固体力学研究方向汇总十篇

序论：好文章的创作是一个不断探索和完善的过程，我们为您推荐十篇固体力学研究方向范例，希望它们能助您一臂之力，提升您的阅读品质，带来更深刻的阅读感受。

篇（1）

中图分类号：TB121 文献标识码：A

1绪论

工程力学是20世纪50年代末出现的。首先提出这一名称并对这个学科做了开创性工作的是中国学者钱学森。

在20世纪50年代，出现了一些极端条件下的工程技术问题，所涉及的温度高达几千度到几百万度，压力达几万到几百万大气压，应变率达百万分之一～亿分之一秒等。在这样的条件下，介质和材料的性质很难用实验方法来直接测定。为了减少耗时费钱的实验工作，需要用微观分析的方法阐明介质和材料的性质；在一些力学问题中，出现了特征尺度与微观结构的特征尺度可比拟的情况，因而必须从微观结构分析入手处理宏观问题；出现一些远离平衡态的力学问题，必须从微观分析出发，以求了解耗散过程的高阶项；由于对新材料的需求以及大批新型材料的出现，要求寻找一种从微观理论出发合成具有特殊性能材料的“配方”或预见新型材料力学性能的计算方法。在这样的背景条件下，促使了工程力学的建立。工程力学之所以出现，一方面是迫切要求能有一种有效地手段，预知介质和材料在极端条件下的性质及其随状态参量变化的规律；另一方面是近代科学的发展，特别是原子分子物理和统计力学的建立和发展，物质的微观结构及其运动规律已经比较清楚，为从微观状态推算出宏观特性提供了基础和可能。

总的来说，工程力学具有现代工程与理论相结合的特点，有很大的知识面和灵活性，对国家现代化建设具有重大意义。

2工程力学的发展

2.1工程力学的特点

工程力学虽然还处在萌芽阶段，很不成熟，而且继承有关老学科的地方较多，但作为力学的一个新分支，确有一些独具的特点。工程力学着重于分析问题的机理，并借助建立理论模型来解决具体问题。只有在进行机理分析而感到资料不够时，才求助于新的实验。

工程力学注重从微观到宏观，以往的技术科学和绝大多数的基础科学，都是或从宏观到宏观，或从宏观到微观，或从微观到微观，而工程力学则建立在近代物理和近代化学成就之上，运用这些成就，建立起物质宏观性质的微观理论，这也是工程力学建立的主导思想和根本目的。

虽然工程力学引用了近代物理和近代化学的许多结果，但它并不完全是统计物理或者物理化学的一个分支，因为无论是近代物理还是近代化学，都不能完全解决工程技术里所提出的各种具体问题。工程力学所面临的问题往往要比基础学科里所提出的问题复杂得多，它不能单靠简单的推演方法或者只借助于某一单一学科的成就，而必须尽可能结合实验和运用多学科的成果。

2.2研究内容和方向

工程力学主要研究平衡现象，如气体、液体、固体的状态方程，各种热力学平衡性质和化学平衡的研究等。对于这类问题，工程力学主要借助统计力学的方法。

工程力学的研究工作，目前主要集中三个方面：高温气体性质，研究气体在高温下的热力学平衡性质（包括状态方程）、输运性质、辐射性质以及与各种动力学过程有关的弛豫现象；稠密流体性质，主要研究高压气体和各种液体的热力学平衡性质（包括状态方程）、输运性质以及相变行为等；固体材料性质，利用微观理论研究材料的弹性、塑性、强度以及本构关系等。

工程力学研究方向主要有：非线性力学与工程、工程稳定性分析及控制技术、应力与变形测量理论和破坏检测技术、数值分析方法与工程应用、工程材料物理力学性质、工程动力学与爆破。

3工程力学的应用

3.1材料力学

材料力学在生活中的应用十分广泛。大到机械中的各种机器，建筑中的各个结构，小到生活中的塑料食品包装，很小的日用品。各种物件都要符合它的强度、刚度、稳定性要求才能够安全、正常工作，所以材料力学就显得尤为重要。

生活中机械常用的连接件，如铆钉、键、销钉、螺栓等的变形属于剪切变形，在设计时应主要考虑其剪切应力。汽车的传动轴、转向轴、水轮机的主轴等发生的变形属于扭转变形。火车轴、起重机大梁的变形均属于弯曲变形。有些杆件在设计时必须同时考虑几个方面的变形，如车床主轴工作时同时发生扭转、弯曲及压缩三种基本变形；钻床立柱同时发生拉伸与弯曲两种变形。

利用材料力学中卸载与在加载规律得出冷作硬化现象，工程中常利用其原理以提高材料的承载能力，例如建筑用的钢筋与起重的链条，但冷作硬化使材料变硬、变脆，是加工发生困难，且易产生裂纹，这时应采用退火处理，部分或全部地材料的冷作硬化效应。

3.2固体力学

自然界中存在着大至天体，小至粒子的固态物体和各种固体力学问题。人所共知的山崩地裂、沧海桑田都与固体力学有关。现代工程中，无论是飞行器、船舶、坦克，还是房屋、桥梁、水坝、原子反应堆以及日用家具，其结构设计都应用了固体力学的原理。

篇（2）

中图分类号:U270.1; U260.16; TB115

文献标志码: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

な崭迦掌:2009-06-23 修回日期:2009-09-13

作者简介: 杨 帆(1984―),男,吉林长春人,硕士研究生,研究方向为固体力学,(E-mail);

郑百林(1966―),男,陕西岐山人,教授, 博士, 研究方向为复合材料力学与数值模拟,(E-mail)0 引 言

2007年4月18日,中国铁路进行第6次大提速,提速后的列车运行时速达200 km,部分区段时速达到250 km;2008年4月18日,举世瞩目的京沪高速铁路全线开工建设,这是目前世界上线路最长、标准最高的高速铁路项目;2008年8月1日,时速350 km的京津城际铁路开通运营,中国铁路从此开启“风时代”.随着列车速度的提升,噪声污染问题愈加突出,集电部的空气动力噪声增长迅速,远高于其他噪声增长幅度,这是因为空气动力噪声与速度的6次方成正比,而其他噪声与速度的2次方或3次方成正比.[1]噪声既是影响列车舒适性的重要指标,也是环境污染的重要公害之一,随着我国铁路的飞速发展,对高速列车气动噪声的研究将变得更有意义.

气动噪声的数值模拟始于20世纪90年代,虽然起步较晚,但随着计算流体力学的迅速发展而取得许多进展.国内很多学者采用数值模拟的方法计算车辆周围瞬态流场,通过计算流场的瞬态压力直接计算气动噪声[2-3]或者导入声学软件中进行求解[4].然而,对于比较复杂的模型,计算瞬态流场存在一定困难,网格质量要求较高,计算时间过长.稳态雷诺平均纳维斯托克斯(Reynolds Averaged Navier-Strokes,RANS)方法[5]

篇（3）

福建省力学学科在广大的省内力学工作者长期不懈努力下，通过与国内外同行广泛交流、相互学习，以及不断从国内外引进优秀力学人才，近十年来取得不少成果。目前，虽然总体上在国内还无法处于先进行列，但在某些领域的一些研究成果达到了国内甚至国际先进水准，国内影响也日益增加。但是，福建毕竟是力学小省，从事力学研究的队伍很小，真正从事力学理论、基础研究的人才更少。迄今，我省高校还没有设置力学专业，更没有力学或航空航天学院。正因为我们没有强大的力学研究队伍，我们的研究成果不够系统，也无法形成国内外影响力大的研究团队。力学是目前世界上发展非常快的一个学科，是众多工程技术的基础，其研究成果被广泛应用于先进的航天航空技术、舰船技术、兵器技术、尖端的建筑领域、车辆技术、机器人技术、高速精密机床、电子技术、防震救灾等等。力学学科强的省份，其工程技术各个领域普遍也强。由于经济实力有限，福建省同其他一些省市一样，对力学等基础学科重视不够，导致工程技术人才队伍总体素质不是很高，研究后劲不足。除了高层建筑、大型桥梁、水库等事关国计民生的大项目外，很少见到生产企业借助力学寻找疑难问题的答案，或开发设计新产品。为此，总结力学学科发展，不仅仅是有助于本学科更快更好的发展，更重要的是促进力学对工业进步的推动作用。此外，还可以帮助年轻的力学工作者、力学爱好者，以及政府有关部门，更快更好了解我省乃至全世界力学发展动态、应用与存在的问题，促进力学人才队伍的发展壮大。虽然我省力学人才数量与培养机制在国内处于劣势，然而，力学学科也同其他学科一样， 有能力、也期待在海西建设中发挥更大的作用、得到更快的发展。

目前，我省力学学科研究领域主要集中固体力学、流体力学、计算力学、机械动力学与控制、细观力学、实验力学、结构力学等方面。研究内容既有理论方面的，也有许多工程实际应用的，还有关于力学教育的。本学科报告将根据上述7个领域展开。

1固体力学

固体力学研究变形固体在外界因素（如载荷、温度、湿度等）作用下受力、变形、流动、断裂等。包括杆件及理想弹性体变形和破坏；变形固体塑性变形与外力的关系；细长杆稳定性理论；杆系结构、薄板壳以及它们的组合体；裂纹尖端应力场、应变场以及裂纹扩展规律。复合材料构件的力学性能、变形规律和设计准则。固体力学不但促进了近代土木建筑、机械制造和航空航天等工业的进步和繁荣，而且为广泛的自然科学提供了范例或理论基础[1-2]。大到桥梁、航天航空器、核动力结构，小到计算机芯片、生物组织以及近年来高速发展的微/纳米机械等都需要借助固体力学理论和方法。

1.1 我省固体力学研究现状

1.1.1 断裂与疲劳方向

通过三点弯曲疲劳试验，分别跟踪监测了40Cr钢及它的两种表面处理试样疲劳损伤过程，得出了40Cr钢经过两种表面处理对其疲劳裂纹萌生寿命有显著影响的结果，提出了对疲劳裂纹萌生寿命测量的一种新方法[3]。根据材料对称循环持久极限和静载强度极限，导出任意循环特征下材料持久极限的估算公式。通过非线性有限元方法对橡胶―钢球支座的橡胶层与钢球粘结界面上及橡胶中间层在扭转载荷作用下存在中心裂纹和环形边缘裂纹的情况进行了数值模拟，给出撕裂能与裂纹尺寸、载荷和橡胶层厚度的关系曲线[4]。针对抽油机井常用油管在循环载荷作用下的疲劳断裂问题进行了理论与实验研究。在实测油管载荷谱与应变谱的基础上应用弹塑性有限元法计算油管螺纹内的应力应变场，并进行了有关的疲劳实验，以得到油管的疲劳强度。

