固體力學研究方向匯總十篇

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篇（1）

中圖分類號：TB121 文獻標識碼：A

1緒論

工程力學是20世紀50年代末出現的。首先提出這一名稱并對這個學科做了開創性工作的是中國學者錢學森。

在20世紀50年代，出現了一些極端條件下的工程技術問題，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，應變率達百萬分之一～億分之一秒等。在這樣的條件下，介質和材料的性質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和材料的性質；在一些力學問題中，出現了特征尺度與微觀結構的特征尺度可比擬的情況，因而必須從微觀結構分析入手處理宏觀問題；出現一些遠離平衡態的力學問題，必須從微觀分析出發，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，要求尋找一種從微觀理論出發合成具有特殊性能材料的“配方”或預見新型材料力學性能的計算方法。在這樣的背景條件下，促使了工程力學的建立。工程力學之所以出現，一方面是迫切要求能有一種有效地手段，預知介質和材料在極端條件下的性質及其隨狀態參量變化的規律；另一方面是近代科學的發展，特別是原子分子物理和統計力學的建立和發展，物質的微觀結構及其運動規律已經比較清楚，為從微觀狀態推算出宏觀特性提供了基礎和可能。

總的來說，工程力學具有現代工程與理論相結合的特點，有很大的知識面和靈活性，對國家現代化建設具有重大意義。

2工程力學的發展

2.1工程力學的特點

工程力學雖然還處在萌芽階段，很不成熟，而且繼承有關老學科的地方較多，但作為力學的一個新分支，確有一些獨具的特點。工程力學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。

工程力學注重從微觀到宏觀，以往的技術科學和絕大多數的基礎科學，都是或從宏觀到宏觀，或從宏觀到微觀，或從微觀到微觀，而工程力學則建立在近代物理和近代化學成就之上，運用這些成就，建立起物質宏觀性質的微觀理論，這也是工程力學建立的主導思想和根本目的。

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

2.2研究內容和方向

工程力學主要研究平衡現象，如氣體、液體、固體的狀態方程，各種熱力學平衡性質和化學平衡的研究等。對于這類問題，工程力學主要借助統計力學的方法。

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

工程力學研究方向主要有：非線性力學與工程、工程穩定性分析及控制技術、應力與變形測量理論和破壞檢測技術、數值分析方法與工程應用、工程材料物理力學性質、工程動力學與爆破。

3工程力學的應用

3.1材料力學

材料力學在生活中的應用十分廣泛。大到機械中的各種機器，建筑中的各個結構，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、穩定性要求才能夠安全、正常工作，所以材料力學就顯得尤為重要。

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，在設計時應主要考慮其剪切應力。汽車的傳動軸、轉向軸、水輪機的主軸等發生的變形屬于扭轉變形。火車軸、起重機大梁的變形均屬于彎曲變形。有些桿件在設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生扭轉、彎曲及壓縮三種基本變形；鉆床立柱同時發生拉伸與彎曲兩種變形。

利用材料力學中卸載與在加載規律得出冷作硬化現象，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，是加工發生困難，且易產生裂紋，這時應采用退火處理，部分或全部地材料的冷作硬化效應。

3.2固體力學

自然界中存在著大至天體，小至粒子的固態物體和各種固體力學問題。人所共知的山崩地裂、滄海桑田都與固體力學有關。現代工程中，無論是飛行器、船舶、坦克，還是房屋、橋梁、水壩、原子反應堆以及日用家具，其結構設計都應用了固體力學的原理。

篇（2）

中圖分類號:U270.1; U260.16; TB115

文獻標志碼: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,(E-mail);

鄭百林(1966―),男,陜西岐山人,教授, 博士, 研究方向為復合材料力學與數值模擬,(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,這是目前世界上線路最長、標準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,也是環境污染的重要公害之一,隨著我國鐵路的飛速發展,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的迅速發展而取得許多進展.國內很多學者采用數值模擬的方法計算車輛周圍瞬態流場,通過計算流場的瞬態壓力直接計算氣動噪聲[2-3]或者導入聲學軟件中進行求解[4].然而,對于比較復雜的模型,計算瞬態流場存在一定困難,網格質量要求較高,計算時間過長.穩態雷諾平均納維斯托克斯(Reynolds Averaged Navier-Strokes,RANS)方法[5]

篇（3）

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

目前，我省力學學科研究領域主要集中固體力學、流體力學、計算力學、機械動力學與控制、細觀力學、實驗力學、結構力學等方面。研究內容既有理論方面的，也有許多工程實際應用的，還有關于力學教育的。本學科報告將根據上述7個領域展開。

1固體力學

固體力學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系；細長桿穩定性理論；桿系結構、薄板殼以及它們的組合體；裂紋尖端應力場、應變場以及裂紋擴展規律。復合材料構件的力學性能、變形規律和設計準則。固體力學不但促進了近代土木建筑、機械制造和航空航天等工業的進步和繁榮，而且為廣泛的自然科學提供了范例或理論基礎[1-2]。大到橋梁、航天航空器、核動力結構，小到計算機芯片、生物組織以及近年來高速發展的微/納米機械等都需要借助固體力學理論和方法。

1.1 我省固體力學研究現狀

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鋼經過兩種表面處理對其疲勞裂紋萌生壽命有顯著影響的結果，提出了對疲勞裂紋萌生壽命測量的一種新方法[3]。根據材料對稱循環持久極限和靜載強度極限，導出任意循環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界面上及橡膠中間層在扭轉載荷作用下存在中心裂紋和環形邊緣裂紋的情況進行了數值模擬，給出撕裂能與裂紋尺寸、載荷和橡膠層厚度的關系曲線[4]。針對抽油機井常用油管在循環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變譜的基礎上應用彈塑性有限元法計算油管螺紋內的應力應變場，并進行了有關的疲勞實驗，以得到油管的疲勞強度。

* 第一執筆人：嚴世榕，福州大學車輛振動與電子控制研究所所長、教授。

1.1.2 板殼、薄壁桿件及復合材料方向

利用群論方法提出周期區域的分片正交多項式連續函數，在周期區域內利用正交分片多項式逼近位移函數可以大大地降低計算量[5]。推導了一般各向異性板彎曲的積分方程，運用加權殘數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雙三角級數廣義各向同性板解析形式的基本解和加權雙三角級數的疊加。根據Timoshenko幾何變形假設和Boltzmann疊加原理，推導出控制損傷粘彈性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中的數值方法求解了簡化方程組[6]。假設翹曲位移及切向位移的分布函數，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，并推導求解的初參數法。采用加權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果以及其它數值方法等得到的結果吻合得很好，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上，提出純壓鋼管拱穩定臨界荷載計算的等效柱法[8]。提出了基于桿件連續分布的結構優化方法，優化結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值拓撲優化普遍具有的數值不穩定問題[9]。

