注重基础、立足工程、强化实践、融入模拟、激励创新——材料力学教学改革探索

材料力学是机械类、土木类和力学类等工科类专业的核心课程,课程秉承“强基础、重实践、融模拟、促创新”的理念;构建“融工程、融前沿、融思政”的教学资源与内容,夯实学生的力学理论知识,培养学生利用力学理论解决实际工程问题的能力,同时帮助学生塑造正确的世界观、人生观、价值观和职业观;将抽象的力学概念与三阶递进的课程实践融会贯通,培养学生的动手实践能力、探索精神和创新能力;将数值模拟技术引入课堂,初步培养学生利用数值模拟软件解决力学问题的能力。建立以传授知识为中心,以解决工程问题为导向,以创新实践为特点,以数值模拟软件为工具,以立德树人为根本的课堂。

非均质压电结构动力学问题的多尺度有限元法研究

基于多尺度有限元法,通过构造位移多尺度基函数和电势多尺度基函数将细观非均质信息引入到宏观响应中,同时引入耦合附加项考虑各坐标方向位移场间的耦合作用。所构造的多尺度基函数可以直接高效地双向传递粗尺度与细尺度之间的信息,使问题在宏观尺度上求解,降低计算消耗。数值模拟结果表明,与传统有限元法相比,采用多尺度有限元法求解非均质压电结构的动力学问题,在保证计算精度的同时,还具有较高的计算效率,为非均质压电结构动力学问题的数值模拟提供了一种有效手段。

泥石流模拟实验装置及虚拟仿真平台设计与应用

针对泥石流实验教学需求,该文设计了泥石流室内模拟实验装置用于模拟泥石流的启动、运移和堆积,基于数值模拟软件对实验数值建模和模拟分析,构建泥石流虚拟仿真平台。使用该实验平台对实际泥石流问题进行分析,验证了其实用性。该实验平台可用于地质工程专业学生的课程实验、课程设计、开放性创新实验和毕业设计,培养学生自主设计实验的创新能力和独立完成实验的动手能力。

新工科背景下“五位一体”土木工程创新型人才培养模式的探索与实践

土木工程专业是典型的传统工科专业,在新工科建设背景下普遍面临教育理念落后、课堂教学有效性差、创新培养方式单一、课程思政协同育人机制不健全等问题。吉林大学土木工程专业以价值塑造、能力培养、知识传授“三位一体”教育理念为统领,以培养符合科技发展和产业革命需求的土木工程创新人才为目标,系统设计“思政、课程、实践、竞赛、科研”五位一体人才培养模式,以“夯实基础、强化实践、激励创新”为原则构建课程体系,以“注重基础、融合前沿、聚焦工程”为指导建设课程内容,“以学生为中心”探索教学方法,通过“多要素课堂教学改革”“多方式协同创新能力培养”“多课程育人”推进土木工程创新型人才培养。

工程素养与创新能力培养导向下的“材料力学”教学改革与实践

工程实践能力与创新能力的培养是高等工程教育质量的关键。“材料力学”作为工科类重要的专业基础课,过往的课堂教学逻辑不能适应新型人才培养要求,教学改革势在必行。扭转传授知识为主的传统教学,探索“设计与实践结合”“理论与工程结合”的教学改革新方向。

“金课”视角下基于翻转课堂的《材料力学》课程教学改革与实践

基于教育部提出的避免"水课"、打造"金课"的新要求,对《材料力学》课程进行了教学改革,主要包括:前沿性、时代性教学内容和先进性、互动性教学形式的设计;学生解决复杂问题的综合能力和高级思维的培养以及多元化考核评价体系的建立。通过以上措施,打造"两性一度"的《材料力学》课程。

电机泥泵轴系系统扭振设计计算

文章基于研究轴系扭转振动设计电机泥泵轴系系统,介绍了计算轴系自由振动固有频率的传递矩阵法和计算强迫振动的动力放大系数法,并且深入研究分析机组强迫振动中的激振力。用FLUNET软件模拟计算泥泵叶轮的激振力,比较发现电机转子的激振力远远小于泥泵叶轮的激振力,因此,机组中泥泵的激振力起主导作用。通过设计轴系数据,比较轴系应力,选择最佳的设计方案。