* 第一执笔人：严世榕，福州大学车辆振动与电子控制研究所所长、教授。

1.1.2 板壳、薄壁杆件及复合材料方向

利用群论方法提出周期区域的分片正交多项式连续函数，在周期区域内利用正交分片多项式逼近位移函数可以大大地降低计算量[5]。推导了一般各向异性板弯曲的积分方程，运用加权残数配点法求解了正交各向异性板弯曲的积分方程。提出了两种新的近似基本解加权双三角级数广义各向同性板解析形式的基本解和加权双三角级数的叠加。根据Timoshenko几何变形假设和Boltzmann叠加原理，推导出控制损伤粘弹性Timoshenko中厚板的非线性动力方程以及简化的Galerkin截断方程组;然后利用非线性动力系统中的数值方法求解了简化方程组[6]。假设翘曲位移及切向位移的分布函数，考虑剪切变形的影响，利用最小势能原理建立了单位均布畸变荷载作用下的薄壁杆件畸变角微分方程[7]。采用一般解法对该畸变角微分方程进行求解，并推导求解的初参数法。采用加权余量法提出一个简支工字型梁在横向荷载作用下临界荷载的计算公式；利用这个式子算出的值与试验结果以及其它数值方法等得到的结果吻合得很好，说明文献[7]提出的公式能迅速、有效地计算薄壁杆件的横向临界荷载。以均布荷载下的抛物线钢管拱为研究对象，在考虑双重非线性的有限元分析基础上，提出纯压钢管拱稳定临界荷载计算的等效柱法[8]。提出了基于杆件连续分布的结构优化方法，优化结果不仅更接近理论解，而且克服了理论解的非均匀各向异性材料的制造困难，也完全避免了各种数值拓扑优化普遍具有的数值不稳定问题[9]。

1.1.3 弹性动力学方向

分析了一般粘弹结构特征值问题的特点，建立了一般粘弹结构的模态分析方法。与粘弹结构已有的模态分析方法相比，该方法通用于更一般的粘弹结构，在形式上不涉及粘弹本构关系项，并只涉及一种模态向量[10]。导出了时间步长内计算扰动的确定方法，并进一步采用同步计算消除计算扰动效应和后续步计算消除计算扰动效应，两种途径抵消其不利影响。基于Distorted-Born Iterative方法，提出了一种求解弹性波强非线性逆散射问题的迭代方法。在数值模拟运算时利用矩阵法进行离散处理，并采用正则化原理避免求解病态矩阵方程。应用多重尺度法推得从平方非线性振动系统势能井逃逸的时间。近似势能法用于克服非线性带来的困难。推导了系统的运动学、动力学方程。分析表明，结合系统动量及动量矩守恒关系得到的系统广义Jacobi关系为系统惯性参数的非线性函数。证明了借助于增广变量法可以将增广广义Jacobi矩阵表示为一组适当选择的惯性参数的线性函数。在此基础上，给出了系统参数未知时由空间机械臂末端惯性空间期望轨迹产生机械臂关节铰期望角速度、角加速度的增广自适应控制算法。在高速公路刚架拱实桥动测及单车荷载作用研究基础上，建立多车荷载激振模型，发展了研究刚架拱桥车激共振特性的可视化仿真方法，探讨刚架拱桥在高速多车荷载作用下的共振条件，分析车距、车速和车数对竖向瞬态振动峰值的影响，编制运行多车荷载下振动仿真分析可视化程序。提出了基于压力传感器的汽车重心实时监测机理的力学模型。利用该模型能实时监测汽车的整车重量、重心位置，提供安全装载和安全车速监测与报警，可为汽车安全系统提供可靠的重心计算力学模型，为研制汽车重心实时监测系统提供了必要参数与依据。论述数值计算中新的小波基无单元方法，即用小波基函数取代传统无单元方法中的幂级数基之后，使无单元法具有了小波变换的局域化和多分辨率等优良特性，并能有效地克服有限单元法的网格敏感性和单元之间应力不连续现象，从而不但拓展和丰富了无单元法的理论内容，也为其工程应用开辟了新的途径[11]。

1.1.4 工程应用

推导了T型截面梁的弯矩-轴力-曲率关系，提出了分析大偏心体外预应力筋的应力增量和梁弯曲性能的通用方法。比较荷载作用前后，转向座和锚具的变形差，计算出体外筋的应变和应力。因此这一方法考虑了体外筋的变形协调条件，同时自动地考虑了体外筋偏心距的损失。以B样条函数结合配点法直接求解框剪间有限个作用力与力矩，导出的递推公式对任意水平荷载可直接应用。采用动力特解边界元法在时域内求解坝-水-地基动力相互作用问题特性，研究了坝体、地基和系统阻尼对坝体的动力特性、动水压力、动力放大系数及稳定系数的影响。提出了一种求解柔性多体系统控制方程数值方法，在每一时间步，利用Newmark-β直接积分法计算迭代初值，基于控制方程及约束方程的泰勒展开，推导出Newton-Raphson迭代公式，对位移及拉格朗日乘子进行修正。引用Blajer提出的违约修正方法对数值积分过程中约束方程的违约进行修正。提出了地震作用下摩擦耗能支撑参数优化的一种新的数学模型，在给定的几条地震波作用下，在满足框架的规范层间位移角限值要求下，框架各层安装的耗能支撑刚度之和最小，从而实现安装较少的耗能装置而能达到相同的抗震要求[16]。

1.2 与国内外发展现状的对比与不足

整体上，我省还没有建立起几个系统、稳定的固体力学研究方向。与国内外比较尚处于相对落后的研究水平。许多研究领域尚处于空白。系统性、原创性研究成果就更少了。

1.3 国内外固体力学发展趋势预测

固体力学的研究对象向跨尺度和复杂性方向发展；研究手段以跨学科、交叉性和系统性为特色。 其基本理论以研究力与热、电、磁、声、光、化学及生命领域的相互作用，实现从原子、分子的微观结构到纳米结构、细观显微结构，直至宏观结构的多尺度关联理论框架的建立。固体力学可以将地震、边坡失稳、泥石流、矿井崩塌等自然灾害提炼成为具有群体缺陷、裂纹和裂隙的不连续、非均匀介质的力学演化过程，预测和防范突发灾害的发生。固体力学在陆地和海洋石油勘探采集和输运、核电技术、风能技术、高坝技术和高功率水力发电技术、大型工程结构的选址等重大工程中也将发挥愈来愈重要的作用。集传感功能和驱动功能为一体的智能材料和结构蕴含着许多与传统领域不同的力学问题。新型材料与结构的多场耦合力学，包括力－电－磁－热耦合场基础理论与体系、破坏理论、智能结构性能等是固体力学领域充满生机的研究方向。 利用生物学和生物技术来设计材料与器件将极大地冲击整个工程界、生物界和医学界。

1.4 我省固体力学发展对策

目前普遍强调工程应用的大社会背景对力学这门基础性学科的发展是极为不利的。鼓励自由探索，促进系统性、原创性、基础性的研究工作是促进力学学科发展的最重要基础工作。主要体现在如下几个方面：

（1）固体力学作为影响广泛的重要基础学科，需要长期、稳定地投入。自由探索和基础研究是科学新思想、新理论和新方法的重要源泉。需要以全面发展的观点长期稳定地处理好基础研究、应用基础研究和工程需求的关系，营造在各方面都鼓励创新的环境。

（2）人才培养，特别是充分发挥优秀人才作用是力学学科发展的重要源泉。建立有利于人才培养的长期、公正、公平、合理的科研成果和科技人才评价体系，力学学科的科学研究和人才培养尤其要避免急功近利。各高校在力学学科的建设上不能以其能否直接解决工程实际问题为取舍的依据，而要以现有人才和研究基础为依据。稳定、扎实的力学学科人才培养可以直接惠及众多相关学科的发展。

（3）从固体力学学科的性质、现状和发展趋势，以及国家需求来看，目前的重要科学问题和前沿领域主要有：微纳米力学、多尺度力学与跨尺度关联和计算、新材料与结构的多场耦合力学、生物材料与仿生材料力学、科学与工程计算与软件、仪器设备研制及实验力学新技术与新表征方法。国家建设需求的重要支撑点和应用发展方向主要有：固体强度与破坏力学、计算力学软件、固体力学在国家安全以及航空航天工程中的应用、大型工程结构与工业装备的力学问题、爆炸与冲击力学、环境与灾害关键力学问题等。

2流体力学

2.1 计算流体力学

流体力学是力学的一个分支，它主要研究流体的运动以及流体和其它介质间相互作用和流动的规律。流体涉及面广，它可以是气、水，也可以是油或其它流变物质。流体力学在气象、水文、石油勘探、船舶、飞行器和工业机械等领域均有广泛应用。流体力学数学上的描述是著名的Navier-Stokes方程及其各种变化。

空气动力学是流体力学针对空气运动问题的一个分支，也是流体力学研究的一个主要内容。20世纪初，飞机的出现极大地促进了空气动力学的发展。航空器的研究需要了解飞行器周围的压力分布、飞行器的受力状况和阻力等问题，这就促进了流体力学在实验和理论分析方面的发展。20世纪中后期，流体力学开始和其他学科互相交叉和渗透，形成了新的交学科，如物理-化学流体动力学、磁流体力学等。

流体力学研究的手段主要有三：实验，理论分析，数值计算。理论分析是根据流体力学基本方程，通过数学方法进行分析，得出各种定量和定性结果。由于流体运动的复杂性，实验方法在流体力学中占有重要的地位。现代流体力学就是在纯理论的古典流体力学与偏重实验的古典水力学结合后才蓬勃发展起来的。实验对于验证流体运动的基本规律，测定经验参数，解释物理现象均有重要意义。

随着计算机技术和各种高效计算方法的发展，使许多原来无法用理论分析或实验研究的复杂流体问题有了求得数值解的可能性，形成了“计算流体力学”学科。从20世纪60年代起，在飞行器和其它相关工程的设计中，开始大量采用数值模拟，使得数值模拟成为与实验和理论分析相辅相成的一个重要研究手段，并正在成为流体力学的主要发展方向。数值模拟方法特点如下：

①给出流体运动区域内的离散解，而不是一般理论分析方法所关注的解析解；

②它的发展与计算机技术的发展直接相关，因为复杂的流动问题要求大计算量的运算；

③若物理问题的数学模型是正确的，则可在较广泛的流动参数（如马赫数、雷诺数、气体性质、模型尺度等）范围内研究流体力学问题，且能给出流场参数的定量结果。

厦门大学在计算流体力学学科开展了多方面的研究，其主要研究力量分布在数学、海洋、化学、材料、物理机电等院系，并建立了多套高水平的大型计算服务器。特别值得一提的工作是：数学科学学院在可压和不可压粘性流体数学模型的理论探索和高阶数值模拟的研究中取得了具有国际水平的成果，丰富和发展了下面几个重要方法:

2.1.1 谱方法（Spectral method）[17-19]。该方法是一类高阶方法，它利用整体高阶多项式逼近偏微分方程的解。它主要有两种形式：从弱形式出发的Galerkin谱方法和从强形式出发的配点法，它们都可以认为是加权残差法的特殊形式。其中配点方法更像差分法，它要求在配置点上满足原方程，与差分法不同的是：它用高阶多项式的准确求导代替了导数的差分逼近。Galerkin谱方法与有限元方法在原理上类似，都是先将偏微分方程定解问题转化成与之等价的变分形式，然后通过试探函数和检验函数的选取来逼近解，它们的主要不同在于试探函数和检验函数的选取以及高维情况下基函数的构造。谱方法的收敛速度取决于解的正则度，当解无限光滑时可以达到指数阶收敛，即比任何代数阶的收敛速度都快，这是谱方法相比差分法和有限元法的一个主要优点。

2.1.2 拟谱法和谱元法[20-21]。拟谱方法（Pseudo-spectral method）是一类准谱方法，可以通过从弱形式出发的广义Galerkin谱方法构造，也可以由强形式出发的配点法得到。两者在某些特殊情形下是等价的，但对绝大多数问题，配点法无法导出简洁的弱形式，导致理论分析十分困难。现在配点法正渐渐淡出研究人员的视线。基于广义Galerkin方法的拟谱方法的构造分两步：首先构造问题的Galerkin谱方法，然后利用高精度Gauss型数值积分近似弱形式中的积分。有别于标准谱方法中使用的正交多项式基，在拟谱方法中，基函数通常选择基于数值积分的Lagrange多项式基，这给计算，尤其是非线性问题的计算带来了很大的便利。由于Gauss型数值积分的高精度，在大多数情形下拟谱方法的收敛速度与谱方法相同。传统意义下的谱方法对于复杂区域的处理能力极其有限，这限制了它的应用范围。20世纪80年展起来的谱元法（spectral element method）很好地解决了这个问题。谱元法结合了谱方法和有限元法各自的优点，既能处理复杂的计算区域，又有谱方法的高精度，它在不可压流体的计算中取得了很大的成功，如今已是计算流体中最常用的方法之一。谱元法与hp-有限元方法很相似，但两者在发展的初期有许多不同点，hp-有限元使用的多项式阶数不高，所使用的基函数也与谱元法不一样。不过随着两类方法的发展，它们呈现出越来越多的共同点，有些学者已把两类方法归结为同一种方法。由于谱方法还具有低耗散，低色散的优点，如今它已成为湍流数值模拟的主要方法。

2.1.3 湍流大涡模拟（Large eddy simulation，LES) [20-22]。 自然界中的流体运动主要有两种形式，即层流（laminar） 和湍流（turbulence），层流是指流动时流线相互平行的流动，而湍流则是无规则脉动的，有强的涡旋和掺混性。目前一般的看法是：无论是层流还是湍流，它们都服从Navier-Stokes (NS)方程。由于湍流运动特征尺度的多样性，一般来说，直接数值模拟(DNS)仅局限于湍流机理的基础理论研究和一些较简单的问题。湍流大涡模拟（LES）是介于DNS和雷诺平均NS(RANS) 之间的一个折衷方法。LES需要的网格点数比DNS大大减少，这使得它能够应用于许多实际工程计算中。LES仅计算大尺度部分，而亚格子尺度运动（SGS）通过附加模型实现。目前广泛使用的SGS模型有1963年Smagorinsky 提出的“涡粘性” 模型及其变种，如“尺度相似性” 模型，“动力学模型”，“代数涡粘性”模型和“重正化群”模型等，这些模型均在某些特定的情形和适当的假设下适用， 且跟所选择的数值方法相关。较新的LES模型包括速度估计模型以及无(显式)模型的单调积分LES(MILES)和谱消去粘性（Spectral vanishing viscosity， 即SVV)LES。MILES的基本思想是借助非线性高频限制器来限制高频波段上的能量振荡，可以起到与显式SGS模型同样的效果。而SVV-LES是在谱元法框架内提出的，其基本思想是通过引入线性高频粘性项来抑制可解尺度量在截断频率附件的震荡。与其它LES方法相比，SVV-LES简单且无附加计算量。

3计算力学

20世纪50年代，随着计算机的发展，计算力学这个力学和科学计算的交叉学科得到了快速发展，特别是60年代后有限元法及其相应软件产业的迅猛发展，使得计算力学这个新兴学科迅速渗透到土木、水利、机械、航空、电子及生命科学等各个领域，成为计算机辅助设计（CAE）的重要核心内容，也使得力学这个传统的学科焕发了新的强盛的生命力。在当今科学研究和工程实践中， 科学计算已经成为与科学理论、科学实验并行的重要科学方法。2006年美国自然科学基金委员会了《基于数值模拟的工程科学》的研究报告，明确指出计算力学和数值模拟在工程科学发展中的重要地位。

近年来我省科技工作者在计算力学及其工程应用方面开展了积极的研究工作，取得了一定的科技成果。在计算力学方法方面，我省学者系统地发展了土木水利、机械、航空航天等领域常见的梁板壳结构的高效无网格分析方法，该方法采用整体坐标建立板壳无网格近似，不仅简便直接，适用于任意复杂形状的壳体，并且可以避免参数变换，大大提高了计算效率。同时该方法利用稳定节点积分构造离散方程，兼顾了稳定、效率和精度，为快速准确地分析和设计这种类型结构提供了一种有效的数值工具。同时，针对福建省暴雨天气常见的土质边坡失稳而产生的滑坡问题，建立了暴雨条件下土质边坡突发失稳的大变形高效无网格模拟法，该方法可有效模拟失稳剪切带所引发的边坡非线性大变形损伤破坏全过程，实现边坡失稳的高效无网格法全过程仿真分析，可为暴雨条件下边坡工程的设计施工、滑坡灾害的预报、预防和加固处理提供理论依据和指导，有重要的理论和实际工程意义。另外，在杂交元研究方面提出了基于基本变形模式的正交化单元构造方法，不仅概念明晰，而且由于不依赖于材料参数而大大提高了计算效率。并且，在拓扑优化方面提出了类桁架结构连续体的拓扑优化方法，有效地避免了棋盘格问题。这些计算力学方法所取得的研究成果得到了国内外同行的引用和认可。

在工程应用方面，我省学者对汽车减震及管道密封橡胶构件的受力断裂行为进行了非线性有限元和无网格分析和模拟，提出了合理的设计方案。对于大型土木结构例如大跨桥梁、大坝与深水进水塔以及深埋特长隧洞等结构，应用有限元法进行了动力抗震抗风分析，取得了满意的结果，提供了有效的工程服务。另外，应用从微观第一原理到宏观有限元无网格计算的多尺度高性能计算方法，成功地进行了材料微观设计。

虽然我省计算力学研究与应用已经得到快速发展，但在国内仍然处于相对落后的地位，表现在原创性研究偏少，参与解决工程实际问题不够。当前我省相关科研工作者应抓住海西发展的大好时机加大科研力度，争取在高性能计算方法、大规模工程问题数值仿真分析、灾害条件下工程机构性能的计算模拟及评估预防、先进的汽车仿真方法与应用以及高性能材料计算设计等方面取得新的突破，同时密切联系实际，切实提高解决海西建设中的工程技术问题的能力。

4机械动力学与控制

近年来，福州大学、厦门大学、福建农林大学、华侨大学等在机械动力学与控制方面做了不少工作。我省的机械动力学与控制在以下几个方面的研究在国内具有较鲜明的特色和一定的影响力。

4.1 机器人系统动力学与控制问题的研究

福州大学在单臂、多臂、柔性臂空间机器人系统的运动学规划、动力学分析及控制系统设计等方面进行了系统的研究工作。他们研究了载体姿态无扰、末端爪手障碍规避、机械臂关节受限等不同目标要求下的多种运动学规划方法。在控制系统设计方面，分别给出了单、双臂空间机器人关节空间轨迹及末端爪手惯性空间轨迹跟踪的非线性反馈控制、变结构滑模控制、Terminal滑模控制、模糊变结构控制、鲁棒控制、自适应控制、复合自适应控制、终端滑模自适应控制、鲁棒自适应混合控制、自适应Backstepping滑模控制、自适应模糊滑模控制、基于模糊神经网络的动力学控制、基于速度滤波器的鲁棒控制、模糊小波神经网络控制、模糊基函数自适应神经网络控制、基于RBF神经网络的自适应补偿控制、模糊神经网络自学习控制、神经网络前馈控制及闭链双臂空间机器人基于内力优化配置原则的滑模变结构控制、RBF神经网络滑模补偿控制等一系列相关的控制方案[23-35]。在柔性臂空间机器人控制系统设计方面，给出了各类期望运动的Terminal滑模控制、Backstepping反演控制、于奇异摄动法的Backstepping反演控制、关节运动自适应控制及柔性振动的快速实时抑制、运动模糊控制及柔性振动主动抑制、运动鲁棒跟踪控制及柔性振动主动抑制等多种控制方案。其成果以150余篇论文形式，在国内外学术期刊及会议上发表与交流。此外，福州大学还开展了爬墙机器人安全系统的控制研究，对其提出了变结构控制方法、模糊控制方法等[36-37]。

4.2 机械系统动力学研究

福州大学针对立井提升系统动力学与控制、摊铺机和振动压路机动力学分析、以及汽车底盘动力学控制[38-42]等方面进行了系列研究，分析了影响提升设备动力学特性的有关结构参数、运动参数，提出了减少其工作过程振动的变结构控制与模糊控制方法；针对高等级道路建设中重要设备――摊铺机的国产化改造与开发设计，系统研究了其工作原理、动力学特性等，建立了相关的动力学模型，确定了影响整机正常工作的动力学特性及其影响因素；为消化吸收并赶超国外先进的汽车电子控制技术，开展了系统的汽车底盘总成的动力学与电子控制技术的系列研究，其研究成果有助于相关新产品的问世或改进。福州大学还对轴向运动弦线横向振动控制进行了多种控制方法的研究[43-46]，其成果可用于指导相应产品的开发设计。

4.3 研究不足与展望

迄今，还没有系统地将机械动力学及其控制的研究成果应用于产品开发与产品的更新换代中。目前，国内急需高精尖机床的开发技术与动态分析优化技术等。我省目前是工程机械大省，但还不是强省，进一步提高相关产品性能与可靠性，仍然需要开展大量的工作。我省的工程机械产品的更新换代（如集成优化、计算机智能控制等）、工程机械新产品开发设计与分析、汽车整车集成优化与设计分析、新型汽车电子控制系统开发设计、高速设备性能分析与改进、机械设备计算机智能故障诊断、微型机械产品开发设计等等，均以力学的分析研究为其成功的关键。