1.1.3 彈性動力學方向

分析了一般粘彈結構特征值問題的特點，建立了一般粘彈結構的模態分析方法。與粘彈結構已有的模態分析方法相比，該方法通用于更一般的粘彈結構，在形式上不涉及粘彈本構關系項，并只涉及一種模態向量[10]。導出了時間步長內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和后續步計算消除計算擾動效應，兩種途徑抵消其不利影響。基于Distorted-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矩陣方程。應用多重尺度法推得從平方非線性振動系統勢能井逃逸的時間。近似勢能法用于克服非線性帶來的困難。推導了系統的運動學、動力學方程。分析表明，結合系統動量及動量矩守恒關系得到的系統廣義Jacobi關系為系統慣性參數的非線性函數。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選擇的慣性參數的線性函數。在此基礎上，給出了系統參數未知時由空間機械臂末端慣性空間期望軌跡產生機械臂關節鉸期望角速度、角加速度的增廣自適應控制算法。在高速公路剛架拱實橋動測及單車荷載作用研究基礎上，建立多車荷載激振模型，發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、車速和車數對豎向瞬態振動峰值的影響，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測機理的力學模型。利用該模型能實時監測汽車的整車重量、重心位置，提供安全裝載和安全車速監測與報警，可為汽車安全系統提供可靠的重心計算力學模型，為研制汽車重心實時監測系統提供了必要參數與依據。論述數值計算中新的小波基無單元方法，即用小波基函數取代傳統無單元方法中的冪級數基之后，使無單元法具有了小波變換的局域化和多分辨率等優良特性，并能有效地克服有限單元法的網格敏感性和單元之間應力不連續現象，從而不但拓展和豐富了無單元法的理論內容，也為其工程應用開辟了新的途徑[11]。

1.1.4 工程應用

推導了T型截面梁的彎矩-軸力-曲率關系，提出了分析大偏心體外預應力筋的應力增量和梁彎曲性能的通用方法。比較荷載作用前后，轉向座和錨具的變形差，計算出體外筋的應變和應力。因此這一方法考慮了體外筋的變形協調條件，同時自動地考慮了體外筋偏心距的損失。以B樣條函數結合配點法直接求解框剪間有限個作用力與力矩，導出的遞推公式對任意水平荷載可直接應用。采用動力特解邊界元法在時域內求解壩-水-地基動力相互作用問題特性，研究了壩體、地基和系統阻尼對壩體的動力特性、動水壓力、動力放大系數及穩定系數的影響。提出了一種求解柔性多體系統控制方程數值方法，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優化的一種新的數學模型，在給定的幾條地震波作用下，在滿足框架的規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 與國內外發展現狀的對比與不足

整體上，我省還沒有建立起幾個系統、穩定的固體力學研究方向。與國內外比較尚處于相對落后的研究水平。許多研究領域尚處于空白。系統性、原創性研究成果就更少了。

1.3 國內外固體力學發展趨勢預測

固體力學的研究對象向跨尺度和復雜性方向發展；研究手段以跨學科、交叉性和系統性為特色。 其基本理論以研究力與熱、電、磁、聲、光、化學及生命領域的相互作用，實現從原子、分子的微觀結構到納米結構、細觀顯微結構，直至宏觀結構的多尺度關聯理論框架的建立。固體力學可以將地震、邊坡失穩、泥石流、礦井崩塌等自然災害提煉成為具有群體缺陷、裂紋和裂隙的不連續、非均勻介質的力學演化過程，預測和防范突發災害的發生。固體力學在陸地和海洋石油勘探采集和輸運、核電技術、風能技術、高壩技術和高功率水力發電技術、大型工程結構的選址等重大工程中也將發揮愈來愈重要的作用。集傳感功能和驅動功能為一體的智能材料和結構蘊含著許多與傳統領域不同的力學問題。新型材料與結構的多場耦合力學，包括力－電－磁－熱耦合場基礎理論與體系、破壞理論、智能結構性能等是固體力學領域充滿生機的研究方向。 利用生物學和生物技術來設計材料與器件將極大地沖擊整個工程界、生物界和醫學界。

1.4 我省固體力學發展對策

目前普遍強調工程應用的大社會背景對力學這門基礎性學科的發展是極為不利的。鼓勵自由探索，促進系統性、原創性、基礎性的研究工作是促進力學學科發展的最重要基礎工作。主要體現在如下幾個方面：

（1）固體力學作為影響廣泛的重要基礎學科，需要長期、穩定地投入。自由探索和基礎研究是科學新思想、新理論和新方法的重要源泉。需要以全面發展的觀點長期穩定地處理好基礎研究、應用基礎研究和工程需求的關系，營造在各方面都鼓勵創新的環境。

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

（3）從固體力學學科的性質、現狀和發展趨勢，以及國家需求來看，目前的重要科學問題和前沿領域主要有：微納米力學、多尺度力學與跨尺度關聯和計算、新材料與結構的多場耦合力學、生物材料與仿生材料力學、科學與工程計算與軟件、儀器設備研制及實驗力學新技術與新表征方法。國家建設需求的重要支撐點和應用發展方向主要有：固體強度與破壞力學、計算力學軟件、固體力學在國家安全以及航空航天工程中的應用、大型工程結構與工業裝備的力學問題、爆炸與沖擊力學、環境與災害關鍵力學問題等。

2流體力學

2.1 計算流體力學

流體力學是力學的一個分支，它主要研究流體的運動以及流體和其它介質間相互作用和流動的規律。流體涉及面廣，它可以是氣、水，也可以是油或其它流變物質。流體力學在氣象、水文、石油勘探、船舶、飛行器和工業機械等領域均有廣泛應用。流體力學數學上的描述是著名的Navier-Stokes方程及其各種變化。

空氣動力學是流體力學針對空氣運動問題的一個分支，也是流體力學研究的一個主要內容。20世紀初，飛機的出現極大地促進了空氣動力學的發展。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在實驗和理論分析方面的發展。20世紀中后期，流體力學開始和其他學科互相交叉和滲透，形成了新的交學科，如物理-化學流體動力學、磁流體力學等。

流體力學研究的手段主要有三：實驗，理論分析，數值計算。理論分析是根據流體力學基本方程，通過數學方法進行分析，得出各種定量和定性結果。由于流體運動的復雜性，實驗方法在流體力學中占有重要的地位。現代流體力學就是在純理論的古典流體力學與偏重實驗的古典水力學結合后才蓬勃發展起來的。實驗對于驗證流體運動的基本規律，測定經驗參數，解釋物理現象均有重要意義。

隨著計算機技術和各種高效計算方法的發展，使許多原來無法用理論分析或實驗研究的復雜流體問題有了求得數值解的可能性，形成了“計算流體力學”學科。從20世紀60年代起，在飛行器和其它相關工程的設計中，開始大量采用數值模擬，使得數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的主要發展方向。數值模擬方法特點如下：

①給出流體運動區域內的離散解，而不是一般理論分析方法所關注的解析解；

②它的發展與計算機技術的發展直接相關，因為復雜的流動問題要求大計算量的運算；

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

廈門大學在計算流體力學學科開展了多方面的研究，其主要研究力量分布在數學、海洋、化學、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器。特別值得一提的工作是：數學科學學院在可壓和不可壓粘性流體數學模型的理論探索和高階數值模擬的研究中取得了具有國際水平的成果，豐富和發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：從弱形式出發的Galerkin譜方法和從強形式出發的配點法，它們都可以認為是加權殘差法的特殊形式。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確求導代替了導數的差分逼近。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化成與之等價的變分形式，然后通過試探函數和檢驗函數的選取來逼近解，它們的主要不同在于試探函數和檢驗函數的選取以及高維情況下基函數的構造。譜方法的收斂速度取決于解的正則度，當解無限光滑時可以達到指數階收斂，即比任何代數階的收斂速度都快，這是譜方法相比差分法和有限元法的一個主要優點。

