《拉家常 说力学》作者的话与篇目

说来别见笑. 如果从1958年我从北京大学数学力学系毕业算起,混迹力学界已经50年了. 50年来虽然写过和指导学生写过不少论文,但直到接近耳顺之年,才真正认识到,写文章是 给人看的. 1987年,我受命于中国力学学会,出任综合性力学学术刊物《力学与实践》的主编. 为了改 进刊物,我曾经同我所从教的北京大学力学系的部分学生座谈,问他们看不看这本杂志. 他 们说看不懂. 这件事对我触动很大. 《力学与实践》是我国力学界一本发行量最大的杂志,其中的大多数文 章,却连本行业的大学生和研究生都看不懂,这说明杂志的文风存在问题. 进而一想,现在 学术界的确有一种把浅显的东西说得深奥难懂的趋向. 似乎写得愈是难懂作者的学问愈是高 深. 对这种情况,我回忆起在20世纪30年代学界有一则歌谣说：``深入浅出是通俗,浅入 浅出是庸俗,深入深出还犹可,浅入深出最可恶. '} 联想到我自己过去发表的有些论文,虽不一定够上``最可恶'但也面目可憎,不禁汗颜. 我 想,杂志应当办得深入浅出、为人们爱看,必须从自己做起. 为此,我便约了好友王振东教授共同写一些大学生容易看懂而且有趣的文章陆续在《力学与 实践》上发表,搞了一个专栏名叫《身边力学的趣话》. 几年下来,居然达到20多篇,由南 开大学出版社结集为《力学诗趣》. 这些文章影响所及,《力学与实践》后来收到不少作者同 样风格的来稿,大大丰富了杂志的内容. 有一回,我应邀到太原理工大学给学生做报告,到会的学生比我预计的要多出许多. 在报告 开始前、学生们嘈杂的谈话声中,我听到有两位说``这就是捞面条的那个老师'. ``捞面 条'指的是我的``捞面条的学问'一文. 后来还不断收到读者来信同我讨论我们文章中的问题. 这些使我意识到我们的努力收到了一点效果. 之后,同行和好友给我许多鼓励. 1997年我去香港访问,香港科技大学的余同希教 授说：``多写点这种文章,这比你写论文对社会的贡献还要大. ' 2000年,在大连遇到力学界的老前辈、中国力学学会前理事长钱令希先生,并向他索要墨宝. 他 当天就送我一幅条幅,以一手漂亮的行书写的是张继的《枫桥夜泊》诗,并在落款中附记云： ``唐诗寒山寺《枫桥夜泊》素为脍炙人口之绝唱,力学家武际可著有《力学诗趣》,书中曾就 夜半钟声句中概括之声音夜间传播之现象,以科学之美增益诗情画意之美. 谨志'. 这段话 指的就是我的``夜半钟声到客船'一文. 通过这一段写作实践,对什么是``科普'才算是有了一点真切感受. 有人把高技术,像纳米 技术、基因工程介绍给大众;有的把新产品,像可视电话、高清晰度电视介绍给大众;还有 的则是把科学技术中的新思想,像宇宙大爆炸、反物质等介绍给大众;更有的则是把奇怪事 物收集起来,像尼斯湖的怪兽、百慕大三角洲、UFO、神农架野人等等. 总之,见仁见智,不 一而足. 而我的体会是,科普是要把科学中最普遍的规律中的美阐发出来,以通俗的语言使 尽可能多的读者领悟. 科普不是猎奇. 它的真谛不仅是介绍,更主要的是挖掘和阐发、是研 究、是创新. 因此只有作者对科学深深热爱了,并且体味和挖掘出科学规律中的美来,才能 写出以科学美来感染人的文章. 科普的对象不仅是青少年、门外汉,而且可以是中老年和专 家. 钱令希教授对我的题词就是对我们在这方面努力的一种肯定、鼓励和概括. 在《拉家常 \ 说力学》这本小册子里收集的32篇文章,就是这些年来我写的科普 文章的一部分. 其中排在最后的三篇,与力学关系不太大,但涉及技术发展和科学 精神方面,也一并附在后面. 我眼下已经退休,将沿着这条路走下去,科普写作将变为我的主要追求和爱好. 希 望能够为科普做出更多贡献. 为了使读者理解这本书的大致内容,将它的目录列在下面:} 《拉家常 \ 说力学》的目录: 力学科普丛书序言 戴世强教授序 1.捞面条的学问 2.倒啤酒的学问 3.从土豆的内伤谈起 4.马尾为什么提不起豆腐来 5.洗衣机为什么老翻衣服兜 6.从肥皂泡说起 7.从窑洞的冬暖夏凉谈起 8.漫话高压锅 9.谈火的进步 10.钟表和力学的发展 11.灰尘为什么会扬起来 12.人类是怎样学会量血压的 13.被中香炉与万向支架 14.坐在大汽车的后排为什么比坐在前排要颠 15.从噗噗噔儿谈到非线性 16.甩鞭子为什么会响 17.从抽陀螺到惯性导航 18.从打秋千说开去 19.从麻脸的高尔夫球谈起 20.飞盘是怎样飞行的 21.飞去来器为什么会飞回来 22.《格列佛游记》的错误 23.跳蚤应当与人跳同样的高度 24.夜半钟声到客船------谈声音和波的传播 25.千锤打锣一锤定音 26.怎样制作笛子 27.公路交通事故 28.说热机效率话冷却塔 29.马路,是越宽越好吗 30.西方的放血疗法是怎么回事 31.从``腐草化萤'说起 32.谈镜子     