为改变这个落后局面，尤其是海西经济建设中更好发挥力学的作用，需要政府、企业、高校等投入更多人力物力，更积极主动地对重要机械产品、大批量生产的机械产品与汽车等开展机械动力学分析研究，对相关进口软件进行二次开发或早日开发出自己的专用机械动力学分析软件，以提高企业的产品开发能力与开发速度。同时增强完善实验能力与手段，实现对重要机械产品开展动力学特性实验，以确保产品性能稳定与可靠性。积极利用国内外的动力学研究成果，开展重要设备、大型设备、危险设施或设备的动态故障诊断研究，确保这些设备、设施安全可靠高效地运行。

5细观力学

细观力学是固体力学的一大分支，即采用连续介质力学方法分析具有细观结构的材料的力学问题，是固体力学与材料科学的交叉学科，其发展对固体力学研究层次的深入以及对材料科学规律的定量化表达都有重要意义。

前几年我省在细观力学方面的研究进展不多，近几年来才有所发展。研究主要集中在PZT和PLZT铁电陶瓷的电致疲劳机理，微观电畴原位观测，应力、高温、腐蚀性环境介质等耦合作用下固体材料的微结构和变形断裂行为的演变规律等几个方向：

①根据铁电材料自发应变与自发极化不唯一性，以及晶界的不同取向，提出自发极化过程中材料能量密度是变形梯度和电位移向量的非凸函数，从能量角度出发，导出铁电铁弹材料的自极化稳定构形所应满足的必要条件，利用两电畴的Gibbs 自由能之差作为畴变方向的判据，由要求板的Gibbs 函数最小来确定畴变量的大小。②进行了PZT 铁电陶瓷四点弯曲试样在交变力、交变电场及机电耦合疲劳作用前后的微裂纹和电畴的观察，获得裂纹扩展与极化方向，加载类型之间关系。③发展了一种原位XRD观测电畴系统，对电疲劳过程中PLZT铁电陶瓷试样表面X射线衍射峰随疲劳次数的变化进行了原位观测。同时，利用SEM观察了疲劳前后试样的断口形貌，并系统地进行了电场特征和温度对PLZT试样电疲劳性能影响的实验观测。④基于Raman散射原理，建立原位观测电畴翻转的Raman测试系统，对三种不同预极化处理的PLZT试样在静电场作用、电循环作用下的裂纹尖端的畴变行为进行了系统研究；通过原位Raman观测PLZT材料在准同型相界附近的相变过程。⑤系统进行牛皮质骨在拉伸、剪切、撕裂三种载荷类型下的裂纹起裂韧性研究。研究了皮质骨中矿物成分对皮质骨动态粘弹性性能的影响，发现皮质骨中的矿物质成分存在将降低胶原纤维的可动性，增强材料的粘弹性特性。⑥对牙齿等生物复合材料的性能进行了研究，发现牙齿具有很明显的压电效应，压电性能与湿度和细管的分布密切相关。⑦研究在不同保护气氛中，不同退火温度对碳化硅纤维的材料断裂强度的影响，揭示了微结构的演变和宏观性能之间的相互关系。2004年3月29～31日，张颖教授于厦门组织召开了全国细观力学会议，清华大学，中科院力学所，浙江大学，同济大学，复旦大学等国内知名高校和研究所的众多教授、专家参加了本次会议。

细观力学和微纳米力学在全球、全国范围内正在迅速扩展和深入，具有多学科交叉的强烈特征，国际竞争非常激烈。我省学者在细观力学方面和微纳米力学方面的投入较少，今后应该在非线性，动态，多物理场，跨尺度、尺度效应，微纳米力学和器件等方面加大研究投入。

6实验力学

1991年，福建省力学学会成立了实验力学专业委员会。福建省力学学会实验力学专业委员挂靠福州大学土木工程学院。

为更好开展实验力学工作，经过多年多方面努力，我省实验力学条件不断改善。2006年6月福州大学“工程结构福建省高校重点实验室”被批准成立，2008年与台湾大学联合成立了“福建省海峡两岸地震工程研究中心”，2008年“土木工程本科实验教学中心”获批“福建省本科实验教学示范中心”。2008年福州大学土木工程学院实验中心拥有土木综合实验馆、工程结构实验馆、岩土及地下工程实验馆、水利工程实验馆等场馆，总面积超过1.7万多平米，现有仪器设备总价值超过6000万元。其中装备的美国MTS大型结构加载系统价值超过1280万元，共有7个作动器，具备静载全过程、疲劳、多维拟静力和多维拟动力试验功能。此外，正在建设的“福州大学地震模拟振动台三台阵系统”（价值2500余万元）包括三个振动台，其中中间为固定的4m×4m水平三自由度振动台，两边为2.5m×2.5m可移动的水平三自由度振动台各一个，三个台在12m32m的基坑内呈一直线布置，其中边台最大可移动距离10m，可实现多台同步或异步地震输入，拓展了地震模拟实验的空间，该台阵系统将于2009年12月全面建成投入使用。该台阵系统的建成将使福州大学成为目前世界上少数几个拥有地震模拟振动台台阵的单位之一。

7结构力学

结构力学是土木工程专业的专业基础课，涉及建筑工程、结构工程、道路工程、桥隧工程、水利工程及地下工程等。一方面它以高等数学、理论力学、材料力学等课程为基础，另一方面，它又成为钢结构、钢筋混凝土结构、土力学与地基基础、结构抗震等专业课程的基础，在基础课和专业课的学习中起着承前启后的关键作用。

为增强基础教育并提高结构力学在工程中的应用，自上世纪90年代初，我省高校兴起结构力学教学法研究热潮，把结构力学教学改革推向新的高度，对教学内容进行了模块结构改革，将结构力学教学内容归纳为基础型、扩展型和研究型模块。使用高等教育出版社出版的由龙驭球、李廉锟等教授主编的统编教材的同时，在结构动力学部分，融入结构抗风、抗震、车激振动等学科前沿知识，增加了隔震结构动力反应的内容，补充和修正了传统教学内容中关于“伴生自由振动”的相关结论，实现了与学生原有知识的有机融合；有两项重要教研成果：阶梯形变截面梁“图乘贴补简化”计算方法和刚架拱“考虑二阶效应影响线”问题引入课堂讨论，更新了教学内容。

上世纪90年代末，我省结构力学平面教材和多媒体立体化教材建设取得突破，先后出版了《结构力学解题与思考》（陈，中国矿业大学出版社，1999。2007年该书由煤炭工业出版社修订再版）、《广义结构力学及其工程应用》（陈，中国铁道出版社，2003）、《结构力学》（祁皑参编，清华大学出版社，2006）等。

正如王光远院士所指出，结构力学学科呈现出“从狭义到广义，从被动到主动，从确定到不确定，并与结构工程渗透融合”的发展趋势。我国在力学领域的理论研究已位居世界先进行列，但在应用软件的研制方面落后了一大步，具有自主知识产权的应用软件寥若晨星。结构力学作为专业基础教育与国际先进水平接轨，体现现代结构力学教育思想；完善教学资源库建设，加强国际教学交流是当务之急。根据工科专业特点，面向能力培养、面向工程实践、面向信息时代、面向一流水准，应是我省结构力学研究与教学所追求的目标。

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课题组成员：

1、严世榕，福州大学车辆振动与电子控制研究所所长、教授。

2、周瑞忠，福州大学土木工程学院教授（本文顾问）。

3、周克民，华侨大学土木工程学院教授。

4、许传矩，厦门大学数学科学学院教授。

5、王东东，厦门大学建筑与土木学院教授。

6、陈力，福州大学机械工程学院教授。

篇（4）

摘要： 计算流体力学可以模拟正在规划的城市建筑群的小气候的数值，也可以较为准确的预测城市规划方案使城市楼宇、街道的小气候即将发生的改变，从而在城市规划设计中趋利避害。本文简要探讨了计算流体力学在城市规划设计中的应用，希望能给大家一些借鉴学习之处。

关键词 ： 城市规划；设计；计算流体力学

中图分类号：O243；TU984 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）03-0096-02

作者简介：龚韩庆（1978-），男，浙江义乌人，工程师，本科，研究方向为城市规划。

0 引言

计算流体力学简称CFD，计算流体力学应用于城市规划设计中可以有效预测城市规划方案对城市楼宇、街区的小气候的影响，所以计算流体力学被越来越多的应用于城市规划设计，相对于一般的实验研究而言，计算流体力学具有应用成本低、计算速度快、周期短、效率高,可以任意模拟真实及理想的条件,计算流体力学后处理技术较完善,便于分析流体力学计算结果等优点。比如，在建设好的街道内存在风口，形成很大的局部风速，甚至可能直接对街区内的行人或者附近的建筑物造成影响。

1 计算流体力学在城市规划设计中应用的局限性

计算流体力学在城市规划设计中的应用存在一定的局限性，主要表现在计算流体力学必须要有准确的数学模型，并且在模拟数据中用离散化的方法处理数学方程时需要对流体力学计算中所碰到的收敛性、稳定性等问题进行分析，然而做的这些分析一般只对线性方程有效，对不是线性的方程则没有效果。而且计算流体力学受计算机内存、运行速度等计算机固有条件的限制，只有计算机的运行速度等硬件设施达到一定程度计算流体力学才会出现新的发展阶段。

2 计算流体力学的概念和在城市规划设计中的计算方法

计算流体力学的步骤为先确定了那些能够描述的连续变化的对象的流动参量的微分方程组后，然后采用计算数值的方法，通过离散化的方法用离散时间和空间的值来表示连续变化的参量，用代数方程组的形式替代微分方程组转，空间的离散位置可用计算网格上的节点来描述，最后流体运动特性是通过计算机求解这些离散的数学方程组来研究的，同时可以给出流体运动空间非定常或定常流动规律，这样的学科就是计算流体力学。计算流体动力学的工作程序建立体现物理现象或工程问题本质的数学模型就是模拟数值的出发点，就是要塑造体现问题每个量之间关系的微分方程唯一解前提及方程，寻找高精确度、高工作效率的计算措施，也就是塑造针对控制方程的数值离散化措施，比如有限元法和差分法、有限体积法等，编写程序和计算分析。计算流体力学涵盖了计算网格的划分、初始条件的导入和边界条件、假设控制参数等。在城市建筑物之间的空气流动为不稳定状态，并且建筑物的朝向、形态存在很多种变化、地形凹凸不一。所以，以准备流体力学计算对象的物理特性为基础，本文将进行CFD模拟的基本控制方程选取为k-ε双方程紊流数学模型，为适应规划设计中由于各建筑物地形、高度、形状等因素所产生的复杂网格体系我们采用贴体坐标系统。控制方程的通用形式为

方程中当q=1，表示方程的连续性；当q=u1，u2，u3，表示ξ1，ξ2，ξ（3曲线坐标）方向的动量方程；当q=k，表示紊动动能方程；当q=ε，表示紊动能耗散率方程，i，j=1，2，3，表示三维空间坐标的3个方向。式中Ui，J和Gij分别表示Jacobian速度变换矩阵、变换矩阵以及扩散量度矩阵。其定义分别为

