序論：好文章的創(chuàng)作是一個不斷探索和完善的過程，我們?yōu)槟扑]十篇固體力學(xué)研究方向范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質(zhì)，帶來更深刻的閱讀感受。

篇（1）

中圖分類號：TB121 文獻標(biāo)識碼：A

1緒論

工程力學(xué)是20世紀50年代末出現(xiàn)的。首先提出這一名稱并對這個學(xué)科做了開創(chuàng)性工作的是中國學(xué)者錢學(xué)森。

在20世紀50年代，出現(xiàn)了一些極端條件下的工程技術(shù)問題，所涉及的溫度高達幾千度到幾百萬度，壓力達幾萬到幾百萬大氣壓，應(yīng)變率達百萬分之一～億分之一秒等。在這樣的條件下，介質(zhì)和材料的性質(zhì)很難用實驗方法來直接測定。為了減少耗時費錢的實驗工作，需要用微觀分析的方法闡明介質(zhì)和材料的性質(zhì)；在一些力學(xué)問題中，出現(xiàn)了特征尺度與微觀結(jié)構(gòu)的特征尺度可比擬的情況，因而必須從微觀結(jié)構(gòu)分析入手處理宏觀問題；出現(xiàn)一些遠離平衡態(tài)的力學(xué)問題，必須從微觀分析出發(fā)，以求了解耗散過程的高階項；由于對新材料的需求以及大批新型材料的出現(xiàn)，要求尋找一種從微觀理論出發(fā)合成具有特殊性能材料的“配方”或預(yù)見新型材料力學(xué)性能的計算方法。在這樣的背景條件下，促使了工程力學(xué)的建立。工程力學(xué)之所以出現(xiàn)，一方面是迫切要求能有一種有效地手段，預(yù)知介質(zhì)和材料在極端條件下的性質(zhì)及其隨狀態(tài)參量變化的規(guī)律；另一方面是近代科學(xué)的發(fā)展，特別是原子分子物理和統(tǒng)計力學(xué)的建立和發(fā)展，物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)及其運動規(guī)律已經(jīng)比較清楚，為從微觀狀態(tài)推算出宏觀特性提供了基礎(chǔ)和可能。

總的來說，工程力學(xué)具有現(xiàn)代工程與理論相結(jié)合的特點，有很大的知識面和靈活性，對國家現(xiàn)代化建設(shè)具有重大意義。

2工程力學(xué)的發(fā)展

2.1工程力學(xué)的特點

工程力學(xué)雖然還處在萌芽階段，很不成熟，而且繼承有關(guān)老學(xué)科的地方較多，但作為力學(xué)的一個新分支，確有一些獨具的特點。工程力學(xué)著重于分析問題的機理，并借助建立理論模型來解決具體問題。只有在進行機理分析而感到資料不夠時，才求助于新的實驗。

工程力學(xué)注重從微觀到宏觀，以往的技術(shù)科學(xué)和絕大多數(shù)的基礎(chǔ)科學(xué)，都是或從宏觀到宏觀，或從宏觀到微觀，或從微觀到微觀，而工程力學(xué)則建立在近代物理和近代化學(xué)成就之上，運用這些成就，建立起物質(zhì)宏觀性質(zhì)的微觀理論，這也是工程力學(xué)建立的主導(dǎo)思想和根本目的。

雖然工程力學(xué)引用了近代物理和近代化學(xué)的許多結(jié)果，但它并不完全是統(tǒng)計物理或者物理化學(xué)的一個分支，因為無論是近代物理還是近代化學(xué)，都不能完全解決工程技術(shù)里所提出的各種具體問題。工程力學(xué)所面臨的問題往往要比基礎(chǔ)學(xué)科里所提出的問題復(fù)雜得多，它不能單靠簡單的推演方法或者只借助于某一單一學(xué)科的成就，而必須盡可能結(jié)合實驗和運用多學(xué)科的成果。

2.2研究內(nèi)容和方向

工程力學(xué)主要研究平衡現(xiàn)象，如氣體、液體、固體的狀態(tài)方程，各種熱力學(xué)平衡性質(zhì)和化學(xué)平衡的研究等。對于這類問題，工程力學(xué)主要借助統(tǒng)計力學(xué)的方法。

工程力學(xué)的研究工作，目前主要集中三個方面：高溫氣體性質(zhì)，研究氣體在高溫下的熱力學(xué)平衡性質(zhì)（包括狀態(tài)方程）、輸運性質(zhì)、輻射性質(zhì)以及與各種動力學(xué)過程有關(guān)的弛豫現(xiàn)象；稠密流體性質(zhì)，主要研究高壓氣體和各種液體的熱力學(xué)平衡性質(zhì)（包括狀態(tài)方程）、輸運性質(zhì)以及相變行為等；固體材料性質(zhì)，利用微觀理論研究材料的彈性、塑性、強度以及本構(gòu)關(guān)系等。

工程力學(xué)研究方向主要有：非線性力學(xué)與工程、工程穩(wěn)定性分析及控制技術(shù)、應(yīng)力與變形測量理論和破壞檢測技術(shù)、數(shù)值分析方法與工程應(yīng)用、工程材料物理力學(xué)性質(zhì)、工程動力學(xué)與爆破。

3工程力學(xué)的應(yīng)用

3.1材料力學(xué)

材料力學(xué)在生活中的應(yīng)用十分廣泛。大到機械中的各種機器，建筑中的各個結(jié)構(gòu)，小到生活中的塑料食品包裝，很小的日用品。各種物件都要符合它的強度、剛度、穩(wěn)定性要求才能夠安全、正常工作，所以材料力學(xué)就顯得尤為重要。

生活中機械常用的連接件，如鉚釘、鍵、銷釘、螺栓等的變形屬于剪切變形，在設(shè)計時應(yīng)主要考慮其剪切應(yīng)力。汽車的傳動軸、轉(zhuǎn)向軸、水輪機的主軸等發(fā)生的變形屬于扭轉(zhuǎn)變形?；疖囕S、起重機大梁的變形均屬于彎曲變形。有些桿件在設(shè)計時必須同時考慮幾個方面的變形，如車床主軸工作時同時發(fā)生扭轉(zhuǎn)、彎曲及壓縮三種基本變形；鉆床立柱同時發(fā)生拉伸與彎曲兩種變形。

利用材料力學(xué)中卸載與在加載規(guī)律得出冷作硬化現(xiàn)象，工程中常利用其原理以提高材料的承載能力，例如建筑用的鋼筋與起重的鏈條，但冷作硬化使材料變硬、變脆，是加工發(fā)生困難，且易產(chǎn)生裂紋，這時應(yīng)采用退火處理，部分或全部地材料的冷作硬化效應(yīng)。

3.2固體力學(xué)

自然界中存在著大至天體，小至粒子的固態(tài)物體和各種固體力學(xué)問題。人所共知的山崩地裂、滄海桑田都與固體力學(xué)有關(guān)?，F(xiàn)代工程中，無論是飛行器、船舶、坦克，還是房屋、橋梁、水壩、原子反應(yīng)堆以及日用家具，其結(jié)構(gòu)設(shè)計都應(yīng)用了固體力學(xué)的原理。

篇（2）

中圖分類號:U270.1; U260.16; TB115

文獻標(biāo)志碼:A

Numerical simulation on aerodynamic noise of

power collection equipment for high-speed trains

YANG Fan, ZHENG Bailin, HE Pengfei

(Institute of Applied Mechanics, Tongji Univ., Shanghai 200092, China)

Abstract: As to the issues that the aerodynamic noise produced by the power collection equipment of high-speed trains becomes significant as the speed increase of railway, a current-guide cover is introduced into the power collection equipment, and the flow field and the aerodynamic noise of the power collection equipment are numerically simulated and analyzed using FLUENT. The flow field is calculated by the steady-state Reynolds Averaged Navier-Stokes(RANS) method and the boundary layer noise source model is selected for the acoustic model. The computational results indicate that the design of the current-guide cover is very important. A good design can make it well lead the airflow and decrease the aerodynamic noise produced by the power collection equipment.

Key words: high-speed train; power collection equipment; current-guide cover; aerodynamic noise; numerical simulation; FLUENT

な嶄迦掌:2009-06-23 修回日期:2009-09-13

作者簡介: 楊 帆(1984―),男,吉林長春人,碩士研究生,研究方向為固體力學(xué),(E-mail);

鄭百林(1966―),男,陜西岐山人,教授, 博士, 研究方向為復(fù)合材料力學(xué)與數(shù)值模擬,(E-mail)0 引 言

2007年4月18日,中國鐵路進行第6次大提速,提速后的列車運行時速達200 km,部分區(qū)段時速達到250 km;2008年4月18日,舉世矚目的京滬高速鐵路全線開工建設(shè),這是目前世界上線路最長、標(biāo)準(zhǔn)最高的高速鐵路項目;2008年8月1日,時速350 km的京津城際鐵路開通運營,中國鐵路從此開啟“風(fēng)時代”.隨著列車速度的提升,噪聲污染問題愈加突出,集電部的空氣動力噪聲增長迅速,遠高于其他噪聲增長幅度,這是因為空氣動力噪聲與速度的6次方成正比,而其他噪聲與速度的2次方或3次方成正比.[1]噪聲既是影響列車舒適性的重要指標(biāo),也是環(huán)境污染的重要公害之一,隨著我國鐵路的飛速發(fā)展,對高速列車氣動噪聲的研究將變得更有意義.

氣動噪聲的數(shù)值模擬始于20世紀90年代,雖然起步較晚,但隨著計算流體力學(xué)的迅速發(fā)展而取得許多進展.國內(nèi)很多學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法計算車輛周圍瞬態(tài)流場,通過計算流場的瞬態(tài)壓力直接計算氣動噪聲[2-3]或者導(dǎo)入聲學(xué)軟件中進行求解[4].然而,對于比較復(fù)雜的模型,計算瞬態(tài)流場存在一定困難,網(wǎng)格質(zhì)量要求較高,計算時間過長.穩(wěn)態(tài)雷諾平均納維斯托克斯(Reynolds Averaged Navier-Strokes,RANS)方法[5]

篇（3）

福建省力學(xué)學(xué)科在廣大的省內(nèi)力學(xué)工作者長期不懈努力下，通過與國內(nèi)外同行廣泛交流、相互學(xué)習(xí)，以及不斷從國內(nèi)外引進優(yōu)秀力學(xué)人才，近十年來取得不少成果。目前，雖然總體上在國內(nèi)還無法處于先進行列，但在某些領(lǐng)域的一些研究成果達到了國內(nèi)甚至國際先進水準(zhǔn)，國內(nèi)影響也日益增加。但是，福建畢竟是力學(xué)小省，從事力學(xué)研究的隊伍很小，真正從事力學(xué)理論、基礎(chǔ)研究的人才更少。迄今，我省高校還沒有設(shè)置力學(xué)專業(yè)，更沒有力學(xué)或航空航天學(xué)院。正因為我們沒有強大的力學(xué)研究隊伍，我們的研究成果不夠系統(tǒng)，也無法形成國內(nèi)外影響力大的研究團隊。力學(xué)是目前世界上發(fā)展非常快的一個學(xué)科，是眾多工程技術(shù)的基礎(chǔ)，其研究成果被廣泛應(yīng)用于先進的航天航空技術(shù)、艦船技術(shù)、兵器技術(shù)、尖端的建筑領(lǐng)域、車輛技術(shù)、機器人技術(shù)、高速精密機床、電子技術(shù)、防震救災(zāi)等等。力學(xué)學(xué)科強的省份，其工程技術(shù)各個領(lǐng)域普遍也強。由于經(jīng)濟實力有限，福建省同其他一些省市一樣，對力學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科重視不夠，導(dǎo)致工程技術(shù)人才隊伍總體素質(zhì)不是很高，研究后勁不足。除了高層建筑、大型橋梁、水庫等事關(guān)國計民生的大項目外，很少見到生產(chǎn)企業(yè)借助力學(xué)尋找疑難問題的答案，或開發(fā)設(shè)計新產(chǎn)品。為此，總結(jié)力學(xué)學(xué)科發(fā)展，不僅僅是有助于本學(xué)科更快更好的發(fā)展，更重要的是促進力學(xué)對工業(yè)進步的推動作用。此外，還可以幫助年輕的力學(xué)工作者、力學(xué)愛好者，以及政府有關(guān)部門，更快更好了解我省乃至全世界力學(xué)發(fā)展動態(tài)、應(yīng)用與存在的問題，促進力學(xué)人才隊伍的發(fā)展壯大。雖然我省力學(xué)人才數(shù)量與培養(yǎng)機制在國內(nèi)處于劣勢，然而，力學(xué)學(xué)科也同其他學(xué)科一樣， 有能力、也期待在海西建設(shè)中發(fā)揮更大的作用、得到更快的發(fā)展。

目前，我省力學(xué)學(xué)科研究領(lǐng)域主要集中固體力學(xué)、流體力學(xué)、計算力學(xué)、機械動力學(xué)與控制、細觀力學(xué)、實驗力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等方面。研究內(nèi)容既有理論方面的，也有許多工程實際應(yīng)用的，還有關(guān)于力學(xué)教育的。本學(xué)科報告將根據(jù)上述7個領(lǐng)域展開。

1固體力學(xué)

固體力學(xué)研究變形固體在外界因素（如載荷、溫度、濕度等）作用下受力、變形、流動、斷裂等。包括桿件及理想彈性體變形和破壞；變形固體塑性變形與外力的關(guān)系；細長桿穩(wěn)定性理論；桿系結(jié)構(gòu)、薄板殼以及它們的組合體；裂紋尖端應(yīng)力場、應(yīng)變場以及裂紋擴展規(guī)律。復(fù)合材料構(gòu)件的力學(xué)性能、變形規(guī)律和設(shè)計準(zhǔn)則。固體力學(xué)不但促進了近代土木建筑、機械制造和航空航天等工業(yè)的進步和繁榮，而且為廣泛的自然科學(xué)提供了范例或理論基礎(chǔ)[1-2]。大到橋梁、航天航空器、核動力結(jié)構(gòu)，小到計算機芯片、生物組織以及近年來高速發(fā)展的微/納米機械等都需要借助固體力學(xué)理論和方法。

1.1 我省固體力學(xué)研究現(xiàn)狀

1.1.1 斷裂與疲勞方向

通過三點彎曲疲勞試驗，分別跟蹤監(jiān)測了40Cr鋼及它的兩種表面處理試樣疲勞損傷過程，得出了40Cr鋼經(jīng)過兩種表面處理對其疲勞裂紋萌生壽命有顯著影響的結(jié)果，提出了對疲勞裂紋萌生壽命測量的一種新方法[3]。根據(jù)材料對稱循環(huán)持久極限和靜載強度極限，導(dǎo)出任意循環(huán)特征下材料持久極限的估算公式。通過非線性有限元方法對橡膠―鋼球支座的橡膠層與鋼球粘結(jié)界面上及橡膠中間層在扭轉(zhuǎn)載荷作用下存在中心裂紋和環(huán)形邊緣裂紋的情況進行了數(shù)值模擬，給出撕裂能與裂紋尺寸、載荷和橡膠層厚度的關(guān)系曲線[4]。針對抽油機井常用油管在循環(huán)載荷作用下的疲勞斷裂問題進行了理論與實驗研究。在實測油管載荷譜與應(yīng)變譜的基礎(chǔ)上應(yīng)用彈塑性有限元法計算油管螺紋內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變場，并進行了有關(guān)的疲勞實驗，以得到油管的疲勞強度。

