颗粒微位移测量技术等，最后列举了几个关键的科学问题.颗粒介质中很多基本力学问题的解决需要借鉴物理和数学等学科的最新成果，建立新的概念和范式，从新的角度、思路、理念去认识颗粒介质的基本问题.同时，颗粒介质的基础研究还要紧密结合工程应用领域的大量相关的核心技术，与工程领域专家共同合作，使得颗粒介质的研究有的放矢，更具生命力.

力学进展. 2017 47(1): 201708-.