方程（1）和（2）组成了整个求解区域小气候场的方程组。

3 对城市规划设计中应用计算流体力学典型案例的分析

为了探讨计算流体力学在城市规划设计中的应用，本文以某一个文化广场的规划设计为例详细阐述了计算流体力学在城市规划中的应用，希望能为大家更好的理解计算流体力学在城市规划设计中的应用。

3.1 计算流体力学的区域和网格 案例中进行规划的区域东边是一个已经规划好了的体育场，西边为一个山坡，南边和北边都已经盖好了建筑。根据规划区域的地形图和已有建筑的分布图可以生成一个计算流体力学的计算网格（如图1），这个规划设计中我们采用的是结构化的计算网格，该计算网格总共设置了68×67×31个计算流体力学的点，流体力学的分析计算范畴为1km×1km×50m。流体力学计算网格运用POINTWISE公司的计算流体力学网格生成软件包GRIDGEN生成。这个软件包是专门替流体力学的计算而编写的一种商业用途的计算流体力学生成网格软件，这个软件可以生成很多复杂形状的近体坐标计算流体力学网格系统，并且这个软件还能够比对优化生成的网格质量。因为流体力学的计算网格的繁琐性，流体力学的分析计算是比较麻烦的。这又是在城市规划设计领域应用计算流体力学的比较典型的案例。因为该案例的流体力学的计算区域非常的不规则，所以生成计算流体力学网格和计算流场将把工作重心放在解决不规则的流体力学计算网格所带来的一系列问题上，也就是如何控制网格的生成质量和怎么处理流体力学计算过程中由于不规则的计算网格所导致的和收敛性相关的问题。利用GRIDGEN这个程序同时通过该软件程序本身设置的简化算法，可以得到较高质量的流体力学计算网格；但是和收敛性有关的问题只能够以流体力学计算的求解程序为基础和使用者的经验来处理。在研究这个案例的过程中，我们运用拟不稳定状态的计算方法较快的收敛流体力学计算。这个方法就是从非稳态的算法开始以更深的研究稳态的问题，在一定的时间范畴内，进行N次的迭代，从而使得较为复杂的流动难题能够快速稳定的收敛于它的解。在流体力学计算领域，拟不稳定状态的计算措施是使流体力学计算得到收敛的一个行之有效的措施。

3.2 流体力学计算边界条件 在计算城市规划设计流体力学过程中确定适合的计算边界条件为流体力学计算运用于城市建筑规划领域探讨的一个很关键的方面。在实际的流体力学计算过程中，计算的区域除了上空采用开放的适意流动的边界，地面和规划区内建筑物表面采用固体的表面边界，其它4个方向的边界取值也将对流体力学的计算区域有较大的影响。因为规划区外已经存在的建筑物会对流体力学的计算存在一定影响，东南西北4个方向的边界条件的取值非常复杂。在本文的探究中，因为是简单探讨计算流体力学在城市规划设计中的应用，所以我们采取的是最简单的方式来设定流体力学计算的边界条件值。以某一些原则为依据，而且经过整理分析规划区域本地的气象文件资料，我们明确选取风向频率较高的北风和东北风作为流体力学的计算前提，选取的风力的大小会影响人群的生活、当地每年都会出现的10米每秒的风速作为导入的风速，并且不考虑城市规划区域外已经存在的建筑物对流体力学计算边界条件的影响。竖直方向的阶梯风也会影响流体力学的计算结果。本次研究采用的流体力学计算边界条件如下：地面和已有建筑物的表面为固定墙壁；天空为自由的流动边界，也就是滑移的界限。分析东北风的工况时：东面和北面为10×0.714m/s的风速入口，风向为东北方向时，南、西面为自由的出口边界。

4 结束语

综上所述，计算流体力学为城市规划设计做出了很大贡献，CFD很大程度上使城市规划设计更加合理，所以流体力学计算在城市规划设计中的运用会更加普遍，我们需要经常地了解总结流体力学计算在城市规划设计中的运用的经验，不断地对流体力学计算技术加以完善，使其更好地为城市规划设计做出贡献。

参考文献：

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中图分类号:TD743文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)10-0188-02

一、概述

由于裂隙岩体内部构造的复杂性和多变性,给注浆理论研究带来了很大的困难。浆液在裂隙岩体中的流动规律、扩散范围、浆液扩散压力以及注浆加固体强度和变形特征等与裂隙岩体几何形状、空间分布特征和空隙度特性等有密切的关系。

目前,人们研究浆液在构造面中流动和在孔隙中渗透扩散时均把浆液简化为与时间无关的牛顿流体,而绝大部分浆液属非牛顿流体的时变性宾汉姆流体,这就导致了注浆过程中的理论计算与实际相差太大。

在裂隙岩体中注浆,是长期以来尚未解决的技术难题。研究宾汉姆流体在裂隙岩体中渗透扩散过程 (运移规律)及渗流机理对注浆加固工程的设计和注浆效果预测等有重大的理论指导意义。

二、研究现状及存在的问题

(一)研究现状

随着注浆实践发展,目前已发展的注浆理论有渗透注浆理论、劈裂注浆、压密注浆、电动化学注浆、低渗透介质注浆理论。但由于浆体运动是隐蔽于地下复杂性的地基构造中,且缝隙分布又难于模拟,因而理论方面的研究相对滞后于实践。

注浆理论是借助于流体力学和固体力学的理论发展而来的,对浆液的单一流动形式进行分析,建立压力、流量、扩散半径、注浆时间之间的关系。传统的注浆工艺是以“渗入性理论”为基础,注浆时只采用相对较低的注浆压力,使浆液在孔隙或缝隙中扩散时不致破坏岩土的原有结构。

渗透注浆是指在压力作用下使浆液充填土的孔隙和岩石的裂隙,排挤出孔隙中存在的自由水和气体,而基本上不改变原状土的结构和体积 (砂性土注浆的结构原理),所用注浆压力相对较小。代表性的注浆理论有球形扩散理论、柱形扩散理论和袖套管法理论。

球形扩散理论虽然考虑了浆液性质随时间变化对渗透规律的影响,但仍然把浆液简化为了牛顿流体,这也正是他们的不足之处。

柱形扩散理论和袖套管法理论研究中,仍然把浆液简化为了牛顿流体,没有考虑浆液性质随时间变化对渗透规律的影响。

查阅国内外大量文献资料发现,在目前的渗透注浆理论研究中,人们多是把浆液简化为牛顿流体,而且没考虑浆液的时变性,没有任何一个公式能真正准确地反映出浆液在多孔介质中的渗流规律,这些公式各自存在着某些缺陷,甚至与实际之间相差很大,公式的结论多为指导性的,因此,大多数注浆工程报导或论文中,只介绍注浆工艺过程和注浆效果,很少进行注浆理论的分析研究。因缺乏完善的理论指导,影响了注浆效果和技术经济指标的提高,造成人力物力的许多浪费。

(二)存在的问题

1.大多浆液为非牛顿流体,而目前的理论研究中均简化为牛顿流体。

2.在注浆过程中,浆液的性质随时间而变化,而目前的理论研究中视浆液的性质与时间无关。

目前,人们研究浆液在构造面中流动和在孔隙中渗透扩散时均把浆液简化为牛顿流体且与时间无关,而绝大部分浆液属非牛顿流体的宾汉姆流体,且具有时变性,这就导致了注浆过程中的理论计算与实际相差太大,甚至是荒谬的。理论研究落后于工程实际需求,尚需进行研究的方面有:浆液流体力学及其本构方程、浆液在多孔松散介质中的渗透扩散规律、多孔松散介质的渗透力学模型、多孔松散介质的空隙度特征、浆液的充填机理、注浆加固的力学作用、注浆基本理论与观念、注浆工艺等。

3.注浆设计随意性太大,注浆效果难以估计。注浆方法主要是压入法,浆液在压力差的作用下从注浆孔向岩体裂隙内扩散,其扩散距离 (常称为扩散半径)决定着注浆孔的布置和浆液消耗量,也是选择工艺参数、评价注浆效果的重要依据。但浆液在裂隙岩体内的扩散过程是隐藏的,目前还不可能在施工中对这一过程进行监测,这样,浆液的扩散距离只能靠理论或经验公式计算。而现有的计算浆液扩散距离的理论公式还远未成熟,实用价值有限,经验公式又往往是针对某些特定浆液 (主要是化学浆液)总结的,不具有普遍意义。因此,目前在裂隙岩体中注浆还没有可靠的预先确定浆液扩散距离的方法。

由于这一理论缺陷,给裂隙岩体注浆带来了如下问题:(1)注浆工程的投资和效果难以预计。当工程目的明确、场地条件清楚时,由于浆液的扩散距离不能预先准确确定,钻孔数量和材料消耗量的预算便没有依据。如果凭经验或工程类比法确定了钻孔数量和材料消耗量,则在这些工程量完成之后所能取得的效果又难以准确预计 (如注浆帷幕是否已形成要求的封闭条件),这样,在方案论证阶段,难以将注浆法与别的方法作对比。由于这一原因,注浆法的应用受到了一定程度的负面影响。国内矿山帷幕截流技术的推广中便遇到了这一问题,国外有些水利工程的业主也是因为这一原因而不愿进行坝基注浆。(2)确定孔距、浆液配比和注浆压力时的随意性太大。许多工程都需要通过多孔注浆,且要求注入的浆液能形成连续、稳定的胶结体。这时注浆孔的距离必须依浆液的扩散距离而定。当地质条件一定时,浆液的扩散距离又主要取决于浆液的性质和注浆的工艺参数。因此,孔距应该根据所选用的浆液在允许压力和时间内可能达到的扩散距离来确定。但在目前的注浆设计和施工中,注浆孔距和注浆材料都主要是凭经验确定的,这样便很可能因孔距太大或太小而出现工程质量问题或投资上的浪费。

三、结论

1.部分学者已验证了裂隙岩体结构面的分布具有统计意义上的自相似性,因此,裂隙岩体结构面分布应具有分形特征,并可计算出其分维数。

2.岩体的分维数可以反映出岩体的破碎程度、节理发育程度、可灌性。而裂隙岩体的这些特征又严重影响着注浆扩散规律及注浆效果,因此可以尝试将分形理论应用于注浆工程,用裂隙岩体结构面的分维数来定性的确定注浆参数。

3.工程岩体往往被节理和结构面所切割形成明显的节理岩体,具有明显的不连续性,用离散单元法可以得到较好的处理,因此,可以将分形理论与离散元方法相结合,模拟出浆液在裂隙中扩散的真实情况。

参考文献

[1]葛家良.注浆技术的现状与发展趋势[J].矿业世界,1995,(1).

