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范德华作用依赖的微纳系统力学行为
秦文, 寇泽普, 刘小飞, 张助华
 doi: 10.6052/1000-0992-24-019
摘要(114) HTML(29) PDF(33)
起源于量子和热力学涨落的范德华作用在自然界和人造系统中无处不在. 准确描述范德华作用对认识微纳材料及系统的力学行为及其精准设计尤为关键. 本文综述了依赖范德华作用的微纳尺度力学行为方面的最新研究进展. 首先, 简要介绍了适用于原子与分子体系的范德华理论, 如对势近似法、非局域范德华泛函、绝热连接涨落耗散定理和多体色散方法等, 以及适用于连续介质体系的解析、半解析和数值Lifshitz理论等描述方法; 其次, 梳理了范德华作用对二维材料、微纳机电系统等体系典型力学行为的影响; 接着讨论了范德华斥力、非单调范德华势阱、范德华扭转力矩、范德华翻转力矩、范德华屏蔽等新颖效应; 最后总结了范德华理论当前的局限和所面临的挑战, 并展望了未来的发展趋势.
螺旋度: 湍流研究中的关键角色
于长平, 胡润宁, 甘润园
 doi: 10.6052/1000-0992-24-018
摘要(268) HTML(78) PDF(88)
螺旋度与湍流的拓扑结构以及动力学演化过程密切相关. 本文首先详细阐述了螺旋度与流动结构之间具体的关联关系. 随后, 本文重点探讨了螺旋度在湍流输运中的作用, 以及与其他物理效应之间的耦合关系. 由于螺旋度对流动结构的表征作用以及对湍流动力学演化的重要影响, 本文随后简要介绍了螺旋度在湍流建模中的应用. 最后, 本文对当前的研究进展进行了总结, 指出了螺旋度与湍流相关研究的未来主要发展方向.
飞行器非线性振动试验与模型修正研究进展
王兴
 doi: 10.6052/1000-0992-24-011
摘要(252) HTML(37) PDF(121)
面向质量更轻、承载能力更强, 柔性变形更大的先进飞行器, 首先对其地面振动试验及使役过程中观察到的非线性振动现象进行梳理, 归纳出两类典型的非线性结构模型−局部非线性结构和分布式非线性结构, 对其基本概念进行了阐述. 随后, 从频响函数试验、纯模态试验、自由衰减试验等技术路径总结了非线性振动试验方法的研究进展. 最后, 根据两类非线性结构动力学方程的特点分别归纳了与之相适应的有限元模型修正流程及关键辨识方法, 展望了发展趋势并给出研究建议. 有望为未来飞行器非线性振动试验与精准建模提供有益参考.
电磁加载膨胀环试验技术的发展及应用
刘宗兴, 张春阳, 曹苗, 陈斐颖, 刘军, 李玉龙
 doi: 10.6052/1000-0992-24-010
摘要(177) HTML(87) PDF(42)
电磁加载膨胀环试验技术是实现高应变率拉伸加载的重要手段, 可实现应变率104 s−1量级的一维拉伸加载. 洛伦兹力作为一种体力均匀施加于膨胀环试样, 避免了面力加载的波传播效应, 且环形试样结构的特点避免了传统狗骨形试样末端夹持效应的影响, 因此, 电磁加载膨胀环试验技术被广泛应用于材料在高应变率下的拉伸力学行为研究. 本文首先介绍了膨胀环试验技术的基本原理, 回顾了膨胀环试验加载技术的发展历史以及应用于膨胀环试验的测试技术发展情况. 然后对电磁加载膨胀环试验技术的应用进行了综述, 梳理了该试验技术在材料动态力学性能、动态断 (碎) 裂行为、动态延性行为、高温绝热特性等方面的前沿研究进展. 最后讨论了电磁加载膨胀环试验技术在固体力学领域的发展前景与方向. 为从事材料动态力学行为试验技术领域的科研工作者提供较为系统的信息参考, 同时为那些对电磁加载膨胀环试验技术感兴趣的青年科研人员提供本领域系统全面的知识.