2.1.2 擬譜法和譜元法[20-21]。擬譜方法（Pseudo-spectral method）是一類準譜方法，可以通過從弱形式出發的廣義Galerkin譜方法構造，也可以由強形式出發的配點法得到。兩者在某些特殊情形下是等價的，但對絕大多數問題，配點法無法導出簡潔的弱形式，導致理論分析十分困難。現在配點法正漸漸淡出研究人員的視線。基于廣義Galerkin方法的擬譜方法的構造分兩步：首先構造問題的Galerkin譜方法，然后利用高精度Gauss型數值積分近似弱形式中的積分。有別于標準譜方法中使用的正交多項式基，在擬譜方法中，基函數通常選擇基于數值積分的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型數值積分的高精度，在大多數情形下擬譜方法的收斂速度與譜方法相同。傳統意義下的譜方法對于復雜區域的處理能力極其有限，這限制了它的應用范圍。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。譜元法結合了譜方法和有限元法各自的優點，既能處理復雜的計算區域，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，但兩者在發展的初期有許多不同點，hp-有限元使用的多項式階數不高，所使用的基函數也與譜元法不一樣。不過隨著兩類方法的發展，它們呈現出越來越多的共同點，有些學者已把兩類方法歸結為同一種方法。由于譜方法還具有低耗散，低色散的優點，如今它已成為湍流數值模擬的主要方法。

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，直接數值模擬(DNS)僅局限于湍流機理的基礎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需要的網格點數比DNS大大減少，這使得它能夠應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。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，“動力學模型”，“代數渦粘性”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的假設下適用， 且跟所選擇的數值方法相關。較新的LES模型包括速度估計模型以及無(顯式)模型的單調積分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

20世紀50年代，隨著計算機的發展，計算力學這個力學和科學計算的交叉學科得到了快速發展，特別是60年代后有限元法及其相應軟件產業的迅猛發展，使得計算力學這個新興學科迅速滲透到土木、水利、機械、航空、電子及生命科學等各個領域，成為計算機輔助設計（CAE）的重要核心內容，也使得力學這個傳統的學科煥發了新的強盛的生命力。在當今科學研究和工程實踐中， 科學計算已經成為與科學理論、科學實驗并行的重要科學方法。2006年美國自然科學基金委員會了《基于數值模擬的工程科學》的研究報告，明確指出計算力學和數值模擬在工程科學發展中的重要地位。

近年來我省科技工作者在計算力學及其工程應用方面開展了積極的研究工作，取得了一定的科技成果。在計算力學方法方面，我省學者系統地發展了土木水利、機械、航空航天等領域常見的梁板殼結構的高效無網格分析方法，該方法采用整體坐標建立板殼無網格近似，不僅簡便直接，適用于任意復雜形狀的殼體，并且可以避免參數變換，大大提高了計算效率。同時該方法利用穩定節點積分構造離散方程，兼顧了穩定、效率和精度，為快速準確地分析和設計這種類型結構提供了一種有效的數值工具。同時，針對福建省暴雨天氣常見的土質邊坡失穩而產生的滑坡問題，建立了暴雨條件下土質邊坡突發失穩的大變形高效無網格模擬法，該方法可有效模擬失穩剪切帶所引發的邊坡非線性大變形損傷破壞全過程，實現邊坡失穩的高效無網格法全過程仿真分析，可為暴雨條件下邊坡工程的設計施工、滑坡災害的預報、預防和加固處理提供理論依據和指導，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造方法，不僅概念明晰，而且由于不依賴于材料參數而大大提高了計算效率。并且，在拓撲優化方面提出了類桁架結構連續體的拓撲優化方法，有效地避免了棋盤格問題。這些計算力學方法所取得的研究成果得到了國內外同行的引用和認可。

在工程應用方面，我省學者對汽車減震及管道密封橡膠構件的受力斷裂行為進行了非線性有限元和無網格分析和模擬，提出了合理的設計方案。對于大型土木結構例如大跨橋梁、大壩與深水進水塔以及深埋特長隧洞等結構，應用有限元法進行了動力抗震抗風分析，取得了滿意的結果，提供了有效的工程服務。另外，應用從微觀第一原理到宏觀有限元無網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計。

雖然我省計算力學研究與應用已經得到快速發展，但在國內仍然處于相對落后的地位，表現在原創性研究偏少，參與解決工程實際問題不夠。當前我省相關科研工作者應抓住海西發展的大好時機加大科研力度，爭取在高性能計算方法、大規模工程問題數值仿真分析、災害條件下工程機構性能的計算模擬及評估預防、先進的汽車仿真方法與應用以及高性能材料計算設計等方面取得新的突破，同時密切聯系實際，切實提高解決海西建設中的工程技術問題的能力。

4機械動力學與控制

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

4.1 機器人系統動力學與控制問題的研究

福州大學在單臂、多臂、柔性臂空間機器人系統的運動學規劃、動力學分析及控制系統設計等方面進行了系統的研究工作。他們研究了載體姿態無擾、末端爪手障礙規避、機械臂關節受限等不同目標要求下的多種運動學規劃方法。在控制系統設計方面，分別給出了單、雙臂空間機器人關節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、變結構滑模控制、Terminal滑模控制、模糊變結構控制、魯棒控制、自適應控制、復合自適應控制、終端滑模自適應控制、魯棒自適應混合控制、自適應Backstepping滑模控制、自適應模糊滑模控制、基于模糊神經網絡的動力學控制、基于速度濾波器的魯棒控制、模糊小波神經網絡控制、模糊基函數自適應神經網絡控制、基于RBF神經網絡的自適應補償控制、模糊神經網絡自學習控制、神經網絡前饋控制及閉鏈雙臂空間機器人基于內力優化配置原則的滑模變結構控制、RBF神經網絡滑模補償控制等一系列相關的控制方案[23-35]。在柔性臂空間機器人控制系統設計方面，給出了各類期望運動的Terminal滑模控制、Backstepping反演控制、于奇異攝動法的Backstepping反演控制、關節運動自適應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，在國內外學術期刊及會議上發表與交流。此外，福州大學還開展了爬墻機器人安全系統的控制研究，對其提出了變結構控制方法、模糊控制方法等[36-37]。

4.2 機械系統動力學研究

福州大學針對立井提升系統動力學與控制、攤鋪機和振動壓路機動力學分析、以及汽車底盤動力學控制[38-42]等方面進行了系列研究，分析了影響提升設備動力學特性的有關結構參數、運動參數，提出了減少其工作過程振動的變結構控制與模糊控制方法；針對高等級道路建設中重要設備――攤鋪機的國產化改造與開發設計，系統研究了其工作原理、動力學特性等，建立了相關的動力學模型，確定了影響整機正常工作的動力學特性及其影響因素；為消化吸收并趕超國外先進的汽車電子控制技術，開展了系統的汽車底盤總成的動力學與電子控制技術的系列研究，其研究成果有助于相關新產品的問世或改進。福州大學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]，其成果可用于指導相應產品的開發設計。