* 第一執(zhí)筆人：嚴世榕，福州大學(xué)車輛振動與電子控制研究所所長、教授。

1.1.2 板殼、薄壁桿件及復(fù)合材料方向

利用群論方法提出周期區(qū)域的分片正交多項式連續(xù)函數(shù)，在周期區(qū)域內(nèi)利用正交分片多項式逼近位移函數(shù)可以大大地降低計算量[5]。推導(dǎo)了一般各向異性板彎曲的積分方程，運用加權(quán)殘數(shù)配點法求解了正交各向異性板彎曲的積分方程。提出了兩種新的近似基本解加權(quán)雙三角級數(shù)廣義各向同性板解析形式的基本解和加權(quán)雙三角級數(shù)的疊加。根據(jù)Timoshenko幾何變形假設(shè)和Boltzmann疊加原理，推導(dǎo)出控制損傷粘彈性Timoshenko中厚板的非線性動力方程以及簡化的Galerkin截斷方程組;然后利用非線性動力系統(tǒng)中的數(shù)值方法求解了簡化方程組[6]。假設(shè)翹曲位移及切向位移的分布函數(shù)，考慮剪切變形的影響，利用最小勢能原理建立了單位均布畸變荷載作用下的薄壁桿件畸變角微分方程[7]。采用一般解法對該畸變角微分方程進行求解，并推導(dǎo)求解的初參數(shù)法。采用加權(quán)余量法提出一個簡支工字型梁在橫向荷載作用下臨界荷載的計算公式；利用這個式子算出的值與試驗結(jié)果以及其它數(shù)值方法等得到的結(jié)果吻合得很好，說明文獻[7]提出的公式能迅速、有效地計算薄壁桿件的橫向臨界荷載。以均布荷載下的拋物線鋼管拱為研究對象，在考慮雙重非線性的有限元分析基礎(chǔ)上，提出純壓鋼管拱穩(wěn)定臨界荷載計算的等效柱法[8]。提出了基于桿件連續(xù)分布的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，優(yōu)化結(jié)果不僅更接近理論解，而且克服了理論解的非均勻各向異性材料的制造困難，也完全避免了各種數(shù)值拓撲優(yōu)化普遍具有的數(shù)值不穩(wěn)定問題[9]。

1.1.3 彈性動力學(xué)方向

分析了一般粘彈結(jié)構(gòu)特征值問題的特點，建立了一般粘彈結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析方法。與粘彈結(jié)構(gòu)已有的模態(tài)分析方法相比，該方法通用于更一般的粘彈結(jié)構(gòu)，在形式上不涉及粘彈本構(gòu)關(guān)系項，并只涉及一種模態(tài)向量[10]。導(dǎo)出了時間步長內(nèi)計算擾動的確定方法，并進一步采用同步計算消除計算擾動效應(yīng)和后續(xù)步計算消除計算擾動效應(yīng)，兩種途徑抵消其不利影響?；贒istorted-Born Iterative方法，提出了一種求解彈性波強非線性逆散射問題的迭代方法。在數(shù)值模擬運算時利用矩陣法進行離散處理，并采用正則化原理避免求解病態(tài)矩陣方程。應(yīng)用多重尺度法推得從平方非線性振動系統(tǒng)勢能井逃逸的時間。近似勢能法用于克服非線性帶來的困難。推導(dǎo)了系統(tǒng)的運動學(xué)、動力學(xué)方程。分析表明，結(jié)合系統(tǒng)動量及動量矩守恒關(guān)系得到的系統(tǒng)廣義Jacobi關(guān)系為系統(tǒng)慣性參數(shù)的非線性函數(shù)。證明了借助于增廣變量法可以將增廣廣義Jacobi矩陣表示為一組適當(dāng)選擇的慣性參數(shù)的線性函數(shù)。在此基礎(chǔ)上，給出了系統(tǒng)參數(shù)未知時由空間機械臂末端慣性空間期望軌跡產(chǎn)生機械臂關(guān)節(jié)鉸期望角速度、角加速度的增廣自適應(yīng)控制算法。在高速公路剛架拱實橋動測及單車荷載作用研究基礎(chǔ)上，建立多車荷載激振模型，發(fā)展了研究剛架拱橋車激共振特性的可視化仿真方法，探討剛架拱橋在高速多車荷載作用下的共振條件，分析車距、車速和車數(shù)對豎向瞬態(tài)振動峰值的影響，編制運行多車荷載下振動仿真分析可視化程序。提出了基于壓力傳感器的汽車重心實時監(jiān)測機理的力學(xué)模型。利用該模型能實時監(jiān)測汽車的整車重量、重心位置，提供安全裝載和安全車速監(jiān)測與報警，可為汽車安全系統(tǒng)提供可靠的重心計算力學(xué)模型，為研制汽車重心實時監(jiān)測系統(tǒng)提供了必要參數(shù)與依據(jù)。論述數(shù)值計算中新的小波基無單元方法，即用小波基函數(shù)取代傳統(tǒng)無單元方法中的冪級數(shù)基之后，使無單元法具有了小波變換的局域化和多分辨率等優(yōu)良特性，并能有效地克服有限單元法的網(wǎng)格敏感性和單元之間應(yīng)力不連續(xù)現(xiàn)象，從而不但拓展和豐富了無單元法的理論內(nèi)容，也為其工程應(yīng)用開辟了新的途徑[11]。

1.1.4 工程應(yīng)用

推導(dǎo)了T型截面梁的彎矩-軸力-曲率關(guān)系，提出了分析大偏心體外預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量和梁彎曲性能的通用方法。比較荷載作用前后，轉(zhuǎn)向座和錨具的變形差，計算出體外筋的應(yīng)變和應(yīng)力。因此這一方法考慮了體外筋的變形協(xié)調(diào)條件，同時自動地考慮了體外筋偏心距的損失。以B樣條函數(shù)結(jié)合配點法直接求解框剪間有限個作用力與力矩，導(dǎo)出的遞推公式對任意水平荷載可直接應(yīng)用。采用動力特解邊界元法在時域內(nèi)求解壩-水-地基動力相互作用問題特性，研究了壩體、地基和系統(tǒng)阻尼對壩體的動力特性、動水壓力、動力放大系數(shù)及穩(wěn)定系數(shù)的影響。提出了一種求解柔性多體系統(tǒng)控制方程數(shù)值方法，在每一時間步，利用Newmark-β直接積分法計算迭代初值，基于控制方程及約束方程的泰勒展開，推導(dǎo)出Newton-Raphson迭代公式，對位移及拉格朗日乘子進行修正。引用Blajer提出的違約修正方法對數(shù)值積分過程中約束方程的違約進行修正。提出了地震作用下摩擦耗能支撐參數(shù)優(yōu)化的一種新的數(shù)學(xué)模型，在給定的幾條地震波作用下，在滿足框架的規(guī)范層間位移角限值要求下，框架各層安裝的耗能支撐剛度之和最小，從而實現(xiàn)安裝較少的耗能裝置而能達到相同的抗震要求[16]。

1.2 與國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀的對比與不足

整體上，我省還沒有建立起幾個系統(tǒng)、穩(wěn)定的固體力學(xué)研究方向。與國內(nèi)外比較尚處于相對落后的研究水平。許多研究領(lǐng)域尚處于空白。系統(tǒng)性、原創(chuàng)性研究成果就更少了。

1.3 國內(nèi)外固體力學(xué)發(fā)展趨勢預(yù)測

固體力學(xué)的研究對象向跨尺度和復(fù)雜性方向發(fā)展；研究手段以跨學(xué)科、交叉性和系統(tǒng)性為特色。 其基本理論以研究力與熱、電、磁、聲、光、化學(xué)及生命領(lǐng)域的相互作用，實現(xiàn)從原子、分子的微觀結(jié)構(gòu)到納米結(jié)構(gòu)、細觀顯微結(jié)構(gòu)，直至宏觀結(jié)構(gòu)的多尺度關(guān)聯(lián)理論框架的建立。固體力學(xué)可以將地震、邊坡失穩(wěn)、泥石流、礦井崩塌等自然災(zāi)害提煉成為具有群體缺陷、裂紋和裂隙的不連續(xù)、非均勻介質(zhì)的力學(xué)演化過程，預(yù)測和防范突發(fā)災(zāi)害的發(fā)生。固體力學(xué)在陸地和海洋石油勘探采集和輸運、核電技術(shù)、風(fēng)能技術(shù)、高壩技術(shù)和高功率水力發(fā)電技術(shù)、大型工程結(jié)構(gòu)的選址等重大工程中也將發(fā)揮愈來愈重要的作用。集傳感功能和驅(qū)動功能為一體的智能材料和結(jié)構(gòu)蘊含著許多與傳統(tǒng)領(lǐng)域不同的力學(xué)問題。新型材料與結(jié)構(gòu)的多場耦合力學(xué)，包括力－電－磁－熱耦合場基礎(chǔ)理論與體系、破壞理論、智能結(jié)構(gòu)性能等是固體力學(xué)領(lǐng)域充滿生機的研究方向。 利用生物學(xué)和生物技術(shù)來設(shè)計材料與器件將極大地沖擊整個工程界、生物界和醫(yī)學(xué)界。

1.4 我省固體力學(xué)發(fā)展對策

目前普遍強調(diào)工程應(yīng)用的大社會背景對力學(xué)這門基礎(chǔ)性學(xué)科的發(fā)展是極為不利的。鼓勵自由探索，促進系統(tǒng)性、原創(chuàng)性、基礎(chǔ)性的研究工作是促進力學(xué)學(xué)科發(fā)展的最重要基礎(chǔ)工作。主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

（1）固體力學(xué)作為影響廣泛的重要基礎(chǔ)學(xué)科，需要長期、穩(wěn)定地投入。自由探索和基礎(chǔ)研究是科學(xué)新思想、新理論和新方法的重要源泉。需要以全面發(fā)展的觀點長期穩(wěn)定地處理好基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究和工程需求的關(guān)系，營造在各方面都鼓勵創(chuàng)新的環(huán)境。

（2）人才培養(yǎng)，特別是充分發(fā)揮優(yōu)秀人才作用是力學(xué)學(xué)科發(fā)展的重要源泉。建立有利于人才培養(yǎng)的長期、公正、公平、合理的科研成果和科技人才評價體系，力學(xué)學(xué)科的科學(xué)研究和人才培養(yǎng)尤其要避免急功近利。各高校在力學(xué)學(xué)科的建設(shè)上不能以其能否直接解決工程實際問題為取舍的依據(jù)，而要以現(xiàn)有人才和研究基礎(chǔ)為依據(jù)。穩(wěn)定、扎實的力學(xué)學(xué)科人才培養(yǎng)可以直接惠及眾多相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。

（3）從固體力學(xué)學(xué)科的性質(zhì)、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，以及國家需求來看，目前的重要科學(xué)問題和前沿領(lǐng)域主要有：微納米力學(xué)、多尺度力學(xué)與跨尺度關(guān)聯(lián)和計算、新材料與結(jié)構(gòu)的多場耦合力學(xué)、生物材料與仿生材料力學(xué)、科學(xué)與工程計算與軟件、儀器設(shè)備研制及實驗力學(xué)新技術(shù)與新表征方法。國家建設(shè)需求的重要支撐點和應(yīng)用發(fā)展方向主要有：固體強度與破壞力學(xué)、計算力學(xué)軟件、固體力學(xué)在國家安全以及航空航天工程中的應(yīng)用、大型工程結(jié)構(gòu)與工業(yè)裝備的力學(xué)問題、爆炸與沖擊力學(xué)、環(huán)境與災(zāi)害關(guān)鍵力學(xué)問題等。

2流體力學(xué)

2.1 計算流體力學(xué)

流體力學(xué)是力學(xué)的一個分支，它主要研究流體的運動以及流體和其它介質(zhì)間相互作用和流動的規(guī)律。流體涉及面廣，它可以是氣、水，也可以是油或其它流變物質(zhì)。流體力學(xué)在氣象、水文、石油勘探、船舶、飛行器和工業(yè)機械等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。流體力學(xué)數(shù)學(xué)上的描述是著名的Navier-Stokes方程及其各種變化。

空氣動力學(xué)是流體力學(xué)針對空氣運動問題的一個分支，也是流體力學(xué)研究的一個主要內(nèi)容。20世紀初，飛機的出現(xiàn)極大地促進了空氣動力學(xué)的發(fā)展。航空器的研究需要了解飛行器周圍的壓力分布、飛行器的受力狀況和阻力等問題，這就促進了流體力學(xué)在實驗和理論分析方面的發(fā)展。20世紀中后期，流體力學(xué)開始和其他學(xué)科互相交叉和滲透，形成了新的交學(xué)科，如物理-化學(xué)流體動力學(xué)、磁流體力學(xué)等。

流體力學(xué)研究的手段主要有三：實驗，理論分析，數(shù)值計算。理論分析是根據(jù)流體力學(xué)基本方程，通過數(shù)學(xué)方法進行分析，得出各種定量和定性結(jié)果。由于流體運動的復(fù)雜性，實驗方法在流體力學(xué)中占有重要的地位?，F(xiàn)代流體力學(xué)就是在純理論的古典流體力學(xué)與偏重實驗的古典水力學(xué)結(jié)合后才蓬勃發(fā)展起來的。實驗對于驗證流體運動的基本規(guī)律，測定經(jīng)驗參數(shù)，解釋物理現(xiàn)象均有重要意義。

隨著計算機技術(shù)和各種高效計算方法的發(fā)展，使許多原來無法用理論分析或?qū)嶒炑芯康膹?fù)雜流體問題有了求得數(shù)值解的可能性，形成了“計算流體力學(xué)”學(xué)科。從20世紀60年代起，在飛行器和其它相關(guān)工程的設(shè)計中，開始大量采用數(shù)值模擬，使得數(shù)值模擬成為與實驗和理論分析相輔相成的一個重要研究手段，并正在成為流體力學(xué)的主要發(fā)展方向。數(shù)值模擬方法特點如下：

①給出流體運動區(qū)域內(nèi)的離散解，而不是一般理論分析方法所關(guān)注的解析解；

②它的發(fā)展與計算機技術(shù)的發(fā)展直接相關(guān)，因為復(fù)雜的流動問題要求大計算量的運算；

③若物理問題的數(shù)學(xué)模型是正確的，則可在較廣泛的流動參數(shù)（如馬赫數(shù)、雷諾數(shù)、氣體性質(zhì)、模型尺度等）范圍內(nèi)研究流體力學(xué)問題，且能給出流場參數(shù)的定量結(jié)果。