[2]杨米加.注浆理论的研究现状及发展方向[J].岩石力学与工程学报,2001,(6).

[3]李长洪.碎裂岩体注浆理论及应用研究[D].北京科技大学,1999.

[4]谢和平.分形―岩石力学导论[M].北京:科学出版社,1997.

[5]徐光黎.岩石结构面几何特征的分形与分维[J].水文地质工程地质,1993,(2).

篇（6）

关键词:弹塑性力学;研究生;教学;方法

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

中图分类号:G42 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)27-0186-01

工程技术人才必须具备坚实的力学理论基础[1-2],而弹塑性力学是力学理论体系的重要环节,是高等工程类人才知识结构中必不可少的部分。对研究生而言,弹塑性力学是工程技术基础学科,是工科院校工程力学、土木工程等专业必修的一门课程。大土木工程专业,特别是港口、海岸及近海工程专业硕士研究生的研究方向一般是港工结构、海洋结构、岩土、岩土与结构相互作用等方面,其实这些方向都要以弹塑性力学的知识为基础,也可以说它们本身就是弹塑性力学的内容[3]。因此,学好弹塑性力学为相关专业的研究生从事研究工作打下坚实的基础,对他们的研究工作具有重要作用。

作者已从事弹塑性力学这门课程的教学工作多年,深感学生学完这门课程后却不知如何或不能很好地将所学的理论知识应用实际工程或自己的研究工作当中去。本文就研究生弹塑性力学课程的教学方法进行探讨。

教学方法探讨:

①结合岩土力学或岩土工程进行

关于弹塑性力学的研究是从英国科学家虎克与1678年提出的固体材料的弹性变形和所受的外力成正比的虎克定律开始的。而关于固体材料塑性变形的研究是从法国科学家库伦于1773年研究土力学中土壤的剪断裂,提出了最大剪应力理论开始的;屈雷斯卡又把最大剪应力理论引用到了金属的塑性变形研究中,并于1864年提出了最大剪应力屈服条件。可看出,塑性力学起源于土力学。岩土特别是土,是一种塑性特性很强的一种材料,其物理力学性质特别复杂,具有不确定性、区域性和影响因素众多等特点。而岩土与桩等结构的相互作用就更复杂了。所以,在讲授研究生弹塑性力学课程时,结合岩土力学或岩土工程进行是较好的一个方法。

②结合ABAQUS软件进行

ABAQUS是一套功能强大的工程模拟有限元软件,解决从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。拥有各种类型的材料模型库,可以模拟典型工程材料的性能,其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。ABAQUS除了能解决大量结构(应力/位移)问题,还可以模拟如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析(流体渗透/应力耦合分析)及压电介质分析等广泛的工程领域问题。

ABAQUS采用最先进的有限元技术,可以分析复杂的固体力学结构力学系统,特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题,具有独特的系统级模型分析能力。ABAQUS不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析,同时还可以做系统级的分析和研究。ABAQUS 以其优秀的分析能力、模拟复杂系统的可靠性而被各国的工业和研究中所广泛的采用。

ABAQUS拥有者丰富的岩土相关本构模型,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,从上面的模型可以看出ABAQUS有着强大的岩土本构,因此非常适合于岩土工程研究,可以考虑固结、渗流、稳定、开挖、填方、(温度、应力、渗流等)耦合、地震分析等众多问题。

所以可看出,ABAQUS是国际上非常著名的一款大型通用软件,且在处理非线性问题方面功能特强大,还能很好地处理岩土工程问题。因此,在讲授研究生弹塑性力学课程时,结合ABAQUS进行不失为一个有效的好方法。在使用ABAQUS时,可根据不同的需要选用不同的岩土本构模型,计算完成后,可在后处理中得到任意形状物体中任意点的应力、应变数据,进而进行综合分析。

③岩土的弹塑性力学实验

由前面我们已知道,岩土是一种典型的弹塑性材料,受力过程表现出非常明显的弹塑性。因此,上课过程中的实验以土样作为实验材料是很好的。每个同学完成土样的三轴实验后要提交实验报告,报告中要绘出土样的应力应变曲线,以表征土体的弹塑性特性。

④基于ABAQUS软件的弹塑性力学数值模拟计算

这里是要用ABAQUS软件进行数值模拟计算,是一种弹塑性力学计算的实际操练。每个同学要结合一个实际工程进行数值计算,并要附有详细的计算过程和步骤、各类图件,还要进行结果分析。这一数值模拟计算是以大作业的形式布置给学生,学生交上来后老师要评分。

⑤编写合适的教材

选择合适的教材对上好弹塑性力学课程也是很重要的。考虑到没有适合作者所在的港口航道与海岸工程专业及课时要求的研究生弹塑性力学教材,特编写了该课程的研究生教材,即《弹塑性力学理论基础与工程应用》。

参考文献:

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力学学科形成了各具特色、实力雄厚的四个二级学科：流体力学、固体力学、一般力学与力学基础和工程力学。此外，生物力学是力学与生物、医学相结合的交叉学科，其中研究与人类心血管疾病成因及诊治相关的血流动力学是发展较快的领域之一，该方向属于当前国际前沿。

材料科学与工程是上海交大的传统优势学科，前身是冶金系，下设3个二级学科，其中材料学、材料加工工程被评为国家重点学科。

机械工程学科培养了数以万计的专业技术人才，拥有机械制造及其自动化和机械设计及理论2个国家重点学科，整个学科的实力都非常强大。

控制科学与工程学科以其科研覆盖面宽、综合实力强、人才梯队结构合理、培养高层次人才数量多、质量高而列居国内同类学科前茅。控制理论与控制工程、模式识别与智能系统2个学科从1987年开始就一直是国家重点学科。

创立于1943年的船舶与海洋工程学科，已形成了一批在全国乃至世界领先的优势学科，造就了一批以院士为核心的著名学科带头人，成为了我国学科门类齐全、综合研究实力雄厚、独具特色的船舶与海洋工程科研和教学基地，享有很高的学术声誉。

西安交通大学

机械工程学院是西安交通大学历史最悠久、实力最雄厚的学院之一，优势专业主要有机械制造及其自动化、机械设计及理论、机械电子工程等学科。

电气工程学院是我国高校同类学科中创建最早、学科设置最全的学院之一，历届毕业生中有近30人成为院士，应届毕业生一次性就业率非常高，学生知识能力强，颇受企业青睐。

能源与动力工程学院是西安交通大学的“品牌”学院，其能源动力学科实力强大，在全国都是数一数二的，拥有热能工程、流体机械及工程、动力机械及工程、制冷及低温工程4个优势专业，基本覆盖了所有能源类专业方向。该学院的学生毕业后一般都进入电力、能源等企事业单位工作，收入高。

管理学院在全国同领域非常知名，工业工程专业具备了工科的扎实基础和管理学的思维方式，颇受企业好评，出国率是同类高校中最高的。

电子与信息工程学院是涵盖电子信息领域几乎所有新兴工程学科在内的一个学院，通信工程、自动化、计算机科学等专业每年都备受Google等知名跨国企业的青睐。

北京交通大学

北京交通大学原本属于铁道部，现划归教育部，运输在全国排第一，源于和铁路的渊源，交大可以说是目前全国仅有的和铁路联系密切的学校，全校各专业几乎都和铁路相关，所以一些原铁道部企业最认可交大，交大每年有相当数量的毕业生会去这些企业。

交大的特色还在于和铁路的相关专业，比如电信学院的通信、信号，土建学院的桥梁、隧道，机电学院的车辆工程，运输学院的运输、交规、物流，经管学院的企管、会计等。

电信、经管很知名，每年报名人数很多。理学院也有很不错的学科。

西南交通大学

交通运输学院拥有交通运输工程国家重点学科，在地铁、物流配送、人机和环境工程、智能交通技术等方面拥有不可代替的地位。上海磁悬浮列车、长江三角洲之间的子弹头列车，这些先进的交通工具代表着未来铁路交通发展的方向，而西南交大正是在这方面有着优势。

电气工程学院主要从事电气工程学科和电子信息学科的科学研究和人才培养工作，电力系统及其自动化是国家级重点学科，地铁主要是依靠电力能源运行，因此许多电气学院的学生被聘请到各地铁运营大市。电气学院的磁悬浮列车与悬浮技术研究所等重点研究所和实验室可是几块金字招牌，磁悬浮列车的研究国内第一，世界领先。

西南交通大学的前身是我国高校最早成立土木工程系的，现在的西南交大土木工程学院有国家重点学科桥梁与隧道工程学，国家级特色学科土木工程等优势专业，结合西南地形复杂的特点正在发挥着不可替代的作用。

北京航空航天大学

航空科学与工程学院是北航最有名的学院，下设飞机系、人机与环境系、流体力学研究所、固体力学研究所4个系所，支撑起了北航的学术高峰。

材料科学与工程学院的学生主要是和飞机、航天材料打交道，拥有大量省部委材料学重点实验室，如民航安全技术重点实验室等。材料科学与工程专业还是国家一级重点学科。材料不仅应用在航空航天领域，还可以广泛应用于建筑等民用行业，就业范围非常广阔。

能源与动力工程学院原名动力系，拥有一批获得国内同行业公认的高级学术带头人作为学院的师资主体。

宇航学院堪称航天人才的摇篮，有飞行器设计与工程、飞行器动力工程和探测制导与控制技术三个本科专业，课程设置的特点都是以“平台课方向课”的模式构建，大大拓宽了学生的知识面，提高了学生的适应能力和专业能力。

计算机学院是一个特别鼓励学生发挥自己的创新能力，展现自己才华的地方，其计算机科学与技术专业也是国家一级重点学科。

南京航空航天大学

飞行器设计是南京航天大学最著名的专业，也是历年学校招聘会上最受瞩目的热门专业，建有我国直升机技术研究方向唯一的国家级(国防)重点实验室，建有国内唯一专门从事航空智能材料与结构研究的航空重点实验室以及CAD中心、结构振动两个部门开放实验室。

飞行员专业是这个学校最牛的专业，学校与多家航空公司联合，对学生实行订单式培养方式，共有“31”和“22”两种招生模式，采取国内国外两部教学，如“31”就是学员前三年在国内校本部进行飞行专业基础理论知识学习和基本技能训练，第四学年派送到国外飞行学校进行为期一年的飞行训练，并取得中国民航总局认可的符合多发仪表等级要求的国外商业飞行员驾驶执照。

电气工程及其自动化专业虽然起步较晚，但发展十分迅速，且前景很好，拥有航空电源航空科技重点实验室，建立了中航一集团和中航二集团技术工程中心，相关研究领域在国内也具有重要影响力。

中国海洋大学

海洋环境学院是中国海洋大学最具海洋特色的学院，包括国家级重点学科海洋科学和环境科学，其中海洋学本科专业是“国家理科基础科学研究和教学人才培养基地”首批15个基地之一。

