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弹性拓扑材料研究进展

陈毅, 张泉, 张亚飞, 夏百战, 刘晓宁, 周萧明, 陈常青, 胡更开

2021, 51(2): 189-256. doi: 10.6052/1000-0992-21-015

摘要(5538)

HTML (1636)

PDF(1356)

摘要:
拓扑绝缘体起源于量子波动系统, 因其单向传输、能量无耗散等新奇物理性质, 近年逐渐被拓展到电磁波、声波、弹性波等经典波动领域, 为经典波的调控提供了新思路. 本文将系统介绍拓扑绝缘体理论及其在弹性波领域的相关研究进展. 首先以一维、二维离散点阵系统为例, 阐释拓扑物理研究中的基本数学、物理概念, 如狄拉克锥、能带翻转、贝里曲率、拓扑数等. 随后, 依次讨论弹性系统谷霍尔绝缘体、陈绝缘体、自旋霍尔绝缘体的设计思想及目前研究进展, 并讨论了近年来逐渐受关注的高阶拓扑现象. 最后, 讨论了静力学中拓扑孤立子、拓扑零能模式现象.

高超声速喷管设计理论与方法

汪运鹏, 姜宗林

2021, 51(2): 257-294. doi: 10.6052/1000-0992-20-002

摘要(4929)

HTML (1687)

PDF(532)

摘要:
在高超声速飞行技术领域, 特别是涉及到高焓气体流动的研究, 高超声速风洞试验仍然是目前最可靠的研究手段. 风洞流场的品质是高超声速风洞研发最重要的一项性能指标, 其取决于喷管设计采用的理论与方法, 也是风洞设计最关注的一项核心技术. 针对二维轴对称型面喷管设计, 本文首先综述了传统高超声速喷管设计的主要理论和常用方法, 它们在高超声速喷管设计中曾经发挥了重要作用, 包括理论方法, 近似方法和基于两者的修正方法. 然后, 考虑高温气体效应, 分析了高焓喷管设计时面临的困难与问题, 从流动介质物性变化、高温边界层发展和非平衡过程效应三方面, 综述了国内外在高超声速高焓喷管设计方面的研究进展. 最后, 对于高焓喷管的设计理论和方法的发展作了展望, 期望对于推动我国高超声速高焓喷管设计技术的发展提供一些有意义的启示.

动物进化的抗冲击策略及其仿生机理研究

邢运, 杨嘉陵

2021, 51(2): 295-341. doi: 10.6052/1000-0992-20-027

摘要(4219)

HTML (1335)

PDF(834)

摘要:
经过长期的自然选择, 自然界中的动物已经进化出各种各样高效的、可靠的、适应性强的抗冲击策略和机体防护机制, 抵抗来自周围复杂环境的碰撞和冲击载荷, 保护生物外部结构和内部器官在进行激烈生物活动时不受伤害. 相比传统工程防护结构, 这些天然的生物防御系统具有优异的抗冲击特性、高效的能量耗散效率以及可重复使用等特征. 因此, 近年来, 关于探索生物及其仿生机理的研究越来越受到广大学者的关注. 本文作者结合近期在该领域的研究成果, 综述了自然界各类动物的抗冲击策略与身体防护机制及其相关仿生设计与应用的最新研究进展. 特别地, 我们归纳分析和讨论了面对不同载荷环境时生物抗冲击结构独特的进化过程和非凡的力学性能, 并且介绍了相关的抗冲击仿生应用研究. 最后, 讨论了动物抗冲击策略与防护机制及其仿生应用研究的挑战和未来发展方向. 本文可为研究人员和工程师提供有效的数据资料, 为可重复使用能量吸收装置及其飞行器结构的抗冲击与防护设计提供有益借鉴和仿生依据.

曲面薄膜结构褶皱失稳力学

徐凡, 杨易凡, 汪婷

2021, 51(2): 342-363. doi: 10.6052/1000-0992-20-038

摘要(4170)

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PDF(676)

摘要:
薄膜结构褶皱失稳在微观和宏观尺度会出现相似的形貌, 在过去二十年里引发了学者们极大的研究兴趣. 而几何曲率对薄膜结构的失稳临界、形貌选择和后屈曲演化起着至关重要的作用. 本文回顾近二十年来平面和曲面薄膜结构褶皱失稳力学研究进展, 聚焦曲率影响下的薄膜拉伸和膜基结构在各种激励下的稳定性问题. 有限应变板壳理论模型和数值计算方法的发展推动了对曲率影响下薄膜结构表面形貌多重分岔转变的定量理解、预测和追踪, 不仅推进了对薄膜结构失稳机理的深入理解, 也为抑制褶皱或利用失稳实现多功能表面制造提供了理论基础, 可促进拓扑形貌相关的功能性膜结构的设计及优化.