廈門大學(xué)在計算流體力學(xué)學(xué)科開展了多方面的研究，其主要研究力量分布在數(shù)學(xué)、海洋、化學(xué)、材料、物理機電等院系，并建立了多套高水平的大型計算服務(wù)器。特別值得一提的工作是：數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院在可壓和不可壓粘性流體數(shù)學(xué)模型的理論探索和高階數(shù)值模擬的研究中取得了具有國際水平的成果，豐富和發(fā)展了下面幾個重要方法:

2.1.1 譜方法（Spectral method）[17-19]。該方法是一類高階方法，它利用整體高階多項式逼近偏微分方程的解。它主要有兩種形式：從弱形式出發(fā)的Galerkin譜方法和從強形式出發(fā)的配點法，它們都可以認為是加權(quán)殘差法的特殊形式。其中配點方法更像差分法，它要求在配置點上滿足原方程，與差分法不同的是：它用高階多項式的準(zhǔn)確求導(dǎo)代替了導(dǎo)數(shù)的差分逼近。Galerkin譜方法與有限元方法在原理上類似，都是先將偏微分方程定解問題轉(zhuǎn)化成與之等價的變分形式，然后通過試探函數(shù)和檢驗函數(shù)的選取來逼近解，它們的主要不同在于試探函數(shù)和檢驗函數(shù)的選取以及高維情況下基函數(shù)的構(gòu)造。譜方法的收斂速度取決于解的正則度，當(dāng)解無限光滑時可以達到指數(shù)階收斂，即比任何代數(shù)階的收斂速度都快，這是譜方法相比差分法和有限元法的一個主要優(yōu)點。

2.1.2 擬譜法和譜元法[20-21]。擬譜方法（Pseudo-spectral method）是一類準(zhǔn)譜方法，可以通過從弱形式出發(fā)的廣義Galerkin譜方法構(gòu)造，也可以由強形式出發(fā)的配點法得到。兩者在某些特殊情形下是等價的，但對絕大多數(shù)問題，配點法無法導(dǎo)出簡潔的弱形式，導(dǎo)致理論分析十分困難?，F(xiàn)在配點法正漸漸淡出研究人員的視線?；趶V義Galerkin方法的擬譜方法的構(gòu)造分兩步：首先構(gòu)造問題的Galerkin譜方法，然后利用高精度Gauss型數(shù)值積分近似弱形式中的積分。有別于標(biāo)準(zhǔn)譜方法中使用的正交多項式基，在擬譜方法中，基函數(shù)通常選擇基于數(shù)值積分的Lagrange多項式基，這給計算，尤其是非線性問題的計算帶來了很大的便利。由于Gauss型數(shù)值積分的高精度，在大多數(shù)情形下擬譜方法的收斂速度與譜方法相同。傳統(tǒng)意義下的譜方法對于復(fù)雜區(qū)域的處理能力極其有限，這限制了它的應(yīng)用范圍。20世紀80年展起來的譜元法（spectral element method）很好地解決了這個問題。譜元法結(jié)合了譜方法和有限元法各自的優(yōu)點，既能處理復(fù)雜的計算區(qū)域，又有譜方法的高精度，它在不可壓流體的計算中取得了很大的成功，如今已是計算流體中最常用的方法之一。譜元法與hp-有限元方法很相似，但兩者在發(fā)展的初期有許多不同點，hp-有限元使用的多項式階數(shù)不高，所使用的基函數(shù)也與譜元法不一樣。不過隨著兩類方法的發(fā)展，它們呈現(xiàn)出越來越多的共同點，有些學(xué)者已把兩類方法歸結(jié)為同一種方法。由于譜方法還具有低耗散，低色散的優(yōu)點，如今它已成為湍流數(shù)值模擬的主要方法。

2.1.3 湍流大渦模擬（Large eddy simulation，LES) [20-22]。 自然界中的流體運動主要有兩種形式，即層流（laminar） 和湍流（turbulence），層流是指流動時流線相互平行的流動，而湍流則是無規(guī)則脈動的，有強的渦旋和摻混性。目前一般的看法是：無論是層流還是湍流，它們都服從Navier-Stokes (NS)方程。由于湍流運動特征尺度的多樣性，一般來說，直接數(shù)值模擬(DNS)僅局限于湍流機理的基礎(chǔ)理論研究和一些較簡單的問題。湍流大渦模擬（LES）是介于DNS和雷諾平均NS(RANS) 之間的一個折衷方法。LES需要的網(wǎng)格點數(shù)比DNS大大減少，這使得它能夠應(yīng)用于許多實際工程計算中。LES僅計算大尺度部分，而亞格子尺度運動（SGS）通過附加模型實現(xiàn)。目前廣泛使用的SGS模型有1963年Smagorinsky 提出的“渦粘性” 模型及其變種，如“尺度相似性” 模型，“動力學(xué)模型”，“代數(shù)渦粘性”模型和“重正化群”模型等，這些模型均在某些特定的情形和適當(dāng)?shù)募僭O(shè)下適用， 且跟所選擇的數(shù)值方法相關(guān)。較新的LES模型包括速度估計模型以及無(顯式)模型的單調(diào)積分LES(MILES)和譜消去粘性（Spectral vanishing viscosity， 即SVV)LES。MILES的基本思想是借助非線性高頻限制器來限制高頻波段上的能量振蕩，可以起到與顯式SGS模型同樣的效果。而SVV-LES是在譜元法框架內(nèi)提出的，其基本思想是通過引入線性高頻粘性項來抑制可解尺度量在截斷頻率附件的震蕩。與其它LES方法相比，SVV-LES簡單且無附加計算量。

3計算力學(xué)

20世紀50年代，隨著計算機的發(fā)展，計算力學(xué)這個力學(xué)和科學(xué)計算的交叉學(xué)科得到了快速發(fā)展，特別是60年代后有限元法及其相應(yīng)軟件產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，使得計算力學(xué)這個新興學(xué)科迅速滲透到土木、水利、機械、航空、電子及生命科學(xué)等各個領(lǐng)域，成為計算機輔助設(shè)計（CAE）的重要核心內(nèi)容，也使得力學(xué)這個傳統(tǒng)的學(xué)科煥發(fā)了新的強盛的生命力。在當(dāng)今科學(xué)研究和工程實踐中， 科學(xué)計算已經(jīng)成為與科學(xué)理論、科學(xué)實驗并行的重要科學(xué)方法。2006年美國自然科學(xué)基金委員會了《基于數(shù)值模擬的工程科學(xué)》的研究報告，明確指出計算力學(xué)和數(shù)值模擬在工程科學(xué)發(fā)展中的重要地位。

近年來我省科技工作者在計算力學(xué)及其工程應(yīng)用方面開展了積極的研究工作，取得了一定的科技成果。在計算力學(xué)方法方面，我省學(xué)者系統(tǒng)地發(fā)展了土木水利、機械、航空航天等領(lǐng)域常見的梁板殼結(jié)構(gòu)的高效無網(wǎng)格分析方法，該方法采用整體坐標(biāo)建立板殼無網(wǎng)格近似，不僅簡便直接，適用于任意復(fù)雜形狀的殼體，并且可以避免參數(shù)變換，大大提高了計算效率。同時該方法利用穩(wěn)定節(jié)點積分構(gòu)造離散方程，兼顧了穩(wěn)定、效率和精度，為快速準(zhǔn)確地分析和設(shè)計這種類型結(jié)構(gòu)提供了一種有效的數(shù)值工具。同時，針對福建省暴雨天氣常見的土質(zhì)邊坡失穩(wěn)而產(chǎn)生的滑坡問題，建立了暴雨條件下土質(zhì)邊坡突發(fā)失穩(wěn)的大變形高效無網(wǎng)格模擬法，該方法可有效模擬失穩(wěn)剪切帶所引發(fā)的邊坡非線性大變形損傷破壞全過程，實現(xiàn)邊坡失穩(wěn)的高效無網(wǎng)格法全過程仿真分析，可為暴雨條件下邊坡工程的設(shè)計施工、滑坡災(zāi)害的預(yù)報、預(yù)防和加固處理提供理論依據(jù)和指導(dǎo)，有重要的理論和實際工程意義。另外，在雜交元研究方面提出了基于基本變形模式的正交化單元構(gòu)造方法，不僅概念明晰，而且由于不依賴于材料參數(shù)而大大提高了計算效率。并且，在拓撲優(yōu)化方面提出了類桁架結(jié)構(gòu)連續(xù)體的拓撲優(yōu)化方法，有效地避免了棋盤格問題。這些計算力學(xué)方法所取得的研究成果得到了國內(nèi)外同行的引用和認可。

在工程應(yīng)用方面，我省學(xué)者對汽車減震及管道密封橡膠構(gòu)件的受力斷裂行為進行了非線性有限元和無網(wǎng)格分析和模擬，提出了合理的設(shè)計方案。對于大型土木結(jié)構(gòu)例如大跨橋梁、大壩與深水進水塔以及深埋特長隧洞等結(jié)構(gòu)，應(yīng)用有限元法進行了動力抗震抗風(fēng)分析，取得了滿意的結(jié)果，提供了有效的工程服務(wù)。另外，應(yīng)用從微觀第一原理到宏觀有限元無網(wǎng)格計算的多尺度高性能計算方法，成功地進行了材料微觀設(shè)計。

雖然我省計算力學(xué)研究與應(yīng)用已經(jīng)得到快速發(fā)展，但在國內(nèi)仍然處于相對落后的地位，表現(xiàn)在原創(chuàng)性研究偏少，參與解決工程實際問題不夠。當(dāng)前我省相關(guān)科研工作者應(yīng)抓住海西發(fā)展的大好時機加大科研力度，爭取在高性能計算方法、大規(guī)模工程問題數(shù)值仿真分析、災(zāi)害條件下工程機構(gòu)性能的計算模擬及評估預(yù)防、先進的汽車仿真方法與應(yīng)用以及高性能材料計算設(shè)計等方面取得新的突破，同時密切聯(lián)系實際，切實提高解決海西建設(shè)中的工程技術(shù)問題的能力。

4機械動力學(xué)與控制

近年來，福州大學(xué)、廈門大學(xué)、福建農(nóng)林大學(xué)、華僑大學(xué)等在機械動力學(xué)與控制方面做了不少工作。我省的機械動力學(xué)與控制在以下幾個方面的研究在國內(nèi)具有較鮮明的特色和一定的影響力。

4.1 機器人系統(tǒng)動力學(xué)與控制問題的研究

福州大學(xué)在單臂、多臂、柔性臂空間機器人系統(tǒng)的運動學(xué)規(guī)劃、動力學(xué)分析及控制系統(tǒng)設(shè)計等方面進行了系統(tǒng)的研究工作。他們研究了載體姿態(tài)無擾、末端爪手障礙規(guī)避、機械臂關(guān)節(jié)受限等不同目標(biāo)要求下的多種運動學(xué)規(guī)劃方法。在控制系統(tǒng)設(shè)計方面，分別給出了單、雙臂空間機器人關(guān)節(jié)空間軌跡及末端爪手慣性空間軌跡跟蹤的非線性反饋控制、變結(jié)構(gòu)滑模控制、Terminal滑模控制、模糊變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制、自適應(yīng)控制、復(fù)合自適應(yīng)控制、終端滑模自適應(yīng)控制、魯棒自適應(yīng)混合控制、自適應(yīng)Backstepping滑?？刂啤⒆赃m應(yīng)模糊滑?？刂啤⒒谀：窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的動力學(xué)控制、基于速度濾波器的魯棒控制、模糊小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊基函數(shù)自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)補償控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前饋控制及閉鏈雙臂空間機器人基于內(nèi)力優(yōu)化配置原則的滑模變結(jié)構(gòu)控制、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滑模補償控制等一系列相關(guān)的控制方案[23-35]。在柔性臂空間機器人控制系統(tǒng)設(shè)計方面，給出了各類期望運動的Terminal滑?？刂?、Backstepping反演控制、于奇異攝動法的Backstepping反演控制、關(guān)節(jié)運動自適應(yīng)控制及柔性振動的快速實時抑制、運動模糊控制及柔性振動主動抑制、運動魯棒跟蹤控制及柔性振動主動抑制等多種控制方案。其成果以150余篇論文形式，在國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊及會議上發(fā)表與交流。此外，福州大學(xué)還開展了爬墻機器人安全系統(tǒng)的控制研究，對其提出了變結(jié)構(gòu)控制方法、模糊控制方法等[36-37]。

4.2 機械系統(tǒng)動力學(xué)研究

福州大學(xué)針對立井提升系統(tǒng)動力學(xué)與控制、攤鋪機和振動壓路機動力學(xué)分析、以及汽車底盤動力學(xué)控制[38-42]等方面進行了系列研究，分析了影響提升設(shè)備動力學(xué)特性的有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)、運動參數(shù)，提出了減少其工作過程振動的變結(jié)構(gòu)控制與模糊控制方法；針對高等級道路建設(shè)中重要設(shè)備――攤鋪機的國產(chǎn)化改造與開發(fā)設(shè)計，系統(tǒng)研究了其工作原理、動力學(xué)特性等，建立了相關(guān)的動力學(xué)模型，確定了影響整機正常工作的動力學(xué)特性及其影響因素；為消化吸收并趕超國外先進的汽車電子控制技術(shù)，開展了系統(tǒng)的汽車底盤總成的動力學(xué)與電子控制技術(shù)的系列研究，其研究成果有助于相關(guān)新產(chǎn)品的問世或改進。福州大學(xué)還對軸向運動弦線橫向振動控制進行了多種控制方法的研究[43-46]，其成果可用于指導(dǎo)相應(yīng)產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計。

4.3 研究不足與展望

迄今，還沒有系統(tǒng)地將機械動力學(xué)及其控制的研究成果應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)與產(chǎn)品的更新?lián)Q代中。目前，國內(nèi)急需高精尖機床的開發(fā)技術(shù)與動態(tài)分析優(yōu)化技術(shù)等。我省目前是工程機械大省，但還不是強省，進一步提高相關(guān)產(chǎn)品性能與可靠性，仍然需要開展大量的工作。我省的工程機械產(chǎn)品的更新?lián)Q代（如集成優(yōu)化、計算機智能控制等）、工程機械新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計與分析、汽車整車集成優(yōu)化與設(shè)計分析、新型汽車電子控制系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計、高速設(shè)備性能分析與改進、機械設(shè)備計算機智能故障診斷、微型機械產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計等等，均以力學(xué)的分析研究為其成功的關(guān)鍵。