叶片难抛光区域粗糙度对压气机性能的影响

研究压气机转子中叶片叶顶、叶根倒圆、下端壁这类难以自动抛光区域的表面粗糙度对转子气动性能的影响规律,旨在为叶片抛光加工表面粗糙度目标的制定提供指导.基于计算流体动力学(CFD)对跨音速转子rotor37进行气动计算,分析了98%阻塞流量工况不同转速下各部位表面粗糙度对转子的损失系数和出口总压的影响规律.结果表明,在设计转速下,叶片各部位的表面粗糙度增加均使转子损失增加,叶顶的表面粗糙度使出口总压升高,而叶根倒圆和下端壁表面粗糙度使出口总压降低;表面粗糙度15μm是一个转折点,大于15μm时表面粗糙度对气动性能的影响程度开始变大;下端壁表面粗糙度对性能的影响最大,在60%设计转速下,下端壁表面粗糙度使损失降低,但是在80%和100%设计转速下,则使损失增加.

含孔功能梯度压电材料板的力电耦合无网格伽辽金法

为提高含孔功能梯度压电材料板的计算精度,基于变分原理和功能梯度压电材料的本构关系、几何关系、边界条件等,推导出功能梯度压电材料的无网格方程,提出含孔功能梯度压电材料板的力电耦合无网格伽辽金法。求解含孔功能梯度压电材料板的力学问题,研究孔边环向应力分布及力电集中问题,讨论材料参数按某一方向呈指数函数梯度变化时功能梯度压电材料的力学响应,与ANSYS计算结果进行比较,数值算例结果表明本方法正确可行且具有较高的精度,可求解任意梯度函数的功能梯度压电材料问题。

高强混凝土双轴徐变数值模拟及试验验证

以均质连续介质为假设建立高强混凝土多孔介质徐变数值模型,分析不同双轴应力组合对徐变效应的影响,以获得高强混凝土在双轴应力状态下的徐变发展规律,同时开展高强混凝土双轴徐变试验论证.计算结果和试验结果均表明徐变系数和应力状态密切相关,双轴应力状态下混凝土徐变系数小于单轴应力状态,且竖向应力对徐变系数影响较大;在试验和计算条件下,180 d双轴应力状态的徐变系数分别为相应单轴状态的73%和90%左右.

基于MEMsFEM的功能梯度压电板力电耦合分析

功能梯度压电材料(FGPM)是一类材料特性连续变化的力电耦合材料.由于材料性能的不均匀性,相应的力学分析具有很大挑战.基于混合扩展多尺度有限元法(MEMsFEM)建立了FGPM力电耦合问题的分析模型.采用传统多尺度有限元法构造电势多尺度基函数,用扩展多尺度有限元法在不同坐标方向构造位移多尺度基函数,并通过引入耦合附加项考虑各坐标方向位移场间的耦合作用.多尺度基函数的构造可以有效捕捉材料的非均质性,由此可以在粗尺度上对问题进行求解,明显减少了计算量.最后通过数值算例验证了MEMs FEM的有效性和高效性.文中模型为功能梯度材料力学行为的数值模拟提供了有效途径.

基于伴随方法的叶片三维气动外形优化设计

在计算流体动力学的基础上,通过引入离散黏性伴随方法和基于径向基函数的网格变形技术,构建一种高效的叶片气动优化设计系统。利用此优化设计系统对跨音速转子Rotor37的叶片进行优化设计。研究结果表明:在近最大等熵效率工况点下,优化后叶片流道激波强度和流动损失有效降低,转子的总压比提高0.352%,等熵效率提高0.339%,质量流量提高0.362%。与传统的叶片优化设计方法相比,此优化方法能够显示分析叶片外形与目标函数之间的关系,并有效地降低优化设计时间。

基于网格变形的叶片多目标气动优化设计

压气机叶片的传统优化设计存在设计变量多和优化周期长等不足.为此,文中利用非均匀有理B样条基函数建立了转子流场网格自由变形参数化方法,并结合改进的拉丁超立方试验设计、Kriging响应面模型及NSGA-Ⅱ多目标遗传算法构建了转子叶片的气动优化设计体系.计算结果表明:在98%的堵塞质量流量工况下,优化后的叶片总压比提高了0.33%,等熵效率提高了0.83%;优化后压气机转子形状为前倾型叶片,提升了转子性能,降低了激波损失;与传统优化设计方法相比,文中优化体系的设计变量明显减少,缩短了优化设计周期.