4.3 研究不足與展望

迄今，還沒有系統地將機械動力學及其控制的研究成果應用于產品開發與產品的更新換代中。目前，國內急需高精尖機床的開發技術與動態分析優化技術等。我省目前是工程機械大省，但還不是強省，進一步提高相關產品性能與可靠性，仍然需要開展大量的工作。我省的工程機械產品的更新換代（如集成優化、計算機智能控制等）、工程機械新產品開發設計與分析、汽車整車集成優化與設計分析、新型汽車電子控制系統開發設計、高速設備性能分析與改進、機械設備計算機智能故障診斷、微型機械產品開發設計等等，均以力學的分析研究為其成功的關鍵。

為改變這個落后局面，尤其是海西經濟建設中更好發揮力學的作用，需要政府、企業、高校等投入更多人力物力，更積極主動地對重要機械產品、大批量生產的機械產品與汽車等開展機械動力學分析研究，對相關進口軟件進行二次開發或早日開發出自己的專用機械動力學分析軟件，以提高企業的產品開發能力與開發速度。同時增強完善實驗能力與手段，實現對重要機械產品開展動力學特性實驗，以確保產品性能穩定與可靠性。積極利用國內外的動力學研究成果，開展重要設備、大型設備、危險設施或設備的動態故障診斷研究，確保這些設備、設施安全可靠高效地運行。

5細觀力學

細觀力學是固體力學的一大分支，即采用連續介質力學方法分析具有細觀結構的材料的力學問題，是固體力學與材料科學的交叉學科，其發展對固體力學研究層次的深入以及對材料科學規律的定量化表達都有重要意義。

前幾年我省在細觀力學方面的研究進展不多，近幾年來才有所發展。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，應力、高溫、腐蝕性環境介質等耦合作用下固體材料的微結構和變形斷裂行為的演變規律等幾個方向：

①根據鐵電材料自發應變與自發極化不唯一性，以及晶界的不同取向，提出自發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，從能量角度出發，導出鐵電鐵彈材料的自極化穩定構形所應滿足的必要條件，利用兩電疇的Gibbs 自由能之差作為疇變方向的判據，由要求板的Gibbs 函數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，加載類型之間關系。③發展了一種原位XRD觀測電疇系統，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的Raman測試系統，對三種不同預極化處理的PLZT試樣在靜電場作用、電循環作用下的裂紋尖端的疇變行為進行了系統研究；通過原位Raman觀測PLZT材料在準同型相界附近的相變過程。⑤系統進行牛皮質骨在拉伸、剪切、撕裂三種載荷類型下的裂紋起裂韌性研究。研究了皮質骨中礦物成分對皮質骨動態粘彈性性能的影響，發現皮質骨中的礦物質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對牙齒等生物復合材料的性能進行了研究，發現牙齒具有很明顯的壓電效應，壓電性能與濕度和細管的分布密切相關。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，揭示了微結構的演變和宏觀性能之間的相互關系。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會議，清華大學，中科院力學所，浙江大學，同濟大學，復旦大學等國內知名高校和研究所的眾多教授、專家參加了本次會議。

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

6實驗力學

1991年，福建省力學學會成立了實驗力學專業委員會。福建省力學學會實驗力學專業委員掛靠福州大學土木工程學院。

為更好開展實驗力學工作，經過多年多方面努力，我省實驗力學條件不斷改善。2006年6月福州大學“工程結構福建省高校重點實驗室”被批準成立，2008年與臺灣大學聯合成立了“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中心”獲批“福建省本科實驗教學示范中心”。2008年福州大學土木工程學院實驗中心擁有土木綜合實驗館、工程結構實驗館、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，現有儀器設備總價值超過6000萬元。其中裝備的美國MTS大型結構加載系統價值超過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，正在建設的“福州大學地震模擬振動臺三臺陣系統”（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的基坑內呈一直線布置，其中邊臺最大可移動距離10m，可實現多臺同步或異步地震輸入，拓展了地震模擬實驗的空間，該臺陣系統將于2009年12月全面建成投入使用。該臺陣系統的建成將使福州大學成為目前世界上少數幾個擁有地震模擬振動臺臺陣的單位之一。

7結構力學

結構力學是土木工程專業的專業基礎課，涉及建筑工程、結構工程、道路工程、橋隧工程、水利工程及地下工程等。一方面它以高等數學、理論力學、材料力學等課程為基礎，另一方面，它又成為鋼結構、鋼筋混凝土結構、土力學與地基基礎、結構抗震等專業課程的基礎，在基礎課和專業課的學習中起著承前啟后的關鍵作用。

為增強基礎教育并提高結構力學在工程中的應用，自上世紀90年代初，我省高校興起結構力學教學法研究熱潮，把結構力學教學改革推向新的高度，對教學內容進行了模塊結構改革，將結構力學教學內容歸納為基礎型、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編教材的同時，在結構動力學部分，融入結構抗風、抗震、車激振動等學科前沿知識，增加了隔震結構動力反應的內容，補充和修正了傳統教學內容中關于“伴生自由振動”的相關結論，實現了與學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“考慮二階效應影響線”問題引入課堂討論，更新了教學內容。

上世紀90年代末，我省結構力學平面教材和多媒體立體化教材建設取得突破，先后出版了《結構力學解題與思考》（陳，中國礦業大學出版社，1999。2007年該書由煤炭工業出版社修訂再版）、《廣義結構力學及其工程應用》（陳，中國鐵道出版社，2003）、《結構力學》（祁皚參編，清華大學出版社，2006）等。

正如王光遠院士所指出，結構力學學科呈現出“從狹義到廣義，從被動到主動，從確定到不確定，并與結構工程滲透融合”的發展趨勢。我國在力學領域的理論研究已位居世界先進行列，但在應用軟件的研制方面落后了一大步，具有自主知識產權的應用軟件寥若晨星。結構力學作為專業基礎教育與國際先進水平接軌，體現現代結構力學教育思想；完善教學資源庫建設，加強國際教學交流是當務之急。根據工科專業特點，面向能力培養、面向工程實踐、面向信息時代、面向一流水準，應是我省結構力學研究與教學所追求的目標。

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課題組成員：

1、嚴世榕，福州大學車輛振動與電子控制研究所所長、教授。

2、周瑞忠，福州大學土木工程學院教授（本文顧問）。

3、周克民，華僑大學土木工程學院教授。

4、許傳矩，廈門大學數學科學學院教授。

5、王東東，廈門大學建筑與土木學院教授。

6、陳力，福州大學機械工程學院教授。

篇（4）

摘要： 計算流體力學可以模擬正在規劃的城市建筑群的小氣候的數值，也可以較為準確的預測城市規劃方案使城市樓宇、街道的小氣候即將發生的改變，從而在城市規劃設計中趨利避害。本文簡要探討了計算流體力學在城市規劃設計中的應用，希望能給大家一些借鑒學習之處。

關鍵詞 ： 城市規劃；設計；計算流體力學

中圖分類號：O243；TU984 文獻標識碼：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，研究方向為城市規劃。

0 引言

計算流體力學簡稱CFD，計算流體力學應用于城市規劃設計中可以有效預測城市規劃方案對城市樓宇、街區的小氣候的影響，所以計算流體力學被越來越多的應用于城市規劃設計，相對于一般的實驗研究而言，計算流體力學具有應用成本低、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,計算流體力學后處理技術較完善,便于分析流體力學計算結果等優點。比如，在建設好的街道內存在風口，形成很大的局部風速，甚至可能直接對街區內的行人或者附近的建筑物造成影響。