為改變這個落后局面，尤其是海西經(jīng)濟建設(shè)中更好發(fā)揮力學(xué)的作用，需要政府、企業(yè)、高校等投入更多人力物力，更積極主動地對重要機械產(chǎn)品、大批量生產(chǎn)的機械產(chǎn)品與汽車等開展機械動力學(xué)分析研究，對相關(guān)進口軟件進行二次開發(fā)或早日開發(fā)出自己的專用機械動力學(xué)分析軟件，以提高企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)能力與開發(fā)速度。同時增強完善實驗?zāi)芰εc手段，實現(xiàn)對重要機械產(chǎn)品開展動力學(xué)特性實驗，以確保產(chǎn)品性能穩(wěn)定與可靠性。積極利用國內(nèi)外的動力學(xué)研究成果，開展重要設(shè)備、大型設(shè)備、危險設(shè)施或設(shè)備的動態(tài)故障診斷研究，確保這些設(shè)備、設(shè)施安全可靠高效地運行。

5細觀力學(xué)

細觀力學(xué)是固體力學(xué)的一大分支，即采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法分析具有細觀結(jié)構(gòu)的材料的力學(xué)問題，是固體力學(xué)與材料科學(xué)的交叉學(xué)科，其發(fā)展對固體力學(xué)研究層次的深入以及對材料科學(xué)規(guī)律的定量化表達都有重要意義。

前幾年我省在細觀力學(xué)方面的研究進展不多，近幾年來才有所發(fā)展。研究主要集中在PZT和PLZT鐵電陶瓷的電致疲勞機理，微觀電疇原位觀測，應(yīng)力、高溫、腐蝕性環(huán)境介質(zhì)等耦合作用下固體材料的微結(jié)構(gòu)和變形斷裂行為的演變規(guī)律等幾個方向：

①根據(jù)鐵電材料自發(fā)應(yīng)變與自發(fā)極化不唯一性，以及晶界的不同取向，提出自發(fā)極化過程中材料能量密度是變形梯度和電位移向量的非凸函數(shù)，從能量角度出發(fā)，導(dǎo)出鐵電鐵彈材料的自極化穩(wěn)定構(gòu)形所應(yīng)滿足的必要條件，利用兩電疇的Gibbs 自由能之差作為疇變方向的判據(jù)，由要求板的Gibbs 函數(shù)最小來確定疇變量的大小。②進行了PZT 鐵電陶瓷四點彎曲試樣在交變力、交變電場及機電耦合疲勞作用前后的微裂紋和電疇的觀察，獲得裂紋擴展與極化方向，加載類型之間關(guān)系。③發(fā)展了一種原位XRD觀測電疇系統(tǒng)，對電疲勞過程中PLZT鐵電陶瓷試樣表面X射線衍射峰隨疲勞次數(shù)的變化進行了原位觀測。同時，利用SEM觀察了疲勞前后試樣的斷口形貌，并系統(tǒng)地進行了電場特征和溫度對PLZT試樣電疲勞性能影響的實驗觀測。④基于Raman散射原理，建立原位觀測電疇翻轉(zhuǎn)的Raman測試系統(tǒng)，對三種不同預(yù)極化處理的PLZT試樣在靜電場作用、電循環(huán)作用下的裂紋尖端的疇變行為進行了系統(tǒng)研究；通過原位Raman觀測PLZT材料在準(zhǔn)同型相界附近的相變過程。⑤系統(tǒng)進行牛皮質(zhì)骨在拉伸、剪切、撕裂三種載荷類型下的裂紋起裂韌性研究。研究了皮質(zhì)骨中礦物成分對皮質(zhì)骨動態(tài)粘彈性性能的影響，發(fā)現(xiàn)皮質(zhì)骨中的礦物質(zhì)成分存在將降低膠原纖維的可動性，增強材料的粘彈性特性。⑥對牙齒等生物復(fù)合材料的性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)牙齒具有很明顯的壓電效應(yīng)，壓電性能與濕度和細管的分布密切相關(guān)。⑦研究在不同保護氣氛中，不同退火溫度對碳化硅纖維的材料斷裂強度的影響，揭示了微結(jié)構(gòu)的演變和宏觀性能之間的相互關(guān)系。2004年3月29～31日，張穎教授于廈門組織召開了全國細觀力學(xué)會議，清華大學(xué)，中科院力學(xué)所，浙江大學(xué)，同濟大學(xué)，復(fù)旦大學(xué)等國內(nèi)知名高校和研究所的眾多教授、專家參加了本次會議。

細觀力學(xué)和微納米力學(xué)在全球、全國范圍內(nèi)正在迅速擴展和深入，具有多學(xué)科交叉的強烈特征，國際競爭非常激烈。我省學(xué)者在細觀力學(xué)方面和微納米力學(xué)方面的投入較少，今后應(yīng)該在非線性，動態(tài)，多物理場，跨尺度、尺度效應(yīng)，微納米力學(xué)和器件等方面加大研究投入。

6實驗力學(xué)

1991年，福建省力學(xué)學(xué)會成立了實驗力學(xué)專業(yè)委員會。福建省力學(xué)學(xué)會實驗力學(xué)專業(yè)委員掛靠福州大學(xué)土木工程學(xué)院。

為更好開展實驗力學(xué)工作，經(jīng)過多年多方面努力，我省實驗力學(xué)條件不斷改善。2006年6月福州大學(xué)“工程結(jié)構(gòu)福建省高校重點實驗室”被批準(zhǔn)成立，2008年與臺灣大學(xué)聯(lián)合成立了“福建省海峽兩岸地震工程研究中心”，2008年“土木工程本科實驗教學(xué)中心”獲批“福建省本科實驗教學(xué)示范中心”。2008年福州大學(xué)土木工程學(xué)院實驗中心擁有土木綜合實驗館、工程結(jié)構(gòu)實驗館、巖土及地下工程實驗館、水利工程實驗館等場館，總面積超過1.7萬多平米，現(xiàn)有儀器設(shè)備總價值超過6000萬元。其中裝備的美國MTS大型結(jié)構(gòu)加載系統(tǒng)價值超過1280萬元，共有7個作動器，具備靜載全過程、疲勞、多維擬靜力和多維擬動力試驗功能。此外，正在建設(shè)的“福州大學(xué)地震模擬振動臺三臺陣系統(tǒng)”（價值2500余萬元）包括三個振動臺，其中中間為固定的4m×4m水平三自由度振動臺，兩邊為2.5m×2.5m可移動的水平三自由度振動臺各一個，三個臺在12m32m的基坑內(nèi)呈一直線布置，其中邊臺最大可移動距離10m，可實現(xiàn)多臺同步或異步地震輸入，拓展了地震模擬實驗的空間，該臺陣系統(tǒng)將于2009年12月全面建成投入使用。該臺陣系統(tǒng)的建成將使福州大學(xué)成為目前世界上少數(shù)幾個擁有地震模擬振動臺臺陣的單位之一。

7結(jié)構(gòu)力學(xué)

結(jié)構(gòu)力學(xué)是土木工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，涉及建筑工程、結(jié)構(gòu)工程、道路工程、橋隧工程、水利工程及地下工程等。一方面它以高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)、材料力學(xué)等課程為基礎(chǔ)，另一方面，它又成為鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、土力學(xué)與地基基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)抗震等專業(yè)課程的基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)課和專業(yè)課的學(xué)習(xí)中起著承前啟后的關(guān)鍵作用。

為增強基礎(chǔ)教育并提高結(jié)構(gòu)力學(xué)在工程中的應(yīng)用，自上世紀90年代初，我省高校興起結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)法研究熱潮，把結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)改革推向新的高度，對教學(xué)內(nèi)容進行了模塊結(jié)構(gòu)改革，將結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)內(nèi)容歸納為基礎(chǔ)型、擴展型和研究型模塊。使用高等教育出版社出版的由龍馭球、李廉錕等教授主編的統(tǒng)編教材的同時，在結(jié)構(gòu)動力學(xué)部分，融入結(jié)構(gòu)抗風(fēng)、抗震、車激振動等學(xué)科前沿知識，增加了隔震結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)的內(nèi)容，補充和修正了傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容中關(guān)于“伴生自由振動”的相關(guān)結(jié)論，實現(xiàn)了與學(xué)生原有知識的有機融合；有兩項重要教研成果：階梯形變截面梁“圖乘貼補簡化”計算方法和剛架拱“考慮二階效應(yīng)影響線”問題引入課堂討論，更新了教學(xué)內(nèi)容。

上世紀90年代末，我省結(jié)構(gòu)力學(xué)平面教材和多媒體立體化教材建設(shè)取得突破，先后出版了《結(jié)構(gòu)力學(xué)解題與思考》（陳，中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1999。2007年該書由煤炭工業(yè)出版社修訂再版）、《廣義結(jié)構(gòu)力學(xué)及其工程應(yīng)用》（陳，中國鐵道出版社，2003）、《結(jié)構(gòu)力學(xué)》（祁皚參編，清華大學(xué)出版社，2006）等。

正如王光遠院士所指出，結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)科呈現(xiàn)出“從狹義到廣義，從被動到主動，從確定到不確定，并與結(jié)構(gòu)工程滲透融合”的發(fā)展趨勢。我國在力學(xué)領(lǐng)域的理論研究已位居世界先進行列，但在應(yīng)用軟件的研制方面落后了一大步，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的應(yīng)用軟件寥若晨星。結(jié)構(gòu)力學(xué)作為專業(yè)基礎(chǔ)教育與國際先進水平接軌，體現(xiàn)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)力學(xué)教育思想；完善教學(xué)資源庫建設(shè)，加強國際教學(xué)交流是當(dāng)務(wù)之急。根據(jù)工科專業(yè)特點，面向能力培養(yǎng)、面向工程實踐、面向信息時代、面向一流水準(zhǔn)，應(yīng)是我省結(jié)構(gòu)力學(xué)研究與教學(xué)所追求的目標(biāo)。

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課題組成員：

1、嚴世榕，福州大學(xué)車輛振動與電子控制研究所所長、教授。

2、周瑞忠，福州大學(xué)土木工程學(xué)院教授（本文顧問）。

3、周克民，華僑大學(xué)土木工程學(xué)院教授。

4、許傳矩，廈門大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院教授。

5、王東東，廈門大學(xué)建筑與土木學(xué)院教授。

6、陳力，福州大學(xué)機械工程學(xué)院教授。

篇（4）

摘要： 計算流體力學(xué)可以模擬正在規(guī)劃的城市建筑群的小氣候的數(shù)值，也可以較為準(zhǔn)確的預(yù)測城市規(guī)劃方案使城市樓宇、街道的小氣候即將發(fā)生的改變，從而在城市規(guī)劃設(shè)計中趨利避害。本文簡要探討了計算流體力學(xué)在城市規(guī)劃設(shè)計中的應(yīng)用，希望能給大家一些借鑒學(xué)習(xí)之處。

關(guān)鍵詞 ： 城市規(guī)劃；設(shè)計；計算流體力學(xué)

中圖分類號：O243；TU984 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2015）03-0096-02

作者簡介：龔韓慶（1978-），男，浙江義烏人，工程師，本科，研究方向為城市規(guī)劃。

0 引言

計算流體力學(xué)簡稱CFD，計算流體力學(xué)應(yīng)用于城市規(guī)劃設(shè)計中可以有效預(yù)測城市規(guī)劃方案對城市樓宇、街區(qū)的小氣候的影響，所以計算流體力學(xué)被越來越多的應(yīng)用于城市規(guī)劃設(shè)計，相對于一般的實驗研究而言，計算流體力學(xué)具有應(yīng)用成本低、計算速度快、周期短、效率高,可以任意模擬真實及理想的條件,計算流體力學(xué)后處理技術(shù)較完善,便于分析流體力學(xué)計算結(jié)果等優(yōu)點。比如，在建設(shè)好的街道內(nèi)存在風(fēng)口，形成很大的局部風(fēng)速，甚至可能直接對街區(qū)內(nèi)的行人或者附近的建筑物造成影響。

1 計算流體力學(xué)在城市規(guī)劃設(shè)計中應(yīng)用的局限性

計算流體力學(xué)在城市規(guī)劃設(shè)計中的應(yīng)用存在一定的局限性，主要表現(xiàn)在計算流體力學(xué)必須要有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，并且在模擬數(shù)據(jù)中用離散化的方法處理數(shù)學(xué)方程時需要對流體力學(xué)計算中所碰到的收斂性、穩(wěn)定性等問題進行分析，然而做的這些分析一般只對線性方程有效，對不是線性的方程則沒有效果。而且計算流體力學(xué)受計算機內(nèi)存、運行速度等計算機固有條件的限制，只有計算機的運行速度等硬件設(shè)施達到一定程度計算流體力學(xué)才會出現(xiàn)新的發(fā)展階段。

2 計算流體力學(xué)的概念和在城市規(guī)劃設(shè)計中的計算方法

計算流體力學(xué)的步驟為先確定了那些能夠描述的連續(xù)變化的對象的流動參量的微分方程組后，然后采用計算數(shù)值的方法，通過離散化的方法用離散時間和空間的值來表示連續(xù)變化的參量，用代數(shù)方程組的形式替代微分方程組轉(zhuǎn)，空間的離散位置可用計算網(wǎng)格上的節(jié)點來描述，最后流體運動特性是通過計算機求解這些離散的數(shù)學(xué)方程組來研究的，同時可以給出流體運動空間非定常或定常流動規(guī)律，這樣的學(xué)科就是計算流體力學(xué)。計算流體動力學(xué)的工作程序建立體現(xiàn)物理現(xiàn)象或工程問題本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型就是模擬數(shù)值的出發(fā)點，就是要塑造體現(xiàn)問題每個量之間關(guān)系的微分方程唯一解前提及方程，尋找高精確度、高工作效率的計算措施，也就是塑造針對控制方程的數(shù)值離散化措施，比如有限元法和差分法、有限體積法等，編寫程序和計算分析。計算流體力學(xué)涵蓋了計算網(wǎng)格的劃分、初始條件的導(dǎo)入和邊界條件、假設(shè)控制參數(shù)等。在城市建筑物之間的空氣流動為不穩(wěn)定狀態(tài)，并且建筑物的朝向、形態(tài)存在很多種變化、地形凹凸不一。所以，以準(zhǔn)備流體力學(xué)計算對象的物理特性為基礎(chǔ)，本文將進行CFD模擬的基本控制方程選取為k-ε雙方程紊流數(shù)學(xué)模型，為適應(yīng)規(guī)劃設(shè)計中由于各建筑物地形、高度、形狀等因素所產(chǎn)生的復(fù)雜網(wǎng)格體系我們采用貼體坐標(biāo)系統(tǒng)。控制方程的通用形式為

方程中當(dāng)q=1，表示方程的連續(xù)性；當(dāng)q=u1，u2，u3，表示ξ1，ξ2，ξ（3曲線坐標(biāo)）方向的動量方程；當(dāng)q=k，表示紊動動能方程；當(dāng)q=ε，表示紊動能耗散率方程，i，j=1，2，3，表示三維空間坐標(biāo)的3個方向。式中Ui，J和Gij分別表示Jacobian速度變換矩陣、變換矩陣以及擴散量度矩陣。其定義分別為