局部散射理论在高超声速边界层转捩预测中应用的检验

李斯特, 董明

2021, 51(2): 364-375. doi: 10.6052/1000-0992-21-016

摘要(1013)

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PDF(108)

摘要:
e^N方法是物理意义明确的转捩预测方法之一, 但它无法考虑边界层中的局部突变(如粗糙元、缝隙、台阶等)对转捩的影响. 而后者在飞行器表面经常出现. 近期发展的局部散射理论框架提供了该问题的有效解决途径. 该理论框架从转捩的物理机理出发, 定量刻画局部感受性和线性模态的局部散射两个机制, 并用参数化的感受性系数和透射系数修正转捩判据. 为了验证该理论框架的有效性, 设计了一套高超声速边界层的直接数值模拟方案: 分别在光滑壁与粗糙壁两种工况下引入相同的初始失稳模态, 计算它们触发转捩的过程, 并定量考察粗糙元对转捩的影响. 数值模拟结果与描述线性模态局部散射机制的理论预测吻合很好.

基于视频的机械装备全场振动测量研究

陈立群, 杨天智

2021, 51(2): 376-381. doi: 10.6052/1000-0992-21-012

摘要(1132)

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PDF(190)

摘要:
本文概述了基于视频的机械装备全场振动测量的研究动态和应用前景. 重点讨论了该技术在两个场景中的独特优势: 大尺寸和处于运动叠加中的装备的振动测量问题, 总结了近几年的最新进展和挑战, 最后简述了该方向的发展趋势.

适应极高静水压力的软体智能材料与软体机器人

曲绍兴

2021, 51(2): 382-385. doi: 10.6052/1000-0992-21-029

摘要(1199)

HTML (577)

PDF(182)

摘要:
实验表明由软硬融合方式构造机电系统、力电耦合软体智能材料驱动的软体机器人无需耐压外壳即可适应极高静水压力(110 MPa)并实现驱动.

新中国航空事业的先驱者——张阿舟

胡海岩, 王立峰

2021, 51(2): 386-405. doi: 10.6052/1000-0992-21-018

摘要(1683)

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PDF(162)

摘要:
张阿舟先生是我国著名的航空工程专家、固体力学家、教育家. 在20世纪后半叶，尤其是在新中国工业化初期的艰苦条件下，他面向我国航空工业发展需求，攻坚克难、培养后学，取得了突出成就. 本文全面回顾张阿舟先生的学术生涯, 介绍他在飞机结构强度、结构动力学、工程动力学反问题三个领域的主要学术贡献, 归纳他的治学特点. 文中介绍了张阿舟先生的航空报国情怀，以丰富的事例说明：他在主持新中国第一架飞机静力试验研究中发挥了核心作用, 在开拓我国飞机结构静/动强度等研究领域中发挥了引领作用, 在培养航空、力学领域的优秀人才中发挥了重要指导作用.

类固体非晶态材料的变形与失效

FalkM L, LangerJ S

2021, 51(2): 406-426. doi: 10.6052/1000-0992-21-034

摘要(1584)

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PDF(205)

摘要:
自20世纪70年代以来, 类固体非晶态材料变形与失效的理论模型相继出现, 这些模型基于应力驱动分子重排从而在局部流动缺陷处发生剪切转变这一物理图像. 该图像是现代剪切转变区理论的基础, 也是本综述的焦点. 我们将首先概述该理论框架并给出一些应用案例, 特别是块体金属玻璃应力−应变测量结果的阐释, 剪切带数值模拟分析和剪切转变区运动方程在自由边界计算中的应用. 在本综述的第二部分, 为简单起见, 将关注非晶塑性的非热模型, 并基于该模型说明剪切转变区理论是如何从非平衡热力学的系统描述中发展起来的.

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