可编程多物理机制的力学超材料
SinhaP, MukhopadhyayT
 doi: 10.6052/1000-0992-24-012
摘要(463) HTML(77) PDF(134)
力学超材料是一种有别于传统力学行为的工程材料, 它源于人工可编程的微结构以及材料的固有属性. 在过去的十年中, 随着计算性能和复杂微观结构制造能力的巨大进步, 力学超材料已经吸引了研究人员的广泛关注, 因为它能够实现自然界中不可能出现的多重物理属性. 该领域迅速崛起的趋势之一是将材料行为和单元结构与其他不同的多种物理因素(如电场或磁场)以及温度、光或化学反应等刺激相结合, 从而扩大按需主动调制力学响应的范围. 在本文中, 我们旨在概述有关超材料的力学和多物理性质调制的相关文献, 重点介绍双能级设计的新兴趋势, 着重讨论力学超材料在关键工程领域应用中的巨大潜力. 本文对该领域的发展趋势、挑战和未来路线进行了系统深入分析, 涵盖实时可重构性和功能编程、4D打印、纳米超材料、人工智能和机器学习、多物理折纸/剪纸、活性物质、软物质和保形超材料、复杂微结构制造、服役寿命效应和可扩展性等概念.
AI for PDEs在固体力学领域的研究进展
王一铮, 庄晓莹, TimonRabczcuk, 刘应华
 doi: 10.6052/1000-0992-24-016
摘要(1785) HTML(281) PDF(1013)
近几年, 深度学习无所不在, 在给各个领域赋能, 尤其是人工智能与传统科学的结合 (AI for science, AI4Science) 引发广泛关注. 在AI4Science领域, 利用人工智能算法求解PDEs (AI4PDEs) 成为计算力学研究的焦点. AI4PDEs的核心是将数据与方程相融合, 并且几乎可以求解任何偏微分方程问题, 由于其融合数据的优势, 相较于传统算法, 其计算效率通常提升数万倍. 因此, 本文全面综述了AI4PDEs的研究, 总结了现有AI4PDEs算法、理论, 并讨论了其在固体力学中的应用, 包括正问题和反问题, 展望了未来研究方向, 尤其是必然会出现的计算力学大模型. 现有AI4PDEs算法包括基于物理信息神经网络 (physics-informed neural network, PINNs)、深度能量法 (deep energy methods, DEM)、算子学习 (operator learning), 以及基于物理神经网络算子 (physics-informed neural operator, PINO). AI4PDEs在科学计算中有许多应用, 本文聚焦于固体力学, 正问题包括线弹性、弹塑性, 超弹性、以及断裂力学; 反问题包括材料参数, 本构, 缺陷的识别, 以及拓朴优化. AI4PDEs代表了一种全新的科学模拟方法, 通过利用大量数据在特定问题上提供近似解, 然后根据具体的物理方程进行微调, 避免了像传统算法那样从头开始计算, 因此AI4PDEs是未来计算力学大模型的雏形, 能够大大加速传统数值算法. 我们相信, 利用人工智能助力科学计算不仅仅是计算领域的未来重要方向, 同时也是科学研究的人类曙光, 为人类迈向科学发展的新高度奠定了基础.
研究综述
小波数值方法及其在计算力学中的应用
杨兵, 王记增, 刘小靖, 周又和, 冯永固
2024, 54(3): 427-476.   doi: 10.6052/1000-0992-24-009
摘要(523) HTML(98) PDF(205)
摘要:
随着力学研究不断向多学科交叉、跨尺度关联及极端环境影响推进, 强非线性、强间断、多场强耦合、多尺度与复杂几何构型已成为解决各类力学问题定量分析所面临的共性特征. 长期的定量研究表明, 实现具有这类特征力学问题有效求解的核心之一, 是构建在多尺度情形、非线性因素作用下具有准确识别、定位、捕获以及分离各个尺度特征尤其是小尺度局部特征能力的数值工具, 这些能力包括大尺度低阶近似解与小尺度高阶微小截断误差的有效分离解耦. 而小波理论固有的多分辨分析和时频局部化特性, 以及丰富的基函数可选择性, 恰好能满足这一数学特征需求, 因此, 可为发展各类复杂力学问题的高效定量求解方法提供有效的理论支撑和丰富多样的技术途径. 基于这一事实, 本文对小波理论进行了全面探讨, 着重介绍了双正交多分辨分析的理论框架和常用小波基的构造方法. 在此基础上, 深入研究了有限区域上小波逼近格式的构建方法, 并系统阐述了各类基于小波理论的数值方法的基本原理、发展历程及其优缺点. 特别关注了近期出现的具有突出性能的几类新型小波方法, 并详细评述了它们在典型力学问题求解中的应用效果. 同时, 本文也指出了当前小波方法在复杂强非线性力学问题求解中所面临的挑战, 旨在为小波数值方法的未来发展及其在复杂力学与工程问题中的应用拓展提供有益的参考, 并为最终实现这些问题的高效、高精度普适定量求解提供新的视角和方法.