方程（1）和（2）組成了整個求解區(qū)域小氣候場的方程組。

3 對城市規(guī)劃設(shè)計中應(yīng)用計算流體力學(xué)典型案例的分析

為了探討計算流體力學(xué)在城市規(guī)劃設(shè)計中的應(yīng)用，本文以某一個文化廣場的規(guī)劃設(shè)計為例詳細闡述了計算流體力學(xué)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用，希望能為大家更好的理解計算流體力學(xué)在城市規(guī)劃設(shè)計中的應(yīng)用。

3.1 計算流體力學(xué)的區(qū)域和網(wǎng)格 案例中進行規(guī)劃的區(qū)域東邊是一個已經(jīng)規(guī)劃好了的體育場，西邊為一個山坡，南邊和北邊都已經(jīng)蓋好了建筑。根據(jù)規(guī)劃區(qū)域的地形圖和已有建筑的分布圖可以生成一個計算流體力學(xué)的計算網(wǎng)格（如圖1），這個規(guī)劃設(shè)計中我們采用的是結(jié)構(gòu)化的計算網(wǎng)格，該計算網(wǎng)格總共設(shè)置了68×67×31個計算流體力學(xué)的點，流體力學(xué)的分析計算范疇為1km×1km×50m。流體力學(xué)計算網(wǎng)格運用POINTWISE公司的計算流體力學(xué)網(wǎng)格生成軟件包GRIDGEN生成。這個軟件包是專門替流體力學(xué)的計算而編寫的一種商業(yè)用途的計算流體力學(xué)生成網(wǎng)格軟件，這個軟件可以生成很多復(fù)雜形狀的近體坐標(biāo)計算流體力學(xué)網(wǎng)格系統(tǒng)，并且這個軟件還能夠比對優(yōu)化生成的網(wǎng)格質(zhì)量。因為流體力學(xué)的計算網(wǎng)格的繁瑣性，流體力學(xué)的分析計算是比較麻煩的。這又是在城市規(guī)劃設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用計算流體力學(xué)的比較典型的案例。因為該案例的流體力學(xué)的計算區(qū)域非常的不規(guī)則，所以生成計算流體力學(xué)網(wǎng)格和計算流場將把工作重心放在解決不規(guī)則的流體力學(xué)計算網(wǎng)格所帶來的一系列問題上，也就是如何控制網(wǎng)格的生成質(zhì)量和怎么處理流體力學(xué)計算過程中由于不規(guī)則的計算網(wǎng)格所導(dǎo)致的和收斂性相關(guān)的問題。利用GRIDGEN這個程序同時通過該軟件程序本身設(shè)置的簡化算法，可以得到較高質(zhì)量的流體力學(xué)計算網(wǎng)格；但是和收斂性有關(guān)的問題只能夠以流體力學(xué)計算的求解程序為基礎(chǔ)和使用者的經(jīng)驗來處理。在研究這個案例的過程中，我們運用擬不穩(wěn)定狀態(tài)的計算方法較快的收斂流體力學(xué)計算。這個方法就是從非穩(wěn)態(tài)的算法開始以更深的研究穩(wěn)態(tài)的問題，在一定的時間范疇內(nèi)，進行N次的迭代，從而使得較為復(fù)雜的流動難題能夠快速穩(wěn)定的收斂于它的解。在流體力學(xué)計算領(lǐng)域，擬不穩(wěn)定狀態(tài)的計算措施是使流體力學(xué)計算得到收斂的一個行之有效的措施。

3.2 流體力學(xué)計算邊界條件 在計算城市規(guī)劃設(shè)計流體力學(xué)過程中確定適合的計算邊界條件為流體力學(xué)計算運用于城市建筑規(guī)劃領(lǐng)域探討的一個很關(guān)鍵的方面。在實際的流體力學(xué)計算過程中，計算的區(qū)域除了上空采用開放的適意流動的邊界，地面和規(guī)劃區(qū)內(nèi)建筑物表面采用固體的表面邊界，其它4個方向的邊界取值也將對流體力學(xué)的計算區(qū)域有較大的影響。因為規(guī)劃區(qū)外已經(jīng)存在的建筑物會對流體力學(xué)的計算存在一定影響，東南西北4個方向的邊界條件的取值非常復(fù)雜。在本文的探究中，因為是簡單探討計算流體力學(xué)在城市規(guī)劃設(shè)計中的應(yīng)用，所以我們采取的是最簡單的方式來設(shè)定流體力學(xué)計算的邊界條件值。以某一些原則為依據(jù)，而且經(jīng)過整理分析規(guī)劃區(qū)域本地的氣象文件資料，我們明確選取風(fēng)向頻率較高的北風(fēng)和東北風(fēng)作為流體力學(xué)的計算前提，選取的風(fēng)力的大小會影響人群的生活、當(dāng)?shù)孛磕甓紩霈F(xiàn)的10米每秒的風(fēng)速作為導(dǎo)入的風(fēng)速，并且不考慮城市規(guī)劃區(qū)域外已經(jīng)存在的建筑物對流體力學(xué)計算邊界條件的影響。豎直方向的階梯風(fēng)也會影響流體力學(xué)的計算結(jié)果。本次研究采用的流體力學(xué)計算邊界條件如下：地面和已有建筑物的表面為固定墻壁；天空為自由的流動邊界，也就是滑移的界限。分析東北風(fēng)的工況時：東面和北面為10×0.714m/s的風(fēng)速入口，風(fēng)向為東北方向時，南、西面為自由的出口邊界。

4 結(jié)束語

綜上所述，計算流體力學(xué)為城市規(guī)劃設(shè)計做出了很大貢獻，CFD很大程度上使城市規(guī)劃設(shè)計更加合理，所以流體力學(xué)計算在城市規(guī)劃設(shè)計中的運用會更加普遍，我們需要經(jīng)常地了解總結(jié)流體力學(xué)計算在城市規(guī)劃設(shè)計中的運用的經(jīng)驗，不斷地對流體力學(xué)計算技術(shù)加以完善，使其更好地為城市規(guī)劃設(shè)計做出貢獻。

參考文獻：

篇（5）

中圖分類號:TD743文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1009-2374 (2010)10-0188-02

一、概述

由于裂隙巖體內(nèi)部構(gòu)造的復(fù)雜性和多變性,給注漿理論研究帶來了很大的困難。漿液在裂隙巖體中的流動規(guī)律、擴散范圍、漿液擴散壓力以及注漿加固體強度和變形特征等與裂隙巖體幾何形狀、空間分布特征和空隙度特性等有密切的關(guān)系。

目前,人們研究漿液在構(gòu)造面中流動和在孔隙中滲透擴散時均把漿液簡化為與時間無關(guān)的牛頓流體,而絕大部分漿液屬非牛頓流體的時變性賓漢姆流體,這就導(dǎo)致了注漿過程中的理論計算與實際相差太大。

在裂隙巖體中注漿,是長期以來尚未解決的技術(shù)難題。研究賓漢姆流體在裂隙巖體中滲透擴散過程 (運移規(guī)律)及滲流機理對注漿加固工程的設(shè)計和注漿效果預(yù)測等有重大的理論指導(dǎo)意義。

二、研究現(xiàn)狀及存在的問題

(一)研究現(xiàn)狀

隨著注漿實踐發(fā)展,目前已發(fā)展的注漿理論有滲透注漿理論、劈裂注漿、壓密注漿、電動化學(xué)注漿、低滲透介質(zhì)注漿理論。但由于漿體運動是隱蔽于地下復(fù)雜性的地基構(gòu)造中,且縫隙分布又難于模擬,因而理論方面的研究相對滯后于實踐。

注漿理論是借助于流體力學(xué)和固體力學(xué)的理論發(fā)展而來的,對漿液的單一流動形式進行分析,建立壓力、流量、擴散半徑、注漿時間之間的關(guān)系。傳統(tǒng)的注漿工藝是以“滲入性理論”為基礎(chǔ),注漿時只采用相對較低的注漿壓力,使?jié){液在孔隙或縫隙中擴散時不致破壞巖土的原有結(jié)構(gòu)。

滲透注漿是指在壓力作用下使?jié){液充填土的孔隙和巖石的裂隙,排擠出孔隙中存在的自由水和氣體,而基本上不改變原狀土的結(jié)構(gòu)和體積 (砂性土注漿的結(jié)構(gòu)原理),所用注漿壓力相對較小。代表性的注漿理論有球形擴散理論、柱形擴散理論和袖套管法理論。

球形擴散理論雖然考慮了漿液性質(zhì)隨時間變化對滲透規(guī)律的影響,但仍然把漿液簡化為了牛頓流體,這也正是他們的不足之處。

柱形擴散理論和袖套管法理論研究中,仍然把漿液簡化為了牛頓流體,沒有考慮漿液性質(zhì)隨時間變化對滲透規(guī)律的影響。

查閱國內(nèi)外大量文獻資料發(fā)現(xiàn),在目前的滲透注漿理論研究中,人們多是把漿液簡化為牛頓流體,而且沒考慮漿液的時變性,沒有任何一個公式能真正準(zhǔn)確地反映出漿液在多孔介質(zhì)中的滲流規(guī)律,這些公式各自存在著某些缺陷,甚至與實際之間相差很大,公式的結(jié)論多為指導(dǎo)性的,因此,大多數(shù)注漿工程報導(dǎo)或論文中,只介紹注漿工藝過程和注漿效果,很少進行注漿理論的分析研究。因缺乏完善的理論指導(dǎo),影響了注漿效果和技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)的提高,造成人力物力的許多浪費。

(二)存在的問題

1.大多漿液為非牛頓流體,而目前的理論研究中均簡化為牛頓流體。

2.在注漿過程中,漿液的性質(zhì)隨時間而變化,而目前的理論研究中視漿液的性質(zhì)與時間無關(guān)。

目前,人們研究漿液在構(gòu)造面中流動和在孔隙中滲透擴散時均把漿液簡化為牛頓流體且與時間無關(guān),而絕大部分漿液屬非牛頓流體的賓漢姆流體,且具有時變性,這就導(dǎo)致了注漿過程中的理論計算與實際相差太大,甚至是荒謬的。理論研究落后于工程實際需求,尚需進行研究的方面有:漿液流體力學(xué)及其本構(gòu)方程、漿液在多孔松散介質(zhì)中的滲透擴散規(guī)律、多孔松散介質(zhì)的滲透力學(xué)模型、多孔松散介質(zhì)的空隙度特征、漿液的充填機理、注漿加固的力學(xué)作用、注漿基本理論與觀念、注漿工藝等。

3.注漿設(shè)計隨意性太大,注漿效果難以估計。注漿方法主要是壓入法,漿液在壓力差的作用下從注漿孔向巖體裂隙內(nèi)擴散,其擴散距離 (常稱為擴散半徑)決定著注漿孔的布置和漿液消耗量,也是選擇工藝參數(shù)、評價注漿效果的重要依據(jù)。但漿液在裂隙巖體內(nèi)的擴散過程是隱藏的,目前還不可能在施工中對這一過程進行監(jiān)測,這樣,漿液的擴散距離只能靠理論或經(jīng)驗公式計算。而現(xiàn)有的計算漿液擴散距離的理論公式還遠未成熟,實用價值有限,經(jīng)驗公式又往往是針對某些特定漿液 (主要是化學(xué)漿液)總結(jié)的,不具有普遍意義。因此,目前在裂隙巖體中注漿還沒有可靠的預(yù)先確定漿液擴散距離的方法。

由于這一理論缺陷,給裂隙巖體注漿帶來了如下問題:(1)注漿工程的投資和效果難以預(yù)計。當(dāng)工程目的明確、場地條件清楚時,由于漿液的擴散距離不能預(yù)先準(zhǔn)確確定,鉆孔數(shù)量和材料消耗量的預(yù)算便沒有依據(jù)。如果憑經(jīng)驗或工程類比法確定了鉆孔數(shù)量和材料消耗量,則在這些工程量完成之后所能取得的效果又難以準(zhǔn)確預(yù)計 (如注漿帷幕是否已形成要求的封閉條件),這樣,在方案論證階段,難以將注漿法與別的方法作對比。由于這一原因,注漿法的應(yīng)用受到了一定程度的負面影響。國內(nèi)礦山帷幕截流技術(shù)的推廣中便遇到了這一問題,國外有些水利工程的業(yè)主也是因為這一原因而不愿進行壩基注漿。(2)確定孔距、漿液配比和注漿壓力時的隨意性太大。許多工程都需要通過多孔注漿,且要求注入的漿液能形成連續(xù)、穩(wěn)定的膠結(jié)體。這時注漿孔的距離必須依漿液的擴散距離而定。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件一定時,漿液的擴散距離又主要取決于漿液的性質(zhì)和注漿的工藝參數(shù)。因此,孔距應(yīng)該根據(jù)所選用的漿液在允許壓力和時間內(nèi)可能達到的擴散距離來確定。但在目前的注漿設(shè)計和施工中,注漿孔距和注漿材料都主要是憑經(jīng)驗確定的,這樣便很可能因孔距太大或太小而出現(xiàn)工程質(zhì)量問題或投資上的浪費。

三、結(jié)論

1.部分學(xué)者已驗證了裂隙巖體結(jié)構(gòu)面的分布具有統(tǒng)計意義上的自相似性,因此,裂隙巖體結(jié)構(gòu)面分布應(yīng)具有分形特征,并可計算出其分維數(shù)。

2.巖體的分維數(shù)可以反映出巖體的破碎程度、節(jié)理發(fā)育程度、可灌性。而裂隙巖體的這些特征又嚴重影響著注漿擴散規(guī)律及注漿效果,因此可以嘗試將分形理論應(yīng)用于注漿工程,用裂隙巖體結(jié)構(gòu)面的分維數(shù)來定性的確定注漿參數(shù)。

3.工程巖體往往被節(jié)理和結(jié)構(gòu)面所切割形成明顯的節(jié)理巖體,具有明顯的不連續(xù)性,用離散單元法可以得到較好的處理,因此,可以將分形理論與離散元方法相結(jié)合,模擬出漿液在裂隙中擴散的真實情況。

參考文獻

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[4]謝和平.分形―巖石力學(xué)導(dǎo)論[M].北京:科學(xué)出版社,1997.