生物科学专业属国家级特色专业。生物系是山东省重点学科和国家生物学一级学科的重要组成部分。联合国教科文组织中国海洋生物工程中心也设在本系。

军事海洋学是海洋学与军事学相结合的新兴学科。它以军事作战需求为牵引，以海洋学的基本知识和研究方法为基础，研究如何利用海洋要素的变化规律为军事作战服务。

此外，中国海洋大学的水产、水产品加工及贮藏工程专业也是很具有优势的，是国家级重点学科；水产养殖学、海洋技术、港口航道与海岸工程、会计学等专业属国家级特色专业。

大连海事大学

大连海事大学的航海技术专业可谓久负盛名，实力非凡，1983年联合国开发计划署和国际海事组织在学校设立了亚太地区国际海事培训中心，1985年设立世界海事大学大连分校。

如果说航海学的是开船，那么轮机学习的就是如何修船了。轮机管理（轮机工程）专业现设有轮机管理和船机修造两个专业方向，属于国家级重点学科。由于这个专业自身的特点――工程部件精确度要求较高，所以对所招收学生的要求也是格外高。

法学院是辽宁省人大常委会立法顾问单位，其中海商法专业在国内同类法律高校中是首屈一指的，也是大连海事大学进校要求分数最高的专业。它培养的学生不仅要求具有扎实的英语和法学基础，而且还要求熟悉海运及相关业务，精通海商、海事法律，能够将所学的知识运用于实践中。

海事管理学科主要培养的是负责水上安全运输监督管理的专业人才，学生毕业后一般进入海事局、海上监察、港口监察等单位工作，是海上运输的第一道防线。

海上物流专业是解决港口运输、海洋运输的各种问题的学科，备受欢迎。

长安大学

公路学院是长安大学最好的学院，是我国公路交通建设行业学科最齐全、专业配套规模最大的公路交通学院。公路学院公路建设学科与技术学科均列入国家“211工程”重点建设行列，学院还是全国交通系统监理工程师、造价工程师、检测工程师和公路交通高新技术培训基地。

汽车学院也是长安大学很牛的学院，载运工具运用工程是国内为数不多的几个权威学科点之一，只有西南交通大学、北京交通大学可与之一争高下。学院有自己唯一的汽车高速实验环道和综合测试场，给学生们提供了很多实验机会，让学生在赏车、鉴车、试车的乐趣中发现和学习。

篇（8）

在中科院力学所，也许你会经常看见这位准点到三楼上班的忙碌身影。他，就是中国爆炸力学的奠基人与开拓者之一的郑哲敏。

从顽童到负笈少年

1960年，中科院力学所，一个小型爆炸成形实验正在进行。科研人员屏息静气，只听“砰”的一声，一块5厘米长宽，几毫米厚的铁板被单发雷管炸成一个小碗。大家欢呼雀跃。所长钱学森兴奋不已，拿着小碗给大家看：“可不要小看这个碗，我们将来卫星上天就靠它了。”

随之，在中国，一个新兴的专业就此诞生，钱学森起名为“爆炸力学”。其创始人便是钱学森的得意门生郑哲敏。

与爆炸力学结缘，并非刻意的人生规划。“我从过去走到现在，并没有什么清晰的路线。但有一点是确定的，那就是富国强民的愿望。”

冥冥之中，郑哲敏与力学似乎也有不解的缘分。郑哲敏出生于商人家庭，因为父亲在山东经营亨得利钟表，他小时候就喜欢拆表拆钟，摆弄各种光学仪器。

在郑企静童年的记忆中，二哥郑哲敏是一个活泼甚至有点淘气的顽童，并非一天到晚死读书，而是兴趣广泛，爱好音乐，最喜欢吹口琴、唱京剧。“他在家排行老三，点子多，是我们的领头人，一到冬天，他打来井水，撒在自家院子结成薄冰，他领着兄弟姐妹在‘人工冰场’溜冰，好开心。”

8岁那年，父亲与郑哲敏聊天，语重心长说道：“你长大以后不要像我一样做生意，要念书做学问。”他还教导郑哲敏，做人要诚实、实在，要凭实力。在父亲影响下，郑哲敏兄妹也都一生刚正不阿，一心向学，并学有所成。

1938年，郑哲敏读中学。期间因身体不好休学在家，父亲让他看《家书》。他学到了很多做人的道理，确立了做人的底线。家里还请老师教他学英语。郑哲敏自学了英文原版的欧几里得，书中严密的逻辑推理给郑哲敏很大的影响。他自此就迷上了数学、物理，并由此进入到科学的殿堂。“打那以后，成绩就好了，学习也很轻松。”

童年，有美好的记忆，也烙下了历史的阴影。日本侵华后，郑哲敏一家都生活在频繁轰炸的恐怖中。一次郑哲敏在路上捡子弹壳，突然遭到一个拿步枪的日本兵的追赶，他吓得一路狂奔逃命。从此，这一幕就成为他经常出现的梦魇。初中填报志愿时，郑哲敏就立下两个志愿：一是当飞行员，打日本鬼子；二是当工程师，实业救国。

1943年，郑哲敏中学毕业后考入西南联大电机系。郑哲敏有幸见到了梅贻琦等知名教授。虽然没有亲聆教诲，却受到潜移默化的影响。例如梅贻琦走路从不抄近路，按规矩办事，遵守纪律；联大有各种各样的集会，大家各唱各的调，科学和民主气氛很活跃；老师教书认真负责，一板一眼。“这些大师，在心中是一种榜样标志，一种人格的代表。”郑哲敏回忆道。

抗战胜利后，西南联大回迁，郑哲敏在北平（北京）清华大学机械系学习。毕业后，便留校做钱伟长教授的助教。1948年，经四级选拔，同时在梅贻琦、陈福田、钱伟长、李辑祥等人的推荐下，郑哲敏脱颖而出成为全国唯一的一名“国际扶轮社国际奖学金”获得者，赴美学习。

钱伟长为他写了留学推荐信：“郑哲敏是几个班里我最好的学生之一。他不仅天资聪颖、思路开阔、富于创新，而且工作努力，尽职尽责。他已接受了工程科学领域的实际和理论训练。给他几年更高层次的深造，他将成为应用科学领域的出色科学工作者。”

23岁的郑哲敏，背起行囊，负笈留学。他来到美国加州理工学院，师从钱学森先生，攻读博士学位，郑哲敏有机会聆听许多世界著名学者的课程或报告，尤其受钱学森所代表的近代应用力学学派影响很深：着眼重大的实际问题，强调严格推理、表述清晰、创新理论，进而开辟新的技术和工业。这也成为郑哲敏后来一生坚持的研究方向和治学风格。

他还接受冯卡门、钱学森等应用力学学派的思想精髓：应用自然科学的基础理论，探索工程基本规律，形成工程理论，进而产生新技术解决工程难题。

后，美国移民局取消了对一批留学生不得离境的限制，郑哲敏成为首批回国的留学生。离美之前，恩师钱学森为他送行。他请教：回国后干什么？钱先生说，国家需要做什么，你就做什么。不一定是尖端的，哪怕是测量管道水的流动也可以做。

1954年9月26日，郑哲敏从纽约乘船离美，途经欧洲辗转近5个月，于次年回到了阔别6年半的祖国。

半个世纪后，总有人问他“当时为什么回来？后悔过吗？”在郑哲敏看来，这不是个问题：“没有想过不回来。这是长在骨子里的东西。虽然美国物质生活很好，但感觉像浮萍，没有根的感觉。”

没见过雷管的书生到爆炸力学专家

爆炸的机理就是能量的快速释放和有效的控制。爆炸现象在自然和人类历史中经常出现，如宇宙大爆炸、战争轰炸等。爆炸力学就是研究爆炸能量的传播规律、力学效应及其控制方法与定量应用。在高速冲击和爆炸荷载作用下，固体材料流体化，有了新的材料特性，既是固体又是流体，既非固体也非流体。描述介质的新特性，传统的固体流体力学方程不够用了，郑哲敏花费近三年时间，深入研究爆炸力学新的理论，阐明基本规律。

爆破成形的小碗，就是最早的实验模型。在这之前，郑哲敏是连雷管都没见过的书生，但他心中一直谨记并践行着老师的话--“祖国的需要就是我的专业”，白手起家，着手研究。上个世纪60年代，利用爆炸成形研究，郑哲敏团队成功制造出高精度卫星火箭部件。

郑哲敏还接受判断地下强爆效应的科研任务，建立了流体弹塑性理论。该模型将爆炸及冲击荷载作用下介质的流体、固体特性及运动规律用统一的方程表述，堪称爆炸力学的学科标志，可准确预测地下强爆炸试验压力衰减规律。他和同事在山沟沟一干就是几年，为该项研究工作理论计算和数字模拟做出了开创性的工作。

1969年前后，郑哲敏和研究集体花了近10年时间进行穿破甲机理的研究，拓展了流体弹塑性理论，他提出用子弹打钢板的办法研究炮弹打装甲的规律，通过准确计算，能够让武器在精确的规定距离里打透相应厚度的装甲。

郑哲敏还在爆炸焊接理论和应用研究中，揭示了爆炸焊接机理，奠定了爆炸加工工艺的基础。产业部门就此开发出新工艺，形成中国人自己的技术。数十年后中国是全世界最大的爆炸加工国家，成为爆炸加工产品的出口国。

上世纪80年代，国家急需港口建设，又有产业部门找上门来。建港首先需要处理构筑防波堤下的海底淤泥层，如用挖泥船，需要挖泥、填石两步工序，不仅工期长，耗资大，而且形成回淤导致不安全。

郑哲敏提出：用炸药爆炸扰动淤泥，降低淤泥强度，堆石体靠自重作用下滑。这样，排淤和推填石料同时进行，提高了效率，工艺简单，工期缩短1/3，节约成本1/4。爆炸处理水下软基技术纳入国家规范，目前已经能够处理厚度30米以上的淤泥，成为无可替代的技术。

近些年来，郑哲敏还将爆炸力学研究应用于煤与瓦斯突出机理、纳米压痕标度、三峡三期围堰爆炸拆除等。

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二、教学团队带头人和骨干教师遴选

教学团队带头人作为团队的“领头羊”，引领着教学改革和科学研究方向，是教学团队的核心和灵魂。教学团队带头人除具备较高的学术造诣、创新性学术思想和良好的组织协调能力外，还应长期坚持在本科教学第一线，致力于课程建设，具备目光远大、胸襟开阔、善于沟通、甘于奉献等人格魅力，以学术精神、学术水平带动和影响团队成员参与团队的各项建设，促进学术成果的教学转化，吸引并带动一批有创新能力和突出发展潜力的中青年教学骨干，组建合理的教学梯队。教学团队成员除年龄和职称结构合理外，也需考虑基础知识、专业知识、实验设计实践环节、科学研究和工程应用等多方面人才互补。骨干教师遴选以本专业教师为主，但需跨学科、跨专业、跨院系，甚至跨地域吸收引进核心骨干成员。团队人员数量以8～15人为宜，其中包含3～5位校外专家顾问。团队梯队人员结构既注重基础和专业结合，也注重校内、外联合、基础理论研究和工程应用结合。