基于OBE理念的地质工程专业实验教学探讨

应用型人才培养是我国高等教育的重要组成部分,随着国际工程教育认证的普及,应用型人才培养多以OBE理念为指导。地质工程专业是培养应用型人才的重要学科,专业实验教学是实践教学的重要环节,是训练学生解决工程问题能力的关键。为满足学生实验及运用实验解决问题的能力培养需求,对比分析了传统教学模式和OBE理念实验教学的区别及存在的问题,并探讨了OBE理念下实验教学改进方法。

裂隙介质渗流的光滑多尺度有限元法

针对材料的非均质、多尺度问题,提出了光滑多尺度有限元法。将该方法用于求解裂隙介质的渗流问题,采用双重介质模型进行模拟。利用初始时刻的全局细尺度解确定边界条件构造多尺度基函数,从而将局部非均质信息和孔隙-裂隙流体流动耦合的全局信息同时反映到多尺度基函数上,由此在粗尺度上获得精确解。光滑多尺度有限元将应变光滑技术引入到传统多尺度有限元中,简化了宏观矩阵的组装,克服了常规有限元计算刚度过硬的缺陷。计算结果表明:光滑多尺度有限元的结果与常规有限元的细尺度解有很好的一致性,并且比传统多尺度有限元计算效率高、精度好。

复合材料层合板的摄动随机Cell-Based光滑有限元

随机性是实际工程结构的固有特性,如何更真实地描述含随机参数结构的随机响应及统计特性,对工程结构的可靠性设计具有非常重要的意义。本文基于Cell-Based光滑有限元,采用四边形单元,推导了基于一阶剪切变形理论的复合材料层合板的光滑有限元公式,降低了网格划分要求,适应不规则网格,并采用离散剪切间隙有效地消除了剪切自锁;结合摄动法和随机场理论,导出了复合材料层合板的摄动随机光滑有限元平衡方程,并给出了结构随机响应数字特征的计算公式,求解了材料属性含随机性的复合材料层合板的随机响应问题,数值算例结果表明了本方法的有效性和准确性。

基于扩展无网格法的机电虚拟裂纹闭合法

为提高含裂纹压电材料断裂参数的求解效率和精度,基于扩展无网格理论,引入无网格辅助网格结合哑节点断裂压电单元,提出了基于扩展无网格法的机电虚拟裂纹闭合法,可很好地模拟裂纹尖端奇异性,简化求解过程,提高计算精度;并讨论了不同高斯点个数、不同裂纹长度对能量释放率计算结果的影响,与解析解和基于有限元法的机电虚拟裂纹闭合法计算结果进行比较。数值算例结果表明所提方法正确可行且具有较高的精度。

国产陶瓷活塞杆液压缸在白沙滩泵站输水总干渠扩建工程的应用

水利水电工程中的液压启闭机油缸一般都处于较为恶劣和复杂的环境中,因此对其活塞杆的防腐蚀、耐磨损性能要求很高,而传统的活塞杆表面镀铬工艺效果并不理想。简要介绍了陶瓷活塞杆液压缸可以实现高精度行程检测的结构特点、良好的耐腐蚀和耐磨损性能,以及国产陶瓷活塞杆液压缸的研发、设计和在白沙滩泵站输水总干渠扩建工程中的试用情况。

一种新型液压油缸在水利工程中的应用

本文指出传统的活塞杆表面镀铬工艺存在的问题,简要介绍新型陶瓷活塞杆液压缸的结构特点、耐腐蚀和耐磨损性能,国产陶瓷活塞杆液压缸的研发、设计以及在白沙滩泵站输水总干渠扩建工程中的应用情况。

裂隙岩体渗流的光滑多尺度随机配点法

针对非均质裂隙岩体的随机渗流问题,提出光滑多尺度随机配点法。其基本思想是基于稀疏网格随机配点法将随机问题简化为相应配点处的非耦合确定性问题,利用有限全局信息构造多尺度基函数,捕捉材料的非均质性和流体流动的耦合关系,引入梯度光滑技术组装粗网格单元相关矩阵,将小尺度非均质信息体现到大尺度上,由此在粗网格上对问题进行求解。同传统多尺度随机配点法相比,光滑多尺度随机配点法在组装粗网格单元相关矩阵时将研究区域的内积分转化为边界积分,无需求解基函数的连续形式及导数,简化了程序,并且使有限元系统得到一定程度的"软化"。数值算例结果表明:光滑多尺度随机配点法比传统多尺度随机配点法具有更高的精度和效率。