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關(guān)鍵詞:彈塑性力學(xué);研究生;教學(xué);方法

Key words: elastic-plastic mechanics;postgraduate;teaching;methods

中圖分類號:G42 文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1006-4311(2010)27-0186-01

工程技術(shù)人才必須具備堅實的力學(xué)理論基礎(chǔ)[1-2],而彈塑性力學(xué)是力學(xué)理論體系的重要環(huán)節(jié),是高等工程類人才知識結(jié)構(gòu)中必不可少的部分。對研究生而言,彈塑性力學(xué)是工程技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科,是工科院校工程力學(xué)、土木工程等專業(yè)必修的一門課程。大土木工程專業(yè),特別是港口、海岸及近海工程專業(yè)碩士研究生的研究方向一般是港工結(jié)構(gòu)、海洋結(jié)構(gòu)、巖土、巖土與結(jié)構(gòu)相互作用等方面,其實這些方向都要以彈塑性力學(xué)的知識為基礎(chǔ),也可以說它們本身就是彈塑性力學(xué)的內(nèi)容[3]。因此,學(xué)好彈塑性力學(xué)為相關(guān)專業(yè)的研究生從事研究工作打下堅實的基礎(chǔ),對他們的研究工作具有重要作用。

作者已從事彈塑性力學(xué)這門課程的教學(xué)工作多年,深感學(xué)生學(xué)完這門課程后卻不知如何或不能很好地將所學(xué)的理論知識應(yīng)用實際工程或自己的研究工作當(dāng)中去。本文就研究生彈塑性力學(xué)課程的教學(xué)方法進行探討。

教學(xué)方法探討:

①結(jié)合巖土力學(xué)或巖土工程進行

關(guān)于彈塑性力學(xué)的研究是從英國科學(xué)家虎克與1678年提出的固體材料的彈性變形和所受的外力成正比的虎克定律開始的。而關(guān)于固體材料塑性變形的研究是從法國科學(xué)家?guī)靷愑?773年研究土力學(xué)中土壤的剪斷裂,提出了最大剪應(yīng)力理論開始的;屈雷斯卡又把最大剪應(yīng)力理論引用到了金屬的塑性變形研究中,并于1864年提出了最大剪應(yīng)力屈服條件。可看出,塑性力學(xué)起源于土力學(xué)。巖土特別是土,是一種塑性特性很強的一種材料,其物理力學(xué)性質(zhì)特別復(fù)雜,具有不確定性、區(qū)域性和影響因素眾多等特點。而巖土與樁等結(jié)構(gòu)的相互作用就更復(fù)雜了。所以,在講授研究生彈塑性力學(xué)課程時,結(jié)合巖土力學(xué)或巖土工程進行是較好的一個方法。

②結(jié)合ABAQUS軟件進行

ABAQUS是一套功能強大的工程模擬有限元軟件,解決從相對簡單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問題。ABAQUS包括一個豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫。擁有各種類型的材料模型庫,可以模擬典型工程材料的性能,其中包括金屬、橡膠、高分子材料、復(fù)合材料、鋼筋混凝土、可壓縮超彈性泡沫材料以及土壤和巖石等地質(zhì)材料。ABAQUS除了能解決大量結(jié)構(gòu)(應(yīng)力/位移)問題,還可以模擬如熱傳導(dǎo)、質(zhì)量擴散、熱電耦合分析、聲學(xué)分析、巖土力學(xué)分析(流體滲透/應(yīng)力耦合分析)及壓電介質(zhì)分析等廣泛的工程領(lǐng)域問題。

ABAQUS采用最先進的有限元技術(shù),可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng),特別是能夠駕馭非常龐大復(fù)雜的問題和模擬高度非線性問題,具有獨特的系統(tǒng)級模型分析能力。ABAQUS不但可以做單一零件的力學(xué)和多物理場的分析,同時還可以做系統(tǒng)級的分析和研究。ABAQUS 以其優(yōu)秀的分析能力、模擬復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性而被各國的工業(yè)和研究中所廣泛的采用。

ABAQUS擁有者豐富的巖土相關(guān)本構(gòu)模型,如Elasticity、Mohr-Coulomb Model、Modified Drucker-Prager Models、Linear Drucker-Prager Model、Hyperbolic Model、Exponent Model、Flow in the Hyperbolic and Exponent Models、Coupled Creep and Drucker-Prager Plasticity、Modified Cam-Clay Model、Modified Cap Model、Coupled Creep and Cap Plasticity、Jointed Material Model,從上面的模型可以看出ABAQUS有著強大的巖土本構(gòu),因此非常適合于巖土工程研究,可以考慮固結(jié)、滲流、穩(wěn)定、開挖、填方、(溫度、應(yīng)力、滲流等)耦合、地震分析等眾多問題。

所以可看出,ABAQUS是國際上非常著名的一款大型通用軟件,且在處理非線性問題方面功能特強大,還能很好地處理巖土工程問題。因此,在講授研究生彈塑性力學(xué)課程時,結(jié)合ABAQUS進行不失為一個有效的好方法。在使用ABAQUS時,可根據(jù)不同的需要選用不同的巖土本構(gòu)模型,計算完成后,可在后處理中得到任意形狀物體中任意點的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù),進而進行綜合分析。

③巖土的彈塑性力學(xué)實驗

由前面我們已知道,巖土是一種典型的彈塑性材料,受力過程表現(xiàn)出非常明顯的彈塑性。因此,上課過程中的實驗以土樣作為實驗材料是很好的。每個同學(xué)完成土樣的三軸實驗后要提交實驗報告,報告中要繪出土樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線,以表征土體的彈塑性特性。

④基于ABAQUS軟件的彈塑性力學(xué)數(shù)值模擬計算

這里是要用ABAQUS軟件進行數(shù)值模擬計算,是一種彈塑性力學(xué)計算的實際操練。每個同學(xué)要結(jié)合一個實際工程進行數(shù)值計算,并要附有詳細的計算過程和步驟、各類圖件,還要進行結(jié)果分析。這一數(shù)值模擬計算是以大作業(yè)的形式布置給學(xué)生,學(xué)生交上來后老師要評分。

⑤編寫合適的教材

選擇合適的教材對上好彈塑性力學(xué)課程也是很重要的。考慮到?jīng)]有適合作者所在的港口航道與海岸工程專業(yè)及課時要求的研究生彈塑性力學(xué)教材,特編寫了該課程的研究生教材,即《彈塑性力學(xué)理論基礎(chǔ)與工程應(yīng)用》。

參考文獻:

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力學(xué)學(xué)科形成了各具特色、實力雄厚的四個二級學(xué)科：流體力學(xué)、固體力學(xué)、一般力學(xué)與力學(xué)基礎(chǔ)和工程力學(xué)。此外，生物力學(xué)是力學(xué)與生物、醫(yī)學(xué)相結(jié)合的交叉學(xué)科，其中研究與人類心血管疾病成因及診治相關(guān)的血流動力學(xué)是發(fā)展較快的領(lǐng)域之一，該方向?qū)儆诋?dāng)前國際前沿。

材料科學(xué)與工程是上海交大的傳統(tǒng)優(yōu)勢學(xué)科，前身是冶金系，下設(shè)3個二級學(xué)科，其中材料學(xué)、材料加工工程被評為國家重點學(xué)科。

機械工程學(xué)科培養(yǎng)了數(shù)以萬計的專業(yè)技術(shù)人才，擁有機械制造及其自動化和機械設(shè)計及理論2個國家重點學(xué)科，整個學(xué)科的實力都非常強大。

控制科學(xué)與工程學(xué)科以其科研覆蓋面寬、綜合實力強、人才梯隊結(jié)構(gòu)合理、培養(yǎng)高層次人才數(shù)量多、質(zhì)量高而列居國內(nèi)同類學(xué)科前茅。控制理論與控制工程、模式識別與智能系統(tǒng)2個學(xué)科從1987年開始就一直是國家重點學(xué)科。

創(chuàng)立于1943年的船舶與海洋工程學(xué)科，已形成了一批在全國乃至世界領(lǐng)先的優(yōu)勢學(xué)科，造就了一批以院士為核心的著名學(xué)科帶頭人，成為了我國學(xué)科門類齊全、綜合研究實力雄厚、獨具特色的船舶與海洋工程科研和教學(xué)基地，享有很高的學(xué)術(shù)聲譽。

西安交通大學(xué)

機械工程學(xué)院是西安交通大學(xué)歷史最悠久、實力最雄厚的學(xué)院之一，優(yōu)勢專業(yè)主要有機械制造及其自動化、機械設(shè)計及理論、機械電子工程等學(xué)科。

電氣工程學(xué)院是我國高校同類學(xué)科中創(chuàng)建最早、學(xué)科設(shè)置最全的學(xué)院之一，歷屆畢業(yè)生中有近30人成為院士，應(yīng)屆畢業(yè)生一次性就業(yè)率非常高，學(xué)生知識能力強，頗受企業(yè)青睞。

能源與動力工程學(xué)院是西安交通大學(xué)的“品牌”學(xué)院，其能源動力學(xué)科實力強大，在全國都是數(shù)一數(shù)二的，擁有熱能工程、流體機械及工程、動力機械及工程、制冷及低溫工程4個優(yōu)勢專業(yè)，基本覆蓋了所有能源類專業(yè)方向。該學(xué)院的學(xué)生畢業(yè)后一般都進入電力、能源等企事業(yè)單位工作，收入高。

管理學(xué)院在全國同領(lǐng)域非常知名，工業(yè)工程專業(yè)具備了工科的扎實基礎(chǔ)和管理學(xué)的思維方式，頗受企業(yè)好評，出國率是同類高校中最高的。

電子與信息工程學(xué)院是涵蓋電子信息領(lǐng)域幾乎所有新興工程學(xué)科在內(nèi)的一個學(xué)院，通信工程、自動化、計算機科學(xué)等專業(yè)每年都備受Google等知名跨國企業(yè)的青睞。

北京交通大學(xué)

北京交通大學(xué)原本屬于鐵道部，現(xiàn)劃歸教育部，運輸在全國排第一，源于和鐵路的淵源，交大可以說是目前全國僅有的和鐵路聯(lián)系密切的學(xué)校，全校各專業(yè)幾乎都和鐵路相關(guān)，所以一些原鐵道部企業(yè)最認可交大，交大每年有相當(dāng)數(shù)量的畢業(yè)生會去這些企業(yè)。

交大的特色還在于和鐵路的相關(guān)專業(yè)，比如電信學(xué)院的通信、信號，土建學(xué)院的橋梁、隧道，機電學(xué)院的車輛工程，運輸學(xué)院的運輸、交規(guī)、物流，經(jīng)管學(xué)院的企管、會計等。

電信、經(jīng)管很知名，每年報名人數(shù)很多。理學(xué)院也有很不錯的學(xué)科。

西南交通大學(xué)

交通運輸學(xué)院擁有交通運輸工程國家重點學(xué)科，在地鐵、物流配送、人機和環(huán)境工程、智能交通技術(shù)等方面擁有不可代替的地位。上海磁懸浮列車、長江三角洲之間的子彈頭列車，這些先進的交通工具代表著未來鐵路交通發(fā)展的方向，而西南交大正是在這方面有著優(yōu)勢。

電氣工程學(xué)院主要從事電氣工程學(xué)科和電子信息學(xué)科的科學(xué)研究和人才培養(yǎng)工作，電力系統(tǒng)及其自動化是國家級重點學(xué)科，地鐵主要是依靠電力能源運行，因此許多電氣學(xué)院的學(xué)生被聘請到各地鐵運營大市。電氣學(xué)院的磁懸浮列車與懸浮技術(shù)研究所等重點研究所和實驗室可是幾塊金字招牌，磁懸浮列車的研究國內(nèi)第一，世界領(lǐng)先。

西南交通大學(xué)的前身是我國高校最早成立土木工程系的，現(xiàn)在的西南交大土木工程學(xué)院有國家重點學(xué)科橋梁與隧道工程學(xué)，國家級特色學(xué)科土木工程等優(yōu)勢專業(yè)，結(jié)合西南地形復(fù)雜的特點正在發(fā)揮著不可替代的作用。

北京航空航天大學(xué)

航空科學(xué)與工程學(xué)院是北航最有名的學(xué)院，下設(shè)飛機系、人機與環(huán)境系、流體力學(xué)研究所、固體力學(xué)研究所4個系所，支撐起了北航的學(xué)術(shù)高峰。

材料科學(xué)與工程學(xué)院的學(xué)生主要是和飛機、航天材料打交道，擁有大量省部委材料學(xué)重點實驗室，如民航安全技術(shù)重點實驗室等。材料科學(xué)與工程專業(yè)還是國家一級重點學(xué)科。材料不僅應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，還可以廣泛應(yīng)用于建筑等民用行業(yè)，就業(yè)范圍非常廣闊。

能源與動力工程學(xué)院原名動力系，擁有一批獲得國內(nèi)同行業(yè)公認的高級學(xué)術(shù)帶頭人作為學(xué)院的師資主體。

宇航學(xué)院堪稱航天人才的搖籃，有飛行器設(shè)計與工程、飛行器動力工程和探測制導(dǎo)與控制技術(shù)三個本科專業(yè)，課程設(shè)置的特點都是以“平臺課方向課”的模式構(gòu)建，大大拓寬了學(xué)生的知識面，提高了學(xué)生的適應(yīng)能力和專業(yè)能力。

計算機學(xué)院是一個特別鼓勵學(xué)生發(fā)揮自己的創(chuàng)新能力，展現(xiàn)自己才華的地方，其計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)也是國家一級重點學(xué)科。

南京航空航天大學(xué)

飛行器設(shè)計是南京航天大學(xué)最著名的專業(yè)，也是歷年學(xué)校招聘會上最受矚目的熱門專業(yè)，建有我國直升機技術(shù)研究方向唯一的國家級(國防)重點實驗室，建有國內(nèi)唯一專門從事航空智能材料與結(jié)構(gòu)研究的航空重點實驗室以及CAD中心、結(jié)構(gòu)振動兩個部門開放實驗室。

飛行員專業(yè)是這個學(xué)校最牛的專業(yè)，學(xué)校與多家航空公司聯(lián)合，對學(xué)生實行訂單式培養(yǎng)方式，共有“31”和“22”兩種招生模式，采取國內(nèi)國外兩部教學(xué)，如“31”就是學(xué)員前三年在國內(nèi)校本部進行飛行專業(yè)基礎(chǔ)理論知識學(xué)習(xí)和基本技能訓(xùn)練，第四學(xué)年派送到國外飛行學(xué)校進行為期一年的飛行訓(xùn)練，并取得中國民航總局認可的符合多發(fā)儀表等級要求的國外商業(yè)飛行員駕駛執(zhí)照。

電氣工程及其自動化專業(yè)雖然起步較晚，但發(fā)展十分迅速，且前景很好，擁有航空電源航空科技重點實驗室，建立了中航一集團和中航二集團技術(shù)工程中心，相關(guān)研究領(lǐng)域在國內(nèi)也具有重要影響力。

中國海洋大學(xué)

海洋環(huán)境學(xué)院是中國海洋大學(xué)最具海洋特色的學(xué)院，包括國家級重點學(xué)科海洋科學(xué)和環(huán)境科學(xué)，其中海洋學(xué)本科專業(yè)是“國家理科基礎(chǔ)科學(xué)研究和教學(xué)人才培養(yǎng)基地”首批15個基地之一。

生物科學(xué)專業(yè)屬國家級特色專業(yè)。生物系是山東省重點學(xué)科和國家生物學(xué)一級學(xué)科的重要組成部分。聯(lián)合國教科文組織中國海洋生物工程中心也設(shè)在本系。