1 計算流體力學在城市規劃設計中應用的局限性

計算流體力學在城市規劃設計中的應用存在一定的局限性，主要表現在計算流體力學必須要有準確的數學模型，并且在模擬數據中用離散化的方法處理數學方程時需要對流體力學計算中所碰到的收斂性、穩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。而且計算流體力學受計算機內存、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施達到一定程度計算流體力學才會出現新的發展階段。

2 計算流體力學的概念和在城市規劃設計中的計算方法

計算流體力學的步驟為先確定了那些能夠描述的連續變化的對象的流動參量的微分方程組后，然后采用計算數值的方法，通過離散化的方法用離散時間和空間的值來表示連續變化的參量，用代數方程組的形式替代微分方程組轉，空間的離散位置可用計算網格上的節點來描述，最后流體運動特性是通過計算機求解這些離散的數學方程組來研究的，同時可以給出流體運動空間非定常或定常流動規律，這樣的學科就是計算流體力學。計算流體動力學的工作程序建立體現物理現象或工程問題本質的數學模型就是模擬數值的出發點，就是要塑造體現問題每個量之間關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。計算流體力學涵蓋了計算網格的劃分、初始條件的導入和邊界條件、假設控制參數等。在城市建筑物之間的空氣流動為不穩定狀態，并且建筑物的朝向、形態存在很多種變化、地形凹凸不一。所以，以準備流體力學計算對象的物理特性為基礎，本文將進行CFD模擬的基本控制方程選取為k-ε雙方程紊流數學模型，為適應規劃設計中由于各建筑物地形、高度、形狀等因素所產生的復雜網格體系我們采用貼體坐標系統。控制方程的通用形式為

方程中當q=1，表示方程的連續性；當q=u1，u2，u3，表示ξ1，ξ2，ξ（3曲線坐標）方向的動量方程；當q=k，表示紊動動能方程；當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）組成了整個求解區域小氣候場的方程組。

3 對城市規劃設計中應用計算流體力學典型案例的分析

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

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

3.2 流體力學計算邊界條件 在計算城市規劃設計流體力學過程中確定適合的計算邊界條件為流體力學計算運用于城市建筑規劃領域探討的一個很關鍵的方面。在實際的流體力學計算過程中，計算的區域除了上空采用開放的適意流動的邊界，地面和規劃區內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的計算區域有較大的影響。因為規劃區外已經存在的建筑物會對流體力學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雜。在本文的探究中，因為是簡單探討計算流體力學在城市規劃設計中的應用，所以我們采取的是最簡單的方式來設定流體力學計算的邊界條件值。以某一些原則為依據，而且經過整理分析規劃區域本地的氣象文件資料，我們明確選取風向頻率較高的北風和東北風作為流體力學的計算前提，選取的風力的大小會影響人群的生活、當地每年都會出現的10米每秒的風速作為導入的風速，并且不考慮城市規劃區域外已經存在的建筑物對流體力學計算邊界條件的影響。豎直方向的階梯風也會影響流體力學的計算結果。本次研究采用的流體力學計算邊界條件如下：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。分析東北風的工況時：東面和北面為10×0.714m/s的風速入口，風向為東北方向時，南、西面為自由的出口邊界。

4 結束語

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

參考文獻：

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

一、概述

由于裂隙巖體內部構造的復雜性和多變性,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系。

目前,人們研究漿液在構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難題。研究賓漢姆流體在裂隙巖體中滲透擴散過程 (運移規律)及滲流機理對注漿加固工程的設計和注漿效果預測等有重大的理論指導意義。

二、研究現狀及存在的問題

(一)研究現狀

隨著注漿實踐發展,目前已發展的注漿理論有滲透注漿理論、劈裂注漿、壓密注漿、電動化學注漿、低滲透介質注漿理論。但由于漿體運動是隱蔽于地下復雜性的地基構造中,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和固體力學的理論發展而來的,對漿液的單一流動形式進行分析,建立壓力、流量、擴散半徑、注漿時間之間的關系。傳統的注漿工藝是以“滲入性理論”為基礎,注漿時只采用相對較低的注漿壓力,使漿液在孔隙或縫隙中擴散時不致破壞巖土的原有結構。

滲透注漿是指在壓力作用下使漿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構和體積 (砂性土注漿的結構原理),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隨時間變化對滲透規律的影響,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,沒有考慮漿液性質隨時間變化對滲透規律的影響。

查閱國內外大量文獻資料發現,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確地反映出漿液在多孔介質中的滲流規律,這些公式各自存在著某些缺陷,甚至與實際之間相差很大,公式的結論多為指導性的,因此,大多數注漿工程報導或論文中,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,影響了注漿效果和技術經濟指標的提高,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,漿液的性質隨時間而變化,而目前的理論研究中視漿液的性質與時間無關。

目前,人們研究漿液在構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,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:漿液流體力學及其本構方程、漿液在多孔松散介質中的滲透擴散規律、多孔松散介質的滲透力學模型、多孔松散介質的空隙度特征、漿液的充填機理、注漿加固的力學作用、注漿基本理論與觀念、注漿工藝等。

3.注漿設計隨意性太大,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、評價注漿效果的重要依據。但漿液在裂隙巖體內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測,這樣,漿液的擴散距離只能靠理論或經驗公式計算。而現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,經驗公式又往往是針對某些特定漿液 (主要是化學漿液)總結的,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計。當工程目的明確、場地條件清楚時,由于漿液的擴散距離不能預先準確確定,鉆孔數量和材料消耗量的預算便沒有依據。如果憑經驗或工程類比法確定了鉆孔數量和材料消耗量,則在這些工程量完成之后所能取得的效果又難以準確預計 (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,注漿法的應用受到了一定程度的負面影響。國內礦山帷幕截流技術的推廣中便遇到了這一問題,國外有些水利工程的業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、穩定的膠結體。這時注漿孔的距離必須依漿液的擴散距離而定。當地質條件一定時,漿液的擴散距離又主要取決于漿液的性質和注漿的工藝參數。因此,孔距應該根據所選用的漿液在允許壓力和時間內可能達到的擴散距離來確定。但在目前的注漿設計和施工中,注漿孔距和注漿材料都主要是憑經驗確定的,這樣便很可能因孔距太大或太小而出現工程質量問題或投資上的浪費。

三、結論

1.部分學者已驗證了裂隙巖體結構面的分布具有統計意義上的自相似性,因此,裂隙巖體結構面分布應具有分形特征,并可計算出其分維數。

2.巖體的分維數可以反映出巖體的破碎程度、節理發育程度、可灌性。而裂隙巖體的這些特征又嚴重影響著注漿擴散規律及注漿效果,因此可以嘗試將分形理論應用于注漿工程,用裂隙巖體結構面的分維數來定性的確定注漿參數。

3.工程巖體往往被節理和結構面所切割形成明顯的節理巖體,具有明顯的不連續性,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合,模擬出漿液在裂隙中擴散的真實情況。

參考文獻

[1]葛家良.注漿技術的現狀與發展趨勢[J].礦業世界,1995,(1).

[2]楊米加.注漿理論的研究現狀及發展方向[J].巖石力學與工程學報,2001,(6).

[3]李長洪.碎裂巖體注漿理論及應用研究[D].北京科技大學,1999.