点阵材料夹芯悬臂梁在端部承受撞击的动力响应分析

利用非线性有限元软件ABAQUS分析了点阵材料夹芯悬臂梁在端部受刚性质量块撞击时的弹塑性动力响应,考察了刚性块质量和冲击速度变化时对梁端部最大位移的影响.对给定的刚性块质量和速度,考察了芯层的拓扑构型变化时对最大位移的影响,并对刚塑性理论解与有限元计算进行了比较,结果表明:当动载赋予结构的总输出能量与结构的最大弹性能容量之比较大时,两者给出的悬臂梁端部达到最大位移的时间及位移峰值比较接近.     

基于频域的挠性摆式加速度计表头参数辨识方法

鉴于挠性摆式加速度计表头频率特性的传统振动台测试方法存在低频和高频段的动态误差较大的缺点,给出了系统开路和闭合两种状态的电激励测试方法;在此基础上,针对挠性摆式加速度计表头参数的理论计算值和实际工作状态有一定的误差,研究并提出了基于频域的Levy法和山下法的表头参数辨识方法,并运用Householder变换解决了辨识过程中的病态问题.实验和辨识结果表明,电激励测试的方法更便于实验和在线动态测试,而且这种通过利用实测的频率特性来反推辨识表头参数的方法,有着很高的辨识精度和工程实用价值.     

厚度与加载速率对铁素体钢断裂韧性影响的SP压杆法实验研究

采用SP压杆实验方法,在常温下研究小圆薄片断裂韧性的厚度效应及加载速率对断裂特性的影响.实验结果表明,随着厚度的增加,断裂变形能增加,断裂部分的外表面因双向应力状态表现出微突起,微突起四周存在微小裂纹;随着加载速度的增加,断裂变形能增加,剪切断裂表面表现出从密集韧窝到韧窝连接成片特征.考虑试件变形过程中不同部分的能量耗散,从SP试件的整体断裂变形能得到试件的断裂韧性的宏观表达,断裂韧性随着厚度的增加而增加,随着加载速度的增加而减少.采用临界塑性断裂应变作为裂纹起裂判据,单位面积的能量耗散率作为裂纹扩展和失效判据的断裂模型,用有限元方法对SP压杆实验进行模拟,得到与实验结果比较相符的模拟结果.     

基于UKF的GPS/SINS伪距(伪距率)组合导航系统设计

采用位置、速度组合的GPS/SINS组合导航系统由于GPS各量测量之间的相关性,影响了组合导航的整体精度.为了提高组合导航的精度和可靠性,采用了直接利用GPS接收机原始测量信息伪距、伪距率的组合方式.UKF(Unscented Kalman Filter)是针对非线性模型的滤波方法,它避免了对非线性方程线性化的过程,具有较高的精度和较好的鲁棒性.将UKF滤波方法应用于伪距、伪距率的组合导航系统中,并将UKF与卡尔曼滤波和自适应滤波方法进行了仿真比较研究.实验结果表明,UKF位置、航向估计的精度都要优于卡尔曼滤波和自适应滤波,使整个导航系统具有更高的精度和可靠性.     

SVM在光纤陀螺仪模型辨识中的应用

针对光纤陀螺仪(FOG)的误差特性以及在惯性系统中的运用特点,提出了利用支持向量机的函数逼近的方法辨识光纤陀螺仪的输入输出模型.从惯性系统的角度,对光纤陀螺仪的输出信号进行滤波,从而较好地抑制传感器的噪声扩散,为惯性系统整体精度的提高提供条件.通过实验表明,SVM构建的模型能够较好地实现信号滤波功能,并与传统的标定模型进行对比,验证了在实时性要求较低的系统中,SVM模型的输出精度要优于传统的标定模型输出精度.     