軍事海洋學(xué)是海洋學(xué)與軍事學(xué)相結(jié)合的新興學(xué)科。它以軍事作戰(zhàn)需求為牽引，以海洋學(xué)的基本知識和研究方法為基礎(chǔ)，研究如何利用海洋要素的變化規(guī)律為軍事作戰(zhàn)服務(wù)。

此外，中國海洋大學(xué)的水產(chǎn)、水產(chǎn)品加工及貯藏工程專業(yè)也是很具有優(yōu)勢的，是國家級重點學(xué)科；水產(chǎn)養(yǎng)殖學(xué)、海洋技術(shù)、港口航道與海岸工程、會計學(xué)等專業(yè)屬國家級特色專業(yè)。

大連海事大學(xué)

大連海事大學(xué)的航海技術(shù)專業(yè)可謂久負盛名，實力非凡，1983年聯(lián)合國開發(fā)計劃署和國際海事組織在學(xué)校設(shè)立了亞太地區(qū)國際海事培訓(xùn)中心，1985年設(shè)立世界海事大學(xué)大連分校。

如果說航海學(xué)的是開船，那么輪機學(xué)習(xí)的就是如何修船了。輪機管理（輪機工程）專業(yè)現(xiàn)設(shè)有輪機管理和船機修造兩個專業(yè)方向，屬于國家級重點學(xué)科。由于這個專業(yè)自身的特點――工程部件精確度要求較高，所以對所招收學(xué)生的要求也是格外高。

法學(xué)院是遼寧省人大常委會立法顧問單位，其中海商法專業(yè)在國內(nèi)同類法律高校中是首屈一指的，也是大連海事大學(xué)進校要求分數(shù)最高的專業(yè)。它培養(yǎng)的學(xué)生不僅要求具有扎實的英語和法學(xué)基礎(chǔ)，而且還要求熟悉海運及相關(guān)業(yè)務(wù)，精通海商、海事法律，能夠?qū)⑺鶎W(xué)的知識運用于實踐中。

海事管理學(xué)科主要培養(yǎng)的是負責(zé)水上安全運輸監(jiān)督管理的專業(yè)人才，學(xué)生畢業(yè)后一般進入海事局、海上監(jiān)察、港口監(jiān)察等單位工作，是海上運輸?shù)牡谝坏婪谰€。

海上物流專業(yè)是解決港口運輸、海洋運輸?shù)母鞣N問題的學(xué)科，備受歡迎。

長安大學(xué)

公路學(xué)院是長安大學(xué)最好的學(xué)院，是我國公路交通建設(shè)行業(yè)學(xué)科最齊全、專業(yè)配套規(guī)模最大的公路交通學(xué)院。公路學(xué)院公路建設(shè)學(xué)科與技術(shù)學(xué)科均列入國家“211工程”重點建設(shè)行列，學(xué)院還是全國交通系統(tǒng)監(jiān)理工程師、造價工程師、檢測工程師和公路交通高新技術(shù)培訓(xùn)基地。

汽車學(xué)院也是長安大學(xué)很牛的學(xué)院，載運工具運用工程是國內(nèi)為數(shù)不多的幾個權(quán)威學(xué)科點之一，只有西南交通大學(xué)、北京交通大學(xué)可與之一爭高下。學(xué)院有自己唯一的汽車高速實驗環(huán)道和綜合測試場，給學(xué)生們提供了很多實驗機會，讓學(xué)生在賞車、鑒車、試車的樂趣中發(fā)現(xiàn)和學(xué)習(xí)。

篇（8）

在中科院力學(xué)所，也許你會經(jīng)常看見這位準(zhǔn)點到三樓上班的忙碌身影。他，就是中國爆炸力學(xué)的奠基人與開拓者之一的鄭哲敏。

從頑童到負笈少年

1960年，中科院力學(xué)所，一個小型爆炸成形實驗正在進行?？蒲腥藛T屏息靜氣，只聽“砰”的一聲，一塊5厘米長寬，幾毫米厚的鐵板被單發(fā)雷管炸成一個小碗。大家歡呼雀躍。所長錢學(xué)森興奮不已，拿著小碗給大家看：“可不要小看這個碗，我們將來衛(wèi)星上天就靠它了?！?/p>

隨之，在中國，一個新興的專業(yè)就此誕生，錢學(xué)森起名為“爆炸力學(xué)”。其創(chuàng)始人便是錢學(xué)森的得意門生鄭哲敏。

與爆炸力學(xué)結(jié)緣，并非刻意的人生規(guī)劃?！拔覐倪^去走到現(xiàn)在，并沒有什么清晰的路線。但有一點是確定的，那就是富國強民的愿望?！?/p>

冥冥之中，鄭哲敏與力學(xué)似乎也有不解的緣分。鄭哲敏出生于商人家庭，因為父親在山東經(jīng)營亨得利鐘表，他小時候就喜歡拆表拆鐘，擺弄各種光學(xué)儀器。

在鄭企靜童年的記憶中，二哥鄭哲敏是一個活潑甚至有點淘氣的頑童，并非一天到晚死讀書，而是興趣廣泛，愛好音樂，最喜歡吹口琴、唱京劇?！八诩遗判欣先?，點子多，是我們的領(lǐng)頭人，一到冬天，他打來井水，撒在自家院子結(jié)成薄冰，他領(lǐng)著兄弟姐妹在‘人工冰場’溜冰，好開心?！?/p>

8歲那年，父親與鄭哲敏聊天，語重心長說道：“你長大以后不要像我一樣做生意，要念書做學(xué)問。”他還教導(dǎo)鄭哲敏，做人要誠實、實在，要憑實力。在父親影響下，鄭哲敏兄妹也都一生剛正不阿，一心向?qū)W，并學(xué)有所成。

1938年，鄭哲敏讀中學(xué)。期間因身體不好休學(xué)在家，父親讓他看《家書》。他學(xué)到了很多做人的道理，確立了做人的底線。家里還請老師教他學(xué)英語。鄭哲敏自學(xué)了英文原版的歐幾里得，書中嚴密的邏輯推理給鄭哲敏很大的影響。他自此就迷上了數(shù)學(xué)、物理，并由此進入到科學(xué)的殿堂。“打那以后，成績就好了，學(xué)習(xí)也很輕松。”

童年，有美好的記憶，也烙下了歷史的陰影。日本侵華后，鄭哲敏一家都生活在頻繁轟炸的恐怖中。一次鄭哲敏在路上撿子彈殼，突然遭到一個拿步槍的日本兵的追趕，他嚇得一路狂奔逃命。從此，這一幕就成為他經(jīng)常出現(xiàn)的夢魘。初中填報志愿時，鄭哲敏就立下兩個志愿：一是當(dāng)飛行員，打日本鬼子；二是當(dāng)工程師，實業(yè)救國。

1943年，鄭哲敏中學(xué)畢業(yè)后考入西南聯(lián)大電機系。鄭哲敏有幸見到了梅貽琦等知名教授。雖然沒有親聆教誨，卻受到潛移默化的影響。例如梅貽琦走路從不抄近路，按規(guī)矩辦事，遵守紀律；聯(lián)大有各種各樣的集會，大家各唱各的調(diào)，科學(xué)和民主氣氛很活躍；老師教書認真負責(zé)，一板一眼?！斑@些大師，在心中是一種榜樣標(biāo)志，一種人格的代表?！编嵳苊艋貞浀馈?/p>

抗戰(zhàn)勝利后，西南聯(lián)大回遷，鄭哲敏在北平（北京）清華大學(xué)機械系學(xué)習(xí)。畢業(yè)后，便留校做錢偉長教授的助教。1948年，經(jīng)四級選拔，同時在梅貽琦、陳福田、錢偉長、李輯祥等人的推薦下，鄭哲敏脫穎而出成為全國唯一的一名“國際扶輪社國際獎學(xué)金”獲得者，赴美學(xué)習(xí)。

錢偉長為他寫了留學(xué)推薦信：“鄭哲敏是幾個班里我最好的學(xué)生之一。他不僅天資聰穎、思路開闊、富于創(chuàng)新，而且工作努力，盡職盡責(zé)。他已接受了工程科學(xué)領(lǐng)域的實際和理論訓(xùn)練。給他幾年更高層次的深造，他將成為應(yīng)用科學(xué)領(lǐng)域的出色科學(xué)工作者?！?/p>

23歲的鄭哲敏，背起行囊，負笈留學(xué)。他來到美國加州理工學(xué)院，師從錢學(xué)森先生，攻讀博士學(xué)位，鄭哲敏有機會聆聽許多世界著名學(xué)者的課程或報告，尤其受錢學(xué)森所代表的近代應(yīng)用力學(xué)學(xué)派影響很深：著眼重大的實際問題，強調(diào)嚴格推理、表述清晰、創(chuàng)新理論，進而開辟新的技術(shù)和工業(yè)。這也成為鄭哲敏后來一生堅持的研究方向和治學(xué)風(fēng)格。

他還接受馮卡門、錢學(xué)森等應(yīng)用力學(xué)學(xué)派的思想精髓：應(yīng)用自然科學(xué)的基礎(chǔ)理論，探索工程基本規(guī)律，形成工程理論，進而產(chǎn)生新技術(shù)解決工程難題。

后，美國移民局取消了對一批留學(xué)生不得離境的限制，鄭哲敏成為首批回國的留學(xué)生。離美之前，恩師錢學(xué)森為他送行。他請教：回國后干什么？錢先生說，國家需要做什么，你就做什么。不一定是尖端的，哪怕是測量管道水的流動也可以做。

1954年9月26日，鄭哲敏從紐約乘船離美，途經(jīng)歐洲輾轉(zhuǎn)近5個月，于次年回到了闊別6年半的祖國。

半個世紀后，總有人問他“當(dāng)時為什么回來？后悔過嗎？”在鄭哲敏看來，這不是個問題：“沒有想過不回來。這是長在骨子里的東西。雖然美國物質(zhì)生活很好，但感覺像浮萍，沒有根的感覺。”

沒見過雷管的書生到爆炸力學(xué)專家

爆炸的機理就是能量的快速釋放和有效的控制。爆炸現(xiàn)象在自然和人類歷史中經(jīng)常出現(xiàn)，如宇宙大爆炸、戰(zhàn)爭轟炸等。爆炸力學(xué)就是研究爆炸能量的傳播規(guī)律、力學(xué)效應(yīng)及其控制方法與定量應(yīng)用。在高速沖擊和爆炸荷載作用下，固體材料流體化，有了新的材料特性，既是固體又是流體，既非固體也非流體。描述介質(zhì)的新特性，傳統(tǒng)的固體流體力學(xué)方程不夠用了，鄭哲敏花費近三年時間，深入研究爆炸力學(xué)新的理論，闡明基本規(guī)律。

爆破成形的小碗，就是最早的實驗?zāi)Ｐ?。在這之前，鄭哲敏是連雷管都沒見過的書生，但他心中一直謹記并踐行著老師的話--“祖國的需要就是我的專業(yè)”，白手起家，著手研究。上個世紀60年代，利用爆炸成形研究，鄭哲敏團隊成功制造出高精度衛(wèi)星火箭部件。

鄭哲敏還接受判斷地下強爆效應(yīng)的科研任務(wù)，建立了流體彈塑性理論。該模型將爆炸及沖擊荷載作用下介質(zhì)的流體、固體特性及運動規(guī)律用統(tǒng)一的方程表述，堪稱爆炸力學(xué)的學(xué)科標(biāo)志，可準(zhǔn)確預(yù)測地下強爆炸試驗壓力衰減規(guī)律。他和同事在山溝溝一干就是幾年，為該項研究工作理論計算和數(shù)字模擬做出了開創(chuàng)性的工作。

1969年前后，鄭哲敏和研究集體花了近10年時間進行穿破甲機理的研究，拓展了流體彈塑性理論，他提出用子彈打鋼板的辦法研究炮彈打裝甲的規(guī)律，通過準(zhǔn)確計算，能夠讓武器在精確的規(guī)定距離里打透相應(yīng)厚度的裝甲。

鄭哲敏還在爆炸焊接理論和應(yīng)用研究中，揭示了爆炸焊接機理，奠定了爆炸加工工藝的基礎(chǔ)。產(chǎn)業(yè)部門就此開發(fā)出新工藝，形成中國人自己的技術(shù)。數(shù)十年后中國是全世界最大的爆炸加工國家，成為爆炸加工產(chǎn)品的出口國。

上世紀80年代，國家急需港口建設(shè)，又有產(chǎn)業(yè)部門找上門來。建港首先需要處理構(gòu)筑防波堤下的海底淤泥層，如用挖泥船，需要挖泥、填石兩步工序，不僅工期長，耗資大，而且形成回淤導(dǎo)致不安全。

鄭哲敏提出：用炸藥爆炸擾動淤泥，降低淤泥強度，堆石體靠自重作用下滑。這樣，排淤和推填石料同時進行，提高了效率，工藝簡單，工期縮短1/3，節(jié)約成本1/4。爆炸處理水下軟基技術(shù)納入國家規(guī)范，目前已經(jīng)能夠處理厚度30米以上的淤泥，成為無可替代的技術(shù)。

近些年來，鄭哲敏還將爆炸力學(xué)研究應(yīng)用于煤與瓦斯突出機理、納米壓痕標(biāo)度、三峽三期圍堰爆炸拆除等。

篇（9）

二、教學(xué)團隊帶頭人和骨干教師遴選

教學(xué)團隊帶頭人作為團隊的“領(lǐng)頭羊”，引領(lǐng)著教學(xué)改革和科學(xué)研究方向，是教學(xué)團隊的核心和靈魂。教學(xué)團隊帶頭人除具備較高的學(xué)術(shù)造詣、創(chuàng)新性學(xué)術(shù)思想和良好的組織協(xié)調(diào)能力外，還應(yīng)長期堅持在本科教學(xué)第一線，致力于課程建設(shè)，具備目光遠大、胸襟開闊、善于溝通、甘于奉獻等人格魅力，以學(xué)術(shù)精神、學(xué)術(shù)水平帶動和影響團隊成員參與團隊的各項建設(shè)，促進學(xué)術(shù)成果的教學(xué)轉(zhuǎn)化，吸引并帶動一批有創(chuàng)新能力和突出發(fā)展?jié)摿Φ闹星嗄杲虒W(xué)骨干，組建合理的教學(xué)梯隊。教學(xué)團隊成員除年齡和職稱結(jié)構(gòu)合理外，也需考慮基礎(chǔ)知識、專業(yè)知識、實驗設(shè)計實踐環(huán)節(jié)、科學(xué)研究和工程應(yīng)用等多方面人才互補。骨干教師遴選以本專業(yè)教師為主，但需跨學(xué)科、跨專業(yè)、跨院系，甚至跨地域吸收引進核心骨干成員。團隊人員數(shù)量以8～15人為宜，其中包含3～5位校外專家顧問。團隊梯隊人員結(jié)構(gòu)既注重基礎(chǔ)和專業(yè)結(jié)合，也注重校內(nèi)、外聯(lián)合、基礎(chǔ)理論研究和工程應(yīng)用結(jié)合。