三、开展课程群教学改革

（一）课程群建设规划

精品课程建设在新一轮高校教学改革中具有带动主要课程群建设与改革、推动品牌专业立项与建设、开创院校办学特色等重要功能。教学团队以精品课程的建设目标和要求编制课程群建设规划,明确和制定课程群建设目标和任务,以及建设的具体措施与对策。精品课程有院级精品课程→校级精品课程→省级精品课程→国家级精品课程4级建设梯度。水污染控制工程和大气污染控制工程已评为省级精品课程，这两个教学团队力争将省级精品课程建设为国家级精品课程，同时以省级精品课程的建设目标带动环境工程微生物、环境工程原理、环境监测等重点课程申报校级精品课程。

（二）教学内容和教材

教学团队要理清不同课程在课程群系统中的逻辑关系，针对学生培养目标，规范基础课程、专业骨干课程和选修课程之间的教学内容分配、衔接等，突出重点,避免内容重复，统筹考虑各课程的学时、开课时间、实践环节内容与课时分配。抓好归属课程教学大纲执行与落实，规范归属课程讲义与教案，加强课程教学课件等方面建设，将该学科最新研究成果及时补入教学内容，定期修订与完善各门课程大纲内容、范围和要求。同时，对每门课程教学所选用的课堂教学、实验、课程设计、实习指导教材进行论证。教材建设是教学团队建设的一个很好载体，教材是教师和学生之间的媒介，是联系师生的纽带，也是教师合理利用教学资源、整理教学思路的突破点。现在高校使用的教材或多或少存在着内容陈旧、缺乏创新等问题，应尽量选用最新的“十一五”、“十二五”国家级规划教材和面向21世纪高校教材。对教材的选用既要考虑国内、外最新先进科技成果，又要考虑教材质量。另外，要积极组织力量主编或参编省部级以上教材，自编特色教材。总之，使教学内容紧跟科学文化以及经济社会发展步伐，做到与时俱进。

（三）教学方法和手段

教学团队建设中突出创新意识和团队进取精神。教学团队除了改革教学外，在教学模式和教学方法等方面也要进行积极改革和创新，将一些好的教学研究成果运用到本科教学，形成特色。比如，可以采用六步教学法、课堂讨论法、启发式教学法、案例教学法、直观教学法、比较教学法等进行课堂教学的不断尝试与探索。也可采用多媒体教学、实验教学、课程设计、双语教学、仿真教学、视频教学、网络教学、现场实训结合的“八结合”教学方法和手段，丰富教学内容，提升教学质量。

（四）科研和教学互补

教学团队及科研团队是伴随着高校的发展而产生的，两者密切联系、相互包容和依存。教学团队主要是针对本科教学提出的，是以提高教学质量、促进教学改革为主要任务，通过团队建设促进高质量人才培养;科研团队，侧重于以项目为依托，探索新知识、开发新成果等，目的是为学科发展提供创新成果和高层次人才。在教学型院校，教团团队应融合科研团队的作用和功能，高校教师既是知识的传播者，也是知识的创造者。优秀的教学团队建设应当与科研工作紧密结合；定期讨论本团队方向的前沿科学问题，申报科研项目；搭建实验平台，开展科学研究，实现科研反哺教学。

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1. 引言

散体材料结构是指由大量颗粒物堆积在一起形成的集合体。对颗粒物质性质[1～2]的理解与研究对于全球工业与经济的发展有极大的好处。此外，沙摸化、泥石流、雪崩、山体滑坡等自然灾害的形成与发生也与散体颗粒物质的性质有密切的关系，了解散体材料结构的特性，对于这些自然灾害的防治也有一定的指导意义，因此，先对散体结构的特性介绍如下。

图1自组织临界性现象

图2碎石颗粒堆的一段荷载和位移的关系线

2. 自组织沉降现象

自组织沉降现象是散体材料结构从一种平衡状态到另一种平衡状态的过程中，颗粒堆会发生崩塌沉降、颗粒堆密实度增大，孔隙变小的现象，这个过程我们称为一次自组织。自组织沉降现象广泛存在于自然社会中的一种现象，如雪崩、地震、泥石流、滑坡等都可以认为是自组织沉降现象。最常见的例子是沙堆演化，在一处很平的地面，往上面缓缓的堆沙，每次只加一粒沙子，在最初落下的沙子就停在原地，当我们继续加沙粒时，沙堆就会越来越陡。当出现再加上一粒沙子时就有可能使部分沙粒发生滑落，从而又可以继续加沙粒，这就是一次自组织沉降现象，往复循环。由图1可见在沙粒将要发生滑落的时刻就是自组织的临界状态。我们做如下试验：用钢板制作容器，内置碎石块，与位移计相连，在万能试验机上施加纵向荷载，得出荷载和位移关系曲线如图2所示，在该曲线波动一次都会有自组织沉降现象的发生。

图3巴西坚果效应

图4反巴西坚果效应

3. 颗粒分离现象

（1）上世纪30年代，巴西人在长途运输坚果时，发现装有不同大小坚果的容器经过长途颠簸，总是大的果子浮在上层，细碎的小果留在下面。根据常识，大而重的坚果在振动过程中受重力影响应当沉在下面，但事实却是大而重的坚果在振动过程中浮在上面，小而轻的果子沉在下面。散体材料在振动时小颗粒可以从大颗粒的间隙中掉下去，小颗粒在下方的支撑作用使大颗粒停留在上部如图3所示。这就是著名的“巴西坚果效应” （Brazil-nut effect），后来Breu[3]等人通过实验观察到：若在容器中下部装入小颗粒散体材料，上面装入大颗粒材料，受到振动后会出现小颗粒向上运动，大颗粒向下运动的情况如图4所示，被称为“反巴西坚果效应” （Reverse Brazil-nut effect）。姜泽辉[4]等人在竖直振动两种不同颗粒混合物的实验中，发现大而重的颗粒被夹在两层小而轻的颗粒之间，小颗粒一部分覆盖在上表面，一部分留在底部，被称为“三明治”式分离。我们也可以做个小实验，把一枚硬币投入一个糖罐中，然后上下有规律地摇动，会发现，钱币逐渐浮现上来，直到最后这枚硬币会浮在盐罐的最上层，蕴含颗粒物质的振动分离现象。

（2）在扫频仪振动台上做如下实验：采用四种大小不同的砂土颗粒： 0.5mm中砂，按不同的颜色分为7层，依据土工试验标准中击实试验的方法填装，填装高度15.00cm。以观测散体材料结构内部的变化情况。振动前如图5（a）颗粒分层明显，各层颜色单一；频率f=20Hz振动时间t=60s时颗粒级配严重破坏，各层颜色不再单一，出现移动的混乱现象，如图5（b）。散体材料结构在震动荷

载作用下出现了振动分离现象。

图5不同时间及频率试验现象

4. 拱效应

（1）拱效应是散体材料结构的独特行为。由于散体材料“散”和“动”的特性，使散体材料结构的物理性质介于固体和液体之间，并在二者之间转变。其内部应力分布也有别于固体和液体。由于散体材料是非连续性材料，所以由散体材料组成的系统内部的应力并不是连续分布的，而是形成链状结构的应力传播路径，通常称为应力链如图6所示。

图6散体材料结构颗粒的力传递模型

（2）当颗粒体系受纵向压力作用时，其应力易于改向，一部分力传递于横向，若有容器则表现为纵向压力大部分传递到边界壁，这是颗粒体系与均匀相固体不同的特性。颗粒体系的这种倾向是造成颗粒成拱及被堵塞的一个重要原因。形成拱的条件取决于输送颗粒物的管子直径与颗粒大小的比值、颗粒间及颗粒与管壁间摩擦力的大小，以及颗粒排列的紧密程度。

5. “颗粒物质”态

散体材料结构是一种特殊的结构，是散体材料颗粒堆积在一起形成的。颗粒与颗粒之间有孔隙产生。当这种堆积物受压时，颗粒先松动而后重新排列，孔隙变小，密实度增加。因此散体材料结构内部具有特殊的应力——应变关系和特殊的强度——变形规律。通常是一个自然的、非线性系统，颗粒与颗粒之间无粘性连结，没有变形协调的约束。它具有不同于固体和液体的独特性质，主要表现在：

（1）颗粒物质具有类似于液态物质的特性，即流动性，但比液态物质的流动性差。

（2） 颗粒之间只是在接触时，才有力的作用，颗粒之间存在压应力和剪应力，具有对边界面产生压力的性质，难以抵抗拉力，散体材料堆还具有压硬性、剪胀性。其规律比固态物质更为复杂。

（3）离散颗粒材料有异于固体、液体和气体的另一个例子就是是声音的传播。声音在固体、气体与液体中均能良好地传播。然而它在颗粒体系中却很难传播。因此有人称之为 “颗粒物质态”。

6. 谷仓效应

德国工程师詹森[5]发现粮仓中的粮食堆得很高时，底部收到的力不再随添加物的增加而增大的现象，他从连续介质力学理论出发，提出了一个模型定量解释了这种现象，即Janssen模型，颗粒与器壁的摩擦力使器壁负担了颗粒系统中“丢失了的重量”。Janssen模型表明，存在一个临界深度即特征长度 ，当堆积高度 时， 值接近于流体力学中的静水压力值而当 之时，即在颗粒层很深的地方，容器底部压力p趋于最大值，不再明显增加，如图7所示。这就是我们俗称的“粮仓效应”。 P.G .D eG ennesV[6]指出他没有考虑竖直应力在任意角度上的分量及假设了谷仓的每一处与颗粒接触都是接触的。但小颗粒条件下的janssen模型是正确的。

图7Janssen模型中的 P（Z）与静水压的比较图

7. 总结

从大量的资料及实验可以得出散体材料结构的特性：

散粒体材料结构的振动分离现象、物质

态特性、拱效应、自组织现象和谷仓效应对颗粒物质的运输、存放及散体材料对工程的应用提供了有力的理论依据。但颗粒材料的研究仍处于起步阶段，需要我们不断的努力探索。

参考文献

[1]蒋红英.颗粒介质传力特性及其在岩土工程中的若干应用问题[J].兰州大学博士论文，2005：1～25.

[2]蒋红英、厉玲玲等散体材料结构沉降与自组织现象分析[J]四川建筑科学研究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]姜泽辉，陆坤权，厚美英，陈唯，陈相君.振动颗粒混合物中的三明治是分离. 物 理 学报， 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.