[4]謝和平.分形―巖石力學導論[M].北京:科學出版社,1997.

[5]徐光黎.巖石結構面幾何特征的分形與分維[J].水文地質工程地質,1993,(2).

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關鍵詞:彈塑性力學;研究生;教學;方法

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

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

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

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

教學方法探討:

①結合巖土力學或巖土工程進行

關于彈塑性力學的研究是從英國科學家虎克與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。而關于固體材料塑性變形的研究是從法國科學家庫倫于1773年研究土力學中土壤的剪斷裂,提出了最大剪應力理論開始的;屈雷斯卡又把最大剪應力理論引用到了金屬的塑性變形研究中,并于1864年提出了最大剪應力屈服條件。可看出,塑性力學起源于土力學。巖土特別是土,是一種塑性特性很強的一種材料,其物理力學性質特別復雜,具有不確定性、區域性和影響因素眾多等特點。而巖土與樁等結構的相互作用就更復雜了。所以,在講授研究生彈塑性力學課程時,結合巖土力學或巖土工程進行是較好的一個方法。

②結合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材料。ABAQUS除了能解決大量結構(應力/位移)問題,還可以模擬如熱傳導、質量擴散、熱電耦合分析、聲學分析、巖土力學分析(流體滲透/應力耦合分析)及壓電介質分析等廣泛的工程領域問題。

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

ABAQUS擁有者豐富的巖土相關本構模型,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,因此非常適合于巖土工程研究,可以考慮固結、滲流、穩定、開挖、填方、(溫度、應力、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課程時,結合ABAQUS進行不失為一個有效的好方法。在使用ABAQUS時,可根據不同的需要選用不同的巖土本構模型,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力、應變數據,進而進行綜合分析。

③巖土的彈塑性力學實驗

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力應變曲線,以表征土體的彈塑性特性。

④基于ABAQUS軟件的彈塑性力學數值模擬計算

這里是要用ABAQUS軟件進行數值模擬計算,是一種彈塑性力學計算的實際操練。每個同學要結合一個實際工程進行數值計算,并要附有詳細的計算過程和步驟、各類圖件,還要進行結果分析。這一數值模擬計算是以大作業的形式布置給學生,學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課程也是很重要的。考慮到沒有適合作者所在的港口航道與海岸工程專業及課時要求的研究生彈塑性力學教材,特編寫了該課程的研究生教材,即《彈塑性力學理論基礎與工程應用》。

參考文獻:

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力學學科形成了各具特色、實力雄厚的四個二級學科：流體力學、固體力學、一般力學與力學基礎和工程力學。此外，生物力學是力學與生物、醫學相結合的交叉學科，其中研究與人類心血管疾病成因及診治相關的血流動力學是發展較快的領域之一，該方向屬于當前國際前沿。

材料科學與工程是上海交大的傳統優勢學科，前身是冶金系，下設3個二級學科，其中材料學、材料加工工程被評為國家重點學科。

機械工程學科培養了數以萬計的專業技術人才，擁有機械制造及其自動化和機械設計及理論2個國家重點學科，整個學科的實力都非常強大。

控制科學與工程學科以其科研覆蓋面寬、綜合實力強、人才梯隊結構合理、培養高層次人才數量多、質量高而列居國內同類學科前茅。控制理論與控制工程、模式識別與智能系統2個學科從1987年開始就一直是國家重點學科。

創立于1943年的船舶與海洋工程學科，已形成了一批在全國乃至世界領先的優勢學科，造就了一批以院士為核心的著名學科帶頭人，成為了我國學科門類齊全、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基地，享有很高的學術聲譽。

西安交通大學

機械工程學院是西安交通大學歷史最悠久、實力最雄厚的學院之一，優勢專業主要有機械制造及其自動化、機械設計及理論、機械電子工程等學科。

電氣工程學院是我國高校同類學科中創建最早、學科設置最全的學院之一，歷屆畢業生中有近30人成為院士，應屆畢業生一次性就業率非常高，學生知識能力強，頗受企業青睞。

能源與動力工程學院是西安交通大學的“品牌”學院，其能源動力學科實力強大，在全國都是數一數二的，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個優勢專業，基本覆蓋了所有能源類專業方向。該學院的學生畢業后一般都進入電力、能源等企事業單位工作，收入高。

管理學院在全國同領域非常知名，工業工程專業具備了工科的扎實基礎和管理學的思維方式，頗受企業好評，出國率是同類高校中最高的。

電子與信息工程學院是涵蓋電子信息領域幾乎所有新興工程學科在內的一個學院，通信工程、自動化、計算機科學等專業每年都備受Google等知名跨國企業的青睞。

北京交通大學

北京交通大學原本屬于鐵道部，現劃歸教育部，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系密切的學校，全校各專業幾乎都和鐵路相關，所以一些原鐵道部企業最認可交大，交大每年有相當數量的畢業生會去這些企業。

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

電信、經管很知名，每年報名人數很多。理學院也有很不錯的學科。

西南交通大學

交通運輸學院擁有交通運輸工程國家重點學科，在地鐵、物流配送、人機和環境工程、智能交通技術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展的方向，而西南交大正是在這方面有著優勢。

電氣工程學院主要從事電氣工程學科和電子信息學科的科學研究和人才培養工作，電力系統及其自動化是國家級重點學科，地鐵主要是依靠電力能源運行，因此許多電氣學院的學生被聘請到各地鐵運營大市。電氣學院的磁懸浮列車與懸浮技術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第一，世界領先。

西南交通大學的前身是我國高校最早成立土木工程系的，現在的西南交大土木工程學院有國家重點學科橋梁與隧道工程學，國家級特色學科土木工程等優勢專業，結合西南地形復雜的特點正在發揮著不可替代的作用。

北京航空航天大學

航空科學與工程學院是北航最有名的學院，下設飛機系、人機與環境系、流體力學研究所、固體力學研究所4個系所，支撐起了北航的學術高峰。

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

能源與動力工程學院原名動力系，擁有一批獲得國內同行業公認的高級學術帶頭人作為學院的師資主體。

宇航學院堪稱航天人才的搖籃，有飛行器設計與工程、飛行器動力工程和探測制導與控制技術三個本科專業，課程設置的特點都是以“平臺課方向課”的模式構建，大大拓寬了學生的知識面，提高了學生的適應能力和專業能力。

計算機學院是一個特別鼓勵學生發揮自己的創新能力，展現自己才華的地方，其計算機科學與技術專業也是國家一級重點學科。

南京航空航天大學

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

飛行員專業是這個學校最牛的專業，學校與多家航空公司聯合，對學生實行訂單式培養方式，共有“31”和“22”兩種招生模式，采取國內國外兩部教學，如“31”就是學員前三年在國內校本部進行飛行專業基礎理論知識學習和基本技能訓練，第四學年派送到國外飛行學校進行為期一年的飛行訓練，并取得中國民航總局認可的符合多發儀表等級要求的國外商業飛行員駕駛執照。

電氣工程及其自動化專業雖然起步較晚，但發展十分迅速，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工程中心，相關研究領域在國內也具有重要影響力。

中國海洋大學

海洋環境學院是中國海洋大學最具海洋特色的學院，包括國家級重點學科海洋科學和環境科學，其中海洋學本科專業是“國家理科基礎科學研究和教學人才培養基地”首批15個基地之一。