几种变截面点阵承受面外压缩载荷的力学行为

增材制造工艺的出现使得轴向变截面点阵结构设计成为可能,变截面点阵的刚度、强度和稳定性等力学行为研究具有重要的工程意义。假定杆件横截面沿轴向呈双曲线或椭圆型变化,积分推导变截面对于杆件刚度产生的影响,在平衡方程中进行参数变换,推导出变截面对于杆件失稳特征值的解析解,并最终将椭圆型截面杆件应用于实际的金字塔点阵设计。最后引入了特征值算法和弧长法,前者证实了解析解的正确性,后者用于计算含几何缺陷的金字塔胞元后屈曲行为。解析解与数值方法均表明,对于相对密度较低的金字塔点阵,椭圆型轴向变截面杆件设计可以使得点阵刚度在基本保持不变的情况下,有效提高点阵等效压缩强度。研究结果可以为高性能变截面点阵的设计提供理论基础。     

基于H∞控制方法的AMD Benchmark主动控制结构的试验研究

针对结构主动控制系统中存在的模型不确定性问题,进行了H∞主动控制策略及实验研究,目的是使控制系统具有良好的鲁棒性.文中首先建立了AMD (active mass damper) Benchmark主动控制结构的试验系统,然后介绍了主动控制试验系统的工作原理,随后提出了基于H∞控制理论的主动控制方法,详细阐述了控制器中有关H∞控制权函数选取的过程以及控制器设计过程,最后通过试验验证了H∞控制器的有效性和鲁棒性.     

卫星导航接收机测试场景软件的设计与实现

为综合评定卫星导航接收机的各项性能,需在测试中模拟接收机的各种工作环境.该软件可根据用户需求,通过设定一系列的测试场景参数,模拟产生卫星星座、用户轨迹、观测数据、导航电文等数据,并可根据测试项目合理产生和控制各种误差,同时为满足特殊测试的需求,软件还提供对导航电文、天线模式等信息的编辑功能,为物理信号的产生提供数据支持,并为接收机性能指标的评定提供参考基准.经在建的用户机测试系统验证,利用本软件设计的测试场景,能够较为科学准确的评价导航型用户机的各项性能指标.     

我们的目标

钱学森先生是中国近代力学和航天事业的奠基人,也是《力学学报》的首任主编。 53年前,他在《力学学报》创刊号首篇《我们的目标》中倡导的:“我们希望力学学报的出版能更积极地推动我们的力学事业”, 已成为本刊成长和发展的指导思想。 在缅怀钱学森先生之际,我们将继续努力提高《力学学报》质量,促进力学工作队伍的成长和力学事业的发展,把本刊办成读者、作者和审者齐心协力、共同耕耘的园地。 为更深刻地领会钱学森先生思想, 本期重登了《我们的目标》, 以沉痛悼念《力学学报》首任主编钱学森先生。      

基于对偶法捷联惯导圆锥与划桨算法一般结果

首先,利用多项式拟合角速度和比力,得出任意子样数的陀螺角增量和加速度计速度增量的一般形式,进而经过一系列的数学形式的变换推导出了任意子样数圆锥效应补偿算法的通用形式;然后,介绍了对偶性原理.利用圆锥效应项与划桨效应项之间的对偶性,通过一个简单的数学方程便可得到任意子样数划桨效应补偿算法的一般形式.这两种补偿算法中的系数均可用计算机简单的计算获得,无需人工的繁琐推导.而且上述方法分析推导过程简洁明了.最后,根据对偶原理给出了划桨效应补偿算法三子样和四子样的精度仿真结果.     

基于双DSP的嵌入式导航计算机分布式系统设计

为了满足SINS/GPS组合导航系统的小型化、低功耗、低成本等条件,以及越来越高的精度要求,设计了基于双DSP和FPGA构成的嵌入式导航计算机分布式系统.该系统由TI公司TMS320C6701型和TMS320VC33型DSP芯片作为核心处理器,主要完成导航计算和在线滤波校正算法;由FPGA实现输入输出等外围接口,完成对IMU信号的采集控制和缓存、多串行口的扩展等功能.DSP通过外部存储器接口(EMIF)实现与FPGA的通信,可以一次以DMA(Direct Memory Access)的方式从FPGA中FIFO快速读取IMU以及GPS的数据,使得DSP能专注于导航计算;另外,导航计算和在线滤波校正任务在不同的DSP中完成,能有效提高系统的精度,更好地满足系统实时性要求.     

钛合金TC4材料热处理工艺对圆筒在内爆炸载荷下膨胀半径的影响

对采用两种不同热处理工艺的钛合金TC4材料进行了Hopkinson拉伸实验、圆筒爆炸实验和数值仿真,从而确定了两种不同热处理工艺的优劣并通过微观分析揭示了钛合金TC4材料微观组织结构对内爆炸载荷下圆筒膨胀半径的影响.实验和数值分析表明:采用双重退火热处理工艺的钛合金TC4材料具有良好的动态力学性能.在相同的加载条件下,经此工艺处理的TC4圆筒在爆轰产物未泄漏之前有着充分的膨胀半径,而且也不容易形成绝热剪切破坏.同时,给出的依据高速摄影照片确定筒壳断裂点的方法是切实可行的,获得的断裂时间与数值分析结果吻合.     