三、開展課程群教學(xué)改革

（一）課程群建設(shè)規(guī)劃

精品課程建設(shè)在新一輪高校教學(xué)改革中具有帶動主要課程群建設(shè)與改革、推動品牌專業(yè)立項與建設(shè)、開創(chuàng)院校辦學(xué)特色等重要功能。教學(xué)團隊以精品課程的建設(shè)目標(biāo)和要求編制課程群建設(shè)規(guī)劃,明確和制定課程群建設(shè)目標(biāo)和任務(wù),以及建設(shè)的具體措施與對策。精品課程有院級精品課程→校級精品課程→省級精品課程→國家級精品課程4級建設(shè)梯度。水污染控制工程和大氣污染控制工程已評為省級精品課程，這兩個教學(xué)團隊力爭將省級精品課程建設(shè)為國家級精品課程，同時以省級精品課程的建設(shè)目標(biāo)帶動環(huán)境工程微生物、環(huán)境工程原理、環(huán)境監(jiān)測等重點課程申報校級精品課程。

（二）教學(xué)內(nèi)容和教材

教學(xué)團隊要理清不同課程在課程群系統(tǒng)中的邏輯關(guān)系，針對學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)，規(guī)范基礎(chǔ)課程、專業(yè)骨干課程和選修課程之間的教學(xué)內(nèi)容分配、銜接等，突出重點,避免內(nèi)容重復(fù)，統(tǒng)籌考慮各課程的學(xué)時、開課時間、實踐環(huán)節(jié)內(nèi)容與課時分配。抓好歸屬課程教學(xué)大綱執(zhí)行與落實，規(guī)范歸屬課程講義與教案，加強課程教學(xué)課件等方面建設(shè)，將該學(xué)科最新研究成果及時補入教學(xué)內(nèi)容，定期修訂與完善各門課程大綱內(nèi)容、范圍和要求。同時，對每門課程教學(xué)所選用的課堂教學(xué)、實驗、課程設(shè)計、實習(xí)指導(dǎo)教材進行論證。教材建設(shè)是教學(xué)團隊建設(shè)的一個很好載體，教材是教師和學(xué)生之間的媒介，是聯(lián)系師生的紐帶，也是教師合理利用教學(xué)資源、整理教學(xué)思路的突破點?，F(xiàn)在高校使用的教材或多或少存在著內(nèi)容陳舊、缺乏創(chuàng)新等問題，應(yīng)盡量選用最新的“十一五”、“十二五”國家級規(guī)劃教材和面向21世紀高校教材。對教材的選用既要考慮國內(nèi)、外最新先進科技成果，又要考慮教材質(zhì)量。另外，要積極組織力量主編或參編省部級以上教材，自編特色教材?？傊?，使教學(xué)內(nèi)容緊跟科學(xué)文化以及經(jīng)濟社會發(fā)展步伐，做到與時俱進。

（三）教學(xué)方法和手段

教學(xué)團隊建設(shè)中突出創(chuàng)新意識和團隊進取精神。教學(xué)團隊除了改革教學(xué)外，在教學(xué)模式和教學(xué)方法等方面也要進行積極改革和創(chuàng)新，將一些好的教學(xué)研究成果運用到本科教學(xué)，形成特色。比如，可以采用六步教學(xué)法、課堂討論法、啟發(fā)式教學(xué)法、案例教學(xué)法、直觀教學(xué)法、比較教學(xué)法等進行課堂教學(xué)的不斷嘗試與探索。也可采用多媒體教學(xué)、實驗教學(xué)、課程設(shè)計、雙語教學(xué)、仿真教學(xué)、視頻教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、現(xiàn)場實訓(xùn)結(jié)合的“八結(jié)合”教學(xué)方法和手段，豐富教學(xué)內(nèi)容，提升教學(xué)質(zhì)量。

（四）科研和教學(xué)互補

教學(xué)團隊及科研團隊是伴隨著高校的發(fā)展而產(chǎn)生的，兩者密切聯(lián)系、相互包容和依存。教學(xué)團隊主要是針對本科教學(xué)提出的，是以提高教學(xué)質(zhì)量、促進教學(xué)改革為主要任務(wù)，通過團隊建設(shè)促進高質(zhì)量人才培養(yǎng);科研團隊，側(cè)重于以項目為依托，探索新知識、開發(fā)新成果等，目的是為學(xué)科發(fā)展提供創(chuàng)新成果和高層次人才。在教學(xué)型院校，教團團隊?wèi)?yīng)融合科研團隊的作用和功能，高校教師既是知識的傳播者，也是知識的創(chuàng)造者。優(yōu)秀的教學(xué)團隊建設(shè)應(yīng)當(dāng)與科研工作緊密結(jié)合；定期討論本團隊方向的前沿科學(xué)問題，申報科研項目；搭建實驗平臺，開展科學(xué)研究，實現(xiàn)科研反哺教學(xué)。

篇（10）

1. 引言

散體材料結(jié)構(gòu)是指由大量顆粒物堆積在一起形成的集合體。對顆粒物質(zhì)性質(zhì)[1～2]的理解與研究對于全球工業(yè)與經(jīng)濟的發(fā)展有極大的好處。此外，沙摸化、泥石流、雪崩、山體滑坡等自然災(zāi)害的形成與發(fā)生也與散體顆粒物質(zhì)的性質(zhì)有密切的關(guān)系，了解散體材料結(jié)構(gòu)的特性，對于這些自然災(zāi)害的防治也有一定的指導(dǎo)意義，因此，先對散體結(jié)構(gòu)的特性介紹如下。

圖1自組織臨界性現(xiàn)象

圖2碎石顆粒堆的一段荷載和位移的關(guān)系線

2. 自組織沉降現(xiàn)象

自組織沉降現(xiàn)象是散體材料結(jié)構(gòu)從一種平衡狀態(tài)到另一種平衡狀態(tài)的過程中，顆粒堆會發(fā)生崩塌沉降、顆粒堆密實度增大，孔隙變小的現(xiàn)象，這個過程我們稱為一次自組織。自組織沉降現(xiàn)象廣泛存在于自然社會中的一種現(xiàn)象，如雪崩、地震、泥石流、滑坡等都可以認為是自組織沉降現(xiàn)象。最常見的例子是沙堆演化，在一處很平的地面，往上面緩緩的堆沙，每次只加一粒沙子，在最初落下的沙子就停在原地，當(dāng)我們繼續(xù)加沙粒時，沙堆就會越來越陡。當(dāng)出現(xiàn)再加上一粒沙子時就有可能使部分沙粒發(fā)生滑落，從而又可以繼續(xù)加沙粒，這就是一次自組織沉降現(xiàn)象，往復(fù)循環(huán)。由圖1可見在沙粒將要發(fā)生滑落的時刻就是自組織的臨界狀態(tài)。我們做如下試驗：用鋼板制作容器，內(nèi)置碎石塊，與位移計相連，在萬能試驗機上施加縱向荷載，得出荷載和位移關(guān)系曲線如圖2所示，在該曲線波動一次都會有自組織沉降現(xiàn)象的發(fā)生。

圖3巴西堅果效應(yīng)

圖4反巴西堅果效應(yīng)

3. 顆粒分離現(xiàn)象

（1）上世紀30年代，巴西人在長途運輸堅果時，發(fā)現(xiàn)裝有不同大小堅果的容器經(jīng)過長途顛簸，總是大的果子浮在上層，細碎的小果留在下面。根據(jù)常識，大而重的堅果在振動過程中受重力影響應(yīng)當(dāng)沉在下面，但事實卻是大而重的堅果在振動過程中浮在上面，小而輕的果子沉在下面。散體材料在振動時小顆?？梢詮拇箢w粒的間隙中掉下去，小顆粒在下方的支撐作用使大顆粒停留在上部如圖3所示。這就是著名的“巴西堅果效應(yīng)” （Brazil-nut effect），后來Breu[3]等人通過實驗觀察到：若在容器中下部裝入小顆粒散體材料，上面裝入大顆粒材料，受到振動后會出現(xiàn)小顆粒向上運動，大顆粒向下運動的情況如圖4所示，被稱為“反巴西堅果效應(yīng)” （Reverse Brazil-nut effect）。姜澤輝[4]等人在豎直振動兩種不同顆?；旌衔锏膶嶒炛?，發(fā)現(xiàn)大而重的顆粒被夾在兩層小而輕的顆粒之間，小顆粒一部分覆蓋在上表面，一部分留在底部，被稱為“三明治”式分離。我們也可以做個小實驗，把一枚硬幣投入一個糖罐中，然后上下有規(guī)律地搖動，會發(fā)現(xiàn)，錢幣逐漸浮現(xiàn)上來，直到最后這枚硬幣會浮在鹽罐的最上層，蘊含顆粒物質(zhì)的振動分離現(xiàn)象。

（2）在掃頻儀振動臺上做如下實驗：采用四種大小不同的砂土顆粒： 0.5mm中砂，按不同的顏色分為7層，依據(jù)土工試驗標(biāo)準(zhǔn)中擊實試驗的方法填裝，填裝高度15.00cm。以觀測散體材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部的變化情況。振動前如圖5（a）顆粒分層明顯，各層顏色單一；頻率f=20Hz振動時間t=60s時顆粒級配嚴重破壞，各層顏色不再單一，出現(xiàn)移動的混亂現(xiàn)象，如圖5（b）。散體材料結(jié)構(gòu)在震動荷

載作用下出現(xiàn)了振動分離現(xiàn)象。

圖5不同時間及頻率試驗現(xiàn)象

4. 拱效應(yīng)

（1）拱效應(yīng)是散體材料結(jié)構(gòu)的獨特行為。由于散體材料“散”和“動”的特性，使散體材料結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)介于固體和液體之間，并在二者之間轉(zhuǎn)變。其內(nèi)部應(yīng)力分布也有別于固體和液體。由于散體材料是非連續(xù)性材料，所以由散體材料組成的系統(tǒng)內(nèi)部的應(yīng)力并不是連續(xù)分布的，而是形成鏈狀結(jié)構(gòu)的應(yīng)力傳播路徑，通常稱為應(yīng)力鏈如圖6所示。

圖6散體材料結(jié)構(gòu)顆粒的力傳遞模型

（2）當(dāng)顆粒體系受縱向壓力作用時，其應(yīng)力易于改向，一部分力傳遞于橫向，若有容器則表現(xiàn)為縱向壓力大部分傳遞到邊界壁，這是顆粒體系與均勻相固體不同的特性。顆粒體系的這種傾向是造成顆粒成拱及被堵塞的一個重要原因。形成拱的條件取決于輸送顆粒物的管子直徑與顆粒大小的比值、顆粒間及顆粒與管壁間摩擦力的大小，以及顆粒排列的緊密程度。

5. “顆粒物質(zhì)”態(tài)

散體材料結(jié)構(gòu)是一種特殊的結(jié)構(gòu)，是散體材料顆粒堆積在一起形成的。顆粒與顆粒之間有孔隙產(chǎn)生。當(dāng)這種堆積物受壓時，顆粒先松動而后重新排列，孔隙變小，密實度增加。因此散體材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部具有特殊的應(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系和特殊的強度——變形規(guī)律。通常是一個自然的、非線性系統(tǒng)，顆粒與顆粒之間無粘性連結(jié)，沒有變形協(xié)調(diào)的約束。它具有不同于固體和液體的獨特性質(zhì)，主要表現(xiàn)在：

（1）顆粒物質(zhì)具有類似于液態(tài)物質(zhì)的特性，即流動性，但比液態(tài)物質(zhì)的流動性差。

（2） 顆粒之間只是在接觸時，才有力的作用，顆粒之間存在壓應(yīng)力和剪應(yīng)力，具有對邊界面產(chǎn)生壓力的性質(zhì)，難以抵抗拉力，散體材料堆還具有壓硬性、剪脹性。其規(guī)律比固態(tài)物質(zhì)更為復(fù)雜。

（3）離散顆粒材料有異于固體、液體和氣體的另一個例子就是是聲音的傳播。聲音在固體、氣體與液體中均能良好地傳播。然而它在顆粒體系中卻很難傳播。因此有人稱之為 “顆粒物質(zhì)態(tài)”。

6. 谷倉效應(yīng)

德國工程師詹森[5]發(fā)現(xiàn)糧倉中的糧食堆得很高時，底部收到的力不再隨添加物的增加而增大的現(xiàn)象，他從連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論出發(fā)，提出了一個模型定量解釋了這種現(xiàn)象，即Janssen模型，顆粒與器壁的摩擦力使器壁負擔(dān)了顆粒系統(tǒng)中“丟失了的重量”。Janssen模型表明，存在一個臨界深度即特征長度 ，當(dāng)堆積高度 時， 值接近于流體力學(xué)中的靜水壓力值而當(dāng) 之時，即在顆粒層很深的地方，容器底部壓力p趨于最大值，不再明顯增加，如圖7所示。這就是我們俗稱的“糧倉效應(yīng)”。 P.G .D eG ennesV[6]指出他沒有考慮豎直應(yīng)力在任意角度上的分量及假設(shè)了谷倉的每一處與顆粒接觸都是接觸的。但小顆粒條件下的janssen模型是正確的。

圖7Janssen模型中的 P（Z）與靜水壓的比較圖

7. 總結(jié)

從大量的資料及實驗可以得出散體材料結(jié)構(gòu)的特性：

散粒體材料結(jié)構(gòu)的振動分離現(xiàn)象、物質(zhì)

態(tài)特性、拱效應(yīng)、自組織現(xiàn)象和谷倉效應(yīng)對顆粒物質(zhì)的運輸、存放及散體材料對工程的應(yīng)用提供了有力的理論依據(jù)。但顆粒材料的研究仍處于起步階段，需要我們不斷的努力探索。

參考文獻

[1]蔣紅英.顆粒介質(zhì)傳力特性及其在巖土工程中的若干應(yīng)用問題[J].蘭州大學(xué)博士論文，2005：1～25.

[2]蔣紅英、厲玲玲等散體材料結(jié)構(gòu)沉降與自組織現(xiàn)象分析[J]四川建筑科學(xué)研究2010.（36）6：85～88.

[3]A.P. J. B reu，H .-M.E nsner，C .A .K ruellea nd1 .R ehberg.R eversingth eB razil-Nu tE ffe ct：C ompetitionb etweenP ercolationa ndC ondensationP hys.R ev.L et.200 3， 90 （l）：014302（2）.

[4]姜澤輝，陸坤權(quán)，厚美英，陳唯，陳相君.振動顆?；旌衔镏械娜髦问欠蛛x. 物 理 學(xué)報， 2003，52（9）：2244～2248.

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[6]P.G.d eG ennes.G ranularm atter.at enattivev iew . Review ofM ordenP sits.1 999，71：5371～S284.