连接结构界面摩擦力学建模研究进展
沈民民, 杨晓东
2024, 54(3): 477-521.   doi: 10.6052/1000-0992-24-008
摘要(628) HTML(206) PDF(220)
摘要:
连接结构作为工业装备的核心部件之一, 是装备制造领域着重攻关优化的关键基础部件. 当前, 因连接界面的非线性、复杂性、不确定性等引起的跨尺度和多物理场复杂力学行为机理不明, 导致精准预测连接结构动力学特性和监测其动态服役性能存在困难, 成为制约精密结构动力学分析、高保真仿真、设计、优化和控制等问题突破的瓶颈. 然而连接结构应用广泛, 工程和技术人员对连接结构的机理及其多功能化有进一步的需求. 本文主要综述连接结构界面摩擦力学的解析建模、有限元建模以及实验系统, 并提出新型连接结构设计的发展趋势. 首先, 根据连接使役环境需求、工程存在问题及缺乏有效强度刚度预测理论, 综述了螺栓连接结构载荷类型及精准构建连接等效模型应用. 其次, 重点概述了连接结构界面摩擦的几类主流理论模型, 包括描述微/纳尺度分析连接界面多尺度物理行为和规律的本构模型、采用系统辨识理论和方法得到宏观界面力学响应的唯象模型、结合本构微观接触机理和系统辨识宏观角度的唯象学本构摩擦模型. 然后, 综述了以有限元方法为基础的连接结构仿真以及实验方法, 具体包括直接有限元建模、间接等效有限元建模、实验基准系统以及各向激励连接结构实验平台. 最后, 基于装备领域连接结构多功能需求, 提出“传静抑动”连接件以及轻量化仿生连接件的新型连接件设计思想.
液滴输运功能表面的仿生设计与制备研究进展
刘明, 陈少华
2024, 54(3): 522-562.   doi: 10.6052/1000-0992-24-015
摘要(564) HTML(98) PDF(107)
摘要:
液滴输运功能表面在绿色能源、医疗科技、新材料等领域具有重要应用, 例如雾中淡水收集、药物靶向治疗等. 自然界具有多种可实现液滴定向运输与定点转移的生物表面, 为液滴输运功能表面的设计与制备提供了绝美的范例, 已涌现出大量新颖的、巧妙的仿生设计研究成果. 本文首先概括总结了自然界具有自发输运液滴的典型生物体功能表面, 阐述了表征固体表面浸润性相关的基础理论; 其次, 综述了不同自驱动机制下液滴输运功能表面的仿生研究进展, 对比分析了不同功能表面的液滴自驱动机理及影响因素; 进一步分类阐述和分析了磁场、电场、温度场等外场调控实现液滴定向运输或定点转移功能表面的研究现状; 最后归纳总结了此类仿生功能表面在实际工程中的应用, 并对该方向的研究前景和发展趋势提出展望.
小行星撞击地球危害评估研究进展
党雷宁, 白智勇, 石义雷, 黄洁
2024, 54(3): 563-605.   doi: 10.6052/1000-0992-23-047
摘要(505) HTML(239) PDF(94)
摘要:
小行星撞击地球是人类生存和发展的潜在威胁之一. 行星防御是国际上近20年来兴起的热点研究领域, 也是我国重大安全需求. 小行星撞击地球危害评估是行星防御重要研究内容. 本文认为, 小行星撞击地球危害具有概率低、危害大、随机性的特点, 存在超压、热辐射、地震、海啸、全球效应五种危害类型, 危害评估有防御决策阶段、防御实施阶段、地面民防阶段三个应用场景. 本文总结了五种危害类型的研究现状, 从模型、方法与软件三个方面重点阐述了数值仿真与工程计算这两种危害评估手段的研究进展, 介绍了危害评估的输入输出与典型案例, 简要阐述了小行星撞击地球力学问题研究进展, 指出当前研究存在的不足, 并对未来工作进行展望.
页岩多尺度数字岩心及其应用
姬莉莉, 林缅, 江文滨, 曹高辉
2024, 54(3): 606-628.   doi: 10.6052/1000-0992-24-006
摘要(193) HTML(42) PDF(28)
摘要:
构建能完备表征岩石多尺度孔隙 (缝) 及基质结构的数字岩心是非常规油气研究领域的科技前沿问题, 也是页岩油气勘探开发的重要基础. 文章综合分析了国内外在表征页岩有机孔隙簇、多尺度孔 (缝) 结构和代表性单元体 (REV) 三个方面的研究进展, 在分析四川盆地海相页岩结构特征的基础之上, 提出了可完备表征其孔隙 (缝) 和基质结构的新方法. 最后, 将页岩数字岩心应用到多尺度孔 (缝) 结构对声学特性的影响和原位地层含气量评估方面, 为页岩储层评价和甜点预测提供了新的技术方法.
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