二维结构与声耦合声场问题的一种预测方法

对于二维结构与声耦合声场问题,本文提出了一种基于间接Trefftz方法的波数法,在该方法中,结构的位移和域内的声压响应分别用精确满足控制方程的与所求域大小无关的波函数通解和由外部激励的特解来近似表示.通过采用加权余量公式,强迫近似解在平均意义上满足边界条件,以此获得各个通解的系数,从而得到最终解.算例表明,波数法和边界元法的结果吻合得很好,并且在具有相同精度和收敛性的情况时,波数法比边界元法所需的自由度少.     

基于矩阵摄动理论识别结构损伤的筛选法

定义了结构有限元模型中的单元损伤识别参数,建立了基于矩阵摄动理论的结构损伤识别方程,结合结构损伤的特点,提出了求解损伤识别方程的筛选法,该方法可以避免优化方法和迭代方法在未损伤单元上出现的"伪损伤"现象.通过一架五跨平面桁架损伤识别的数值仿真结果,证明了该方法的有效性与优越性.     

罐内爆炸成型技术在修复结晶器中的实验研究

随着连铸生产的发展,易损件结晶器铜管的消耗越来越大,使用报废的铜管结晶器越积越多.为重复利用结晶器,采用罐内爆炸成型技术做修复实验.针对200×200规格的结晶器铜管修复选择参数为:导爆索间距t=20mm;导爆索距离铜管外表20mm;炸药筒长度依据铜管长度加100mm确定.依据方案给出具体实验案例,成型后的结晶器经过测量表明修复后的结晶器完全可以再次利用.尤其,为实现厂内、连续、方便的修复结晶器,提出在1kgTNT当量爆炸罐体内实现.实验表明结晶器可以实现厂内便捷修复.     

DNA分子链的初始高度及其压弹性的原子力显微镜研究

用接触和轻敲两种模式下的原子力显微术研究了空气中的DNA分子,探讨了成像模式对高度测量的影响,考证了DNA的初始高度.结果表明:文中所得DNA初始高度与理论值较接近.在参照DNA初始高度的基础上,通过检测DNA双链的弹性形变量,研究了DNA分子在直径方向的压缩性质.结果表明:空气中固定在云母表面的DNA分子具有很好的压弹性,在外力作用下DNA的径向形变可达到60%以上;当外力撤销后,其形变可以不同程度地恢复.分析了25段DNA分子上125个点的高度与成像力的关系,并由此初步估算了DNA分子的弹性常数.     

高层建筑横风向湍流脉动风压动力反应计算

根据湍流脉动压力的产生机理,从湍流理论的基本方程出发,根据Taylor关于湍流的"冻结"假定,导出了湍流脉动风压谱密度函数的解析计算公式.在分析过程中考虑了压力方程源项中全部"紊动-剪切"项的影响.若取用合适的湍流积分尺度,则由此公式得出的横风向脉动风压谱密度函数值与足尺观测数据相吻合,因此对以前的研究成果有一定的改进.由于在接近结构第一阶自振频率时,谱函数值仍处于较高的水平,因此根据湍流脉动风压谱密度函数计算得出的结构横风向风振动力反应位移值与加速度值均高于由日本规范等公式中规定的漩涡脱落扰力引起的反应值,而且推测随结构高度的增加这一影响也有增加的趋势.建议对此问题进行更深入的研究并在高层建筑结构设计时考虑这一差别的影响.     

数字相关法在超声应力信号处理中的应用

研究了数字相关法在超声应力检测中回波时间差的自动识别计算.采用数字模拟分析,对相关运算算法的可靠性进行了验证.分析了不同采样频率和相关窗口长度对相关计算的影响,并应用插值技术提高了时间差的计算精度.该方法对实验采集的超声纵波、横波及表面波的时间差分析均适用.通过对不同应力状态下采集的超声表面波信号的处理,得到了Q235钢中超声表面波传播时间差与应力的实验关系曲线,为超声应力检测奠定了基础.     

混凝土三维参数化骨料模型的创建方法

在混凝土细观结构试件的模拟中,为了降低骨料之间的相互排斥性,缩小骨料之间的空隙、提高骨料的含量、加快试件的创建速度,提出混凝土三维参数化骨料模型的创建方法。该方法充分利用骨料的参数方程,给出了骨料内外的判别方法,以及点到骨料的距离的快速计算方法和误差估计,可以有效地控制骨料之间的空隙,从而提高试件中骨料的含量。实验表明这是一个有效的方法,可以按二级配生成含不规则骨料体积达55%以上的试件,完全达到了实际混凝土的骨料含量要求,为对混凝土进行细观力学分析提供了创建数值模型的方法。