生物科學專業屬國家級特色專業。生物系是山東省重點學科和國家生物學一級學科的重要組成部分。聯合國教科文組織中國海洋生物工程中心也設在本系。

軍事海洋學是海洋學與軍事學相結合的新興學科。它以軍事作戰需求為牽引，以海洋學的基本知識和研究方法為基礎，研究如何利用海洋要素的變化規律為軍事作戰服務。

此外，中國海洋大學的水產、水產品加工及貯藏工程專業也是很具有優勢的，是國家級重點學科；水產養殖學、海洋技術、港口航道與海岸工程、會計學等專業屬國家級特色專業。

大連海事大學

大連海事大學的航海技術專業可謂久負盛名，實力非凡，1983年聯合國開發計劃署和國際海事組織在學校設立了亞太地區國際海事培訓中心，1985年設立世界海事大學大連分校。

如果說航海學的是開船，那么輪機學習的就是如何修船了。輪機管理（輪機工程）專業現設有輪機管理和船機修造兩個專業方向，屬于國家級重點學科。由于這個專業自身的特點――工程部件精確度要求較高，所以對所招收學生的要求也是格外高。

法學院是遼寧省人大常委會立法顧問單位，其中海商法專業在國內同類法律高校中是首屈一指的，也是大連海事大學進校要求分數最高的專業。它培養的學生不僅要求具有扎實的英語和法學基礎，而且還要求熟悉海運及相關業務，精通海商、海事法律，能夠將所學的知識運用于實踐中。

海事管理學科主要培養的是負責水上安全運輸監督管理的專業人才，學生畢業后一般進入海事局、海上監察、港口監察等單位工作，是海上運輸的第一道防線。

海上物流專業是解決港口運輸、海洋運輸的各種問題的學科，備受歡迎。

長安大學

公路學院是長安大學最好的學院，是我國公路交通建設行業學科最齊全、專業配套規模最大的公路交通學院。公路學院公路建設學科與技術學科均列入國家“211工程”重點建設行列，學院還是全國交通系統監理工程師、造價工程師、檢測工程師和公路交通高新技術培訓基地。

汽車學院也是長安大學很牛的學院，載運工具運用工程是國內為數不多的幾個權威學科點之一，只有西南交通大學、北京交通大學可與之一爭高下。學院有自己唯一的汽車高速實驗環道和綜合測試場，給學生們提供了很多實驗機會，讓學生在賞車、鑒車、試車的樂趣中發現和學習。

篇（8）

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

從頑童到負笈少年

1960年，中科院力學所，一個小型爆炸成形實驗正在進行。科研人員屏息靜氣，只聽“砰”的一聲，一塊5厘米長寬，幾毫米厚的鐵板被單發雷管炸成一個小碗。大家歡呼雀躍。所長錢學森興奮不已，拿著小碗給大家看：“可不要小看這個碗，我們將來衛星上天就靠它了。”

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

與爆炸力學結緣，并非刻意的人生規劃。“我從過去走到現在，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。”

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

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。“他在家排行老三，點子多，是我們的領頭人，一到冬天，他打來井水，撒在自家院子結成薄冰，他領著兄弟姐妹在‘人工冰場’溜冰，好開心。”

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，要念書做學問。”他還教導鄭哲敏，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，一心向學，并學有所成。

1938年，鄭哲敏讀中學。期間因身體不好休學在家，父親讓他看《家書》。他學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英語。鄭哲敏自學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。他自此就迷上了數學、物理，并由此進入到科學的殿堂。“打那以后，成績就好了，學習也很輕松。”

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，這一幕就成為他經常出現的夢魘。初中填報志愿時，鄭哲敏就立下兩個志愿：一是當飛行員，打日本鬼子；二是當工程師，實業救國。

1943年，鄭哲敏中學畢業后考入西南聯大電機系。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，按規矩辦事，遵守紀律；聯大有各種各樣的集會，大家各唱各的調，科學和民主氣氛很活躍；老師教書認真負責，一板一眼。“這些大師，在心中是一種榜樣標志，一種人格的代表。”鄭哲敏回憶道。

抗戰勝利后，西南聯大回遷，鄭哲敏在北平（北京）清華大學機械系學習。畢業后，便留校做錢偉長教授的助教。1948年，經四級選拔，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金”獲得者，赴美學習。

錢偉長為他寫了留學推薦信：“鄭哲敏是幾個班里我最好的學生之一。他不僅天資聰穎、思路開闊、富于創新，而且工作努力，盡職盡責。他已接受了工程科學領域的實際和理論訓練。給他幾年更高層次的深造，他將成為應用科學領域的出色科學工作者。”

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

他還接受馮卡門、錢學森等應用力學學派的思想精髓：應用自然科學的基礎理論，探索工程基本規律，形成工程理論，進而產生新技術解決工程難題。

后，美國移民局取消了對一批留學生不得離境的限制，鄭哲敏成為首批回國的留學生。離美之前，恩師錢學森為他送行。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，途經歐洲輾轉近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。爆炸現象在自然和人類歷史中經常出現，如宇宙大爆炸、戰爭轟炸等。爆炸力學就是研究爆炸能量的傳播規律、力學效應及其控制方法與定量應用。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。描述介質的新特性，傳統的固體流體力學方程不夠用了，鄭哲敏花費近三年時間，深入研究爆炸力學新的理論，闡明基本規律。

爆破成形的小碗，就是最早的實驗模型。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”，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星火箭部件。

鄭哲敏還接受判斷地下強爆效應的科研任務，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的流體、固體特性及運動規律用統一的方程表述，堪稱爆炸力學的學科標志，可準確預測地下強爆炸試驗壓力衰減規律。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字模擬做出了開創性的工作。

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律，通過準確計算，能夠讓武器在精確的規定距離里打透相應厚度的裝甲。

鄭哲敏還在爆炸焊接理論和應用研究中，揭示了爆炸焊接機理，奠定了爆炸加工工藝的基礎。產業部門就此開發出新工藝，形成中國人自己的技術。數十年后中國是全世界最大的爆炸加工國家，成為爆炸加工產品的出口國。

上世紀80年代，國家急需港口建設，又有產業部門找上門來。建港首先需要處理構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，節約成本1/4。爆炸處理水下軟基技術納入國家規范，目前已經能夠處理厚度30米以上的淤泥，成為無可替代的技術。

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

篇（9）

二、教學團隊帶頭人和骨干教師遴選

教學團隊帶頭人作為團隊的“領頭羊”，引領著教學改革和科學研究方向，是教學團隊的核心和靈魂。教學團隊帶頭人除具備較高的學術造詣、創新性學術思想和良好的組織協調能力外，還應長期堅持在本科教學第一線，致力于課程建設，具備目光遠大、胸襟開闊、善于溝通、甘于奉獻等人格魅力，以學術精神、學術水平帶動和影響團隊成員參與團隊的各項建設，促進學術成果的教學轉化，吸引并帶動一批有創新能力和突出發展潛力的中青年教學骨干，組建合理的教學梯隊。教學團隊成員除年齡和職稱結構合理外，也需考慮基礎知識、專業知識、實驗設計實踐環節、科學研究和工程應用等多方面人才互補。骨干教師遴選以本專業教師為主，但需跨學科、跨專業、跨院系，甚至跨地域吸收引進核心骨干成員。團隊人員數量以8～15人為宜，其中包含3～5位校外專家顧問。團隊梯隊人員結構既注重基礎和專業結合，也注重校內、外聯合、基礎理論研究和工程應用結合。

三、開展課程群教學改革

（一）課程群建設規劃

精品課程建設在新一輪高校教學改革中具有帶動主要課程群建設與改革、推動品牌專業立項與建設、開創院校辦學特色等重要功能。教學團隊以精品課程的建設目標和要求編制課程群建設規劃,明確和制定課程群建設目標和任務,以及建設的具體措施與對策。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，這兩個教學團隊力爭將省級精品課程建設為國家級精品課程，同時以省級精品課程的建設目標帶動環境工程微生物、環境工程原理、環境監測等重點課程申報校級精品課程。

（二）教學內容和教材

教學團隊要理清不同課程在課程群系統中的邏輯關系，針對學生培養目標，規范基礎課程、專業骨干課程和選修課程之間的教學內容分配、銜接等，突出重點,避免內容重復，統籌考慮各課程的學時、開課時間、實踐環節內容與課時分配。抓好歸屬課程教學大綱執行與落實，規范歸屬課程講義與教案，加強課程教學課件等方面建設，將該學科最新研究成果及時補入教學內容，定期修訂與完善各門課程大綱內容、范圍和要求。同時，對每門課程教學所選用的課堂教學、實驗、課程設計、實習指導教材進行論證。教材建設是教學團隊建設的一個很好載體，教材是教師和學生之間的媒介，是聯系師生的紐帶，也是教師合理利用教學資源、整理教學思路的突破點。現在高校使用的教材或多或少存在著內容陳舊、缺乏創新等問題，應盡量選用最新的“十一五”、“十二五”國家級規劃教材和面向21世紀高校教材。對教材的選用既要考慮國內、外最新先進科技成果，又要考慮教材質量。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。總之，使教學內容緊跟科學文化以及經濟社會發展步伐，做到與時俱進。

（三）教學方法和手段

教學團隊建設中突出創新意識和團隊進取精神。教學團隊除了改革教學外，在教學模式和教學方法等方面也要進行積極改革和創新，將一些好的教學研究成果運用到本科教學，形成特色。比如，可以采用六步教學法、課堂討論法、啟發式教學法、案例教學法、直觀教學法、比較教學法等進行課堂教學的不斷嘗試與探索。也可采用多媒體教學、實驗教學、課程設計、雙語教學、仿真教學、視頻教學、網絡教學、現場實訓結合的“八結合”教學方法和手段，豐富教學內容，提升教學質量。

（四）科研和教學互補

教學團隊及科研團隊是伴隨著高校的發展而產生的，兩者密切聯系、相互包容和依存。教學團隊主要是針對本科教學提出的，是以提高教學質量、促進教學改革為主要任務，通過團隊建設促進高質量人才培養;科研團隊，側重于以項目為依托，探索新知識、開發新成果等，目的是為學科發展提供創新成果和高層次人才。在教學型院校，教團團隊應融合科研團隊的作用和功能，高校教師既是知識的傳播者，也是知識的創造者。優秀的教學團隊建設應當與科研工作緊密結合；定期討論本團隊方向的前沿科學問題，申報科研項目；搭建實驗平臺，開展科學研究，實現科研反哺教學。

篇（10）

1. 引言

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

圖1自組織臨界性現象

圖2碎石顆粒堆的一段荷載和位移的關系線

2. 自組織沉降現象

自組織沉降現象是散體材料結構從一種平衡狀態到另一種平衡狀態的過程中，顆粒堆會發生崩塌沉降、顆粒堆密實度增大，孔隙變小的現象，這個過程我們稱為一次自組織。自組織沉降現象廣泛存在于自然社會中的一種現象，如雪崩、地震、泥石流、滑坡等都可以認為是自組織沉降現象。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，當我們繼續加沙粒時，沙堆就會越來越陡。當出現再加上一粒沙子時就有可能使部分沙粒發生滑落，從而又可以繼續加沙粒，這就是一次自組織沉降現象，往復循環。由圖1可見在沙粒將要發生滑落的時刻就是自組織的臨界狀態。我們做如下試驗：用鋼板制作容器，內置碎石塊，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象的發生。

圖3巴西堅果效應

圖4反巴西堅果效應

3. 顆粒分離現象

（1）上世紀30年代，巴西人在長途運輸堅果時，發現裝有不同大小堅果的容器經過長途顛簸，總是大的果子浮在上層，細碎的小果留在下面。根據常識，大而重的堅果在振動過程中受重力影響應當沉在下面，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粒可以從大顆粒的間隙中掉下去，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” （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” （Reverse Brazil-nut effect）。姜澤輝[4]等人在豎直振動兩種不同顆粒混合物的實驗中，發現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，然后上下有規律地搖動，會發現，錢幣逐漸浮現上來，直到最后這枚硬幣會浮在鹽罐的最上層，蘊含顆粒物質的振動分離現象。

（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，依據土工試驗標準中擊實試驗的方法填裝，填裝高度15.00cm。以觀測散體材料結構內部的變化情況。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，出現移動的混亂現象，如圖5（b）。散體材料結構在震動荷

載作用下出現了振動分離現象。

圖5不同時間及頻率試驗現象

4. 拱效應

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

圖6散體材料結構顆粒的力傳遞模型

（2）當顆粒體系受縱向壓力作用時，其應力易于改向，一部分力傳遞于橫向，若有容器則表現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”態

散體材料結構是一種特殊的結構，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生。當這種堆積物受壓時，顆粒先松動而后重新排列，孔隙變小，密實度增加。因此散體材料結構內部具有特殊的應力——應變關系和特殊的強度——變形規律。通常是一個自然的、非線性系統，顆粒與顆粒之間無粘性連結，沒有變形協調的約束。它具有不同于固體和液體的獨特性質，主要表現在：

（1）顆粒物質具有類似于液態物質的特性，即流動性，但比液態物質的流動性差。

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

（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 “顆粒物質態”。

6. 谷倉效應

德國工程師詹森[5]發現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象，他從連續介質力學理論出發，提出了一個模型定量解釋了這種現象，即Janssen模型，顆粒與器壁的摩擦力使器壁負擔了顆粒系統中“丟失了的重量”。Janssen模型表明，存在一個臨界深度即特征長度 ，當堆積高度 時， 值接近于流體力學中的靜水壓力值而當 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”。 P.G .D eG ennesV[6]指出他沒有考慮豎直應力在任意角度上的分量及假設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

從大量的資料及實驗可以得出散體材料結構的特性：

散粒體材料結構的振動分離現象、物質

態特性、拱效應、自組織現象和谷倉效應對顆粒物質的運輸、存放及散體材料對工程的應用提供了有力的理論依據。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.顆粒介質傳力特性及其在巖土工程中的若干應用問題[J].蘭州大學博士論文，2005：1～25.

[2]蔣紅英、厲玲玲等散體材料結構沉降與自組織現象分析[J]四川建筑科學研究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，厚美英，陳唯，陳相君.振動顆粒混合物中的三明治是分離. 物 理 學報， 2003，52（9）：2244～2248.

[5]Gennes P.G. de. Granular matter： a tentative view. Reviews of Modern Physics， 1999， 71（2）： S374～S382.

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