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doi: 10.6052/1000-0992-25-022
摘要
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在复杂非定常涡流环境中, 结构所激发的流固耦合模态可能与均匀来流下的模式显著不同, 并伴随丰富的力学机制. 本文结合作者团队多年在该领域的研究与实践经验, 围绕三类流固耦合现象——即圆柱流致振动、柔性薄板拍动以及生物游动/飞行——系统介绍了当前研究进展. 所述三类现象广泛存在于自然界及工程应用, 并涵盖了自激型和自驱型流固耦合作用. 首先, 本文梳理了结构在均匀流与复杂非定常涡流作用下的流固耦合响应模态. 研究表明, 来流涡结构可显著增强圆柱与柔性薄板的振动幅值, 诱发新的失稳模式; 而生物体则可能通过调整运动模式, 主动利用来流漩涡以实现更高效的推进性能. 进一步地, 本文分析了复杂涡环境下的流固耦合模态的可能应用方向, 包括提高流致振动能量俘获效率以及发展具备更强感知与决策能力的仿生机器人. 最后, 本文对当前研究的挑战与未来的发展方向进行了总结与展望, 以期为相关研究提供参考.
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doi: 10.6052/1000-0992-25-029
随着全球人口老龄化和慢性病的高发, 心血管疾病、肿瘤、糖尿病等重大难治性疾病已成为全球公共健康和社会经济发展的主要挑战. 其病理进程通常伴随着细胞外基质(ECM)的异常重塑与力学稳态失衡, 导致传统治疗方法难以有效逆转. 近期研究揭示, 结合材料学与工程学原理主动调控ECM的力化属性以精准介导细胞行为, 能够有效激活组织内源性修复从而显著促进组织再生. 该研究策略被称为力材料学, 即通过对材料进行主动设计, 利用力−结构−功能关系对生命系统的力学环境进行主动控制. 基于此概念, 本文提出从基质组学角度系统鉴定ECM的分子组成并解构其力学信息编码; 利用基质力生物学认识细胞-ECM互作机制并解析病理ECM“重编码”过程; 在深入认知和理解ECM力学微环境基础上结合基质力材料学的研究思路, 探索对异常ECM“去编码”与功能恢复的基质工程技术; 最终实现组织内源性修复的基质治疗目的. 具体而言, 本文在介绍ECM的组成与动态编码的基础上, 系统总结了异常ECM力学微环境的生理/病理变化, 着重提出并构建基于分子靶向与材料重建的基质工程与治疗新策略, 旨在为重大难治性疾病的干预和再生医学的发展提供新的理论依据和创新思路.
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doi: 10.6052/1000-0992-25-034
纳米流体力学是研究纳米甚至亚纳米尺度受限空间中的流体流动与物质输运规律的学科方向, 其并非宏观流动的简单尺度缩小, 而是由于主导作用力与边界条件发生改变, 从而产生了一系列新的现象与应用. 随着纳米技术的发展, 纳米乃至亚纳米尺度人工结构的可控构筑成为可能, 为系统研究极端受限条件下的流动输运行为提供了实验基础, 并推动了流体力学向微观尺度的拓展. 本文系统综述了纳米流体力学的基本概念、核心科学问题、实验研究方法及其主要应用方向. 首先, 本文阐述了极端受限流动与输运中的关键科学问题, 包括考虑界面滑移的管道流动、流动与输运的耦合机制、受限空间内的两相流模型, 以及连续介质假设在极端条件下的失效等问题. 其次, 总结了当前典型的纳米结构制备技术, 并归纳了针对极端受限空间流动与输运的实验表征手段, 并阐述了从连续介质、分子动力学到第一性原理等多尺度模拟研究方法, 以及在揭示极端受限流动机制中的作用. 最后, 结合上述科学问题, 讨论了纳米流体力学在流动减阻、绿色能源、化学化工、人工智能、先进制造与生命健康等前沿领域中的应用与影响. 纳米流体力学作为连接微观分子行为与宏观流动规律的关键桥梁, 正成为未来多尺度流体力学与交叉学科研究的重要支撑方向.
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doi: 10.6052/1000-0992-25-032
飞行器不确定性设计分析方法作为一种先进的飞行器设计范式, 为解决不确定性精确表征、量化传播与优化设计提供了系统的方法体系. 本文系统梳理了飞行器不确定性设计相关的核心概念与关键技术, 归纳了飞行器关键系统设计与重要环境条件预示涉及的不确定性问题. 在此基础上, 总结提炼了该领域的五个重要发展方向: (1) 高维不确定性量化与高效传播: 通过融合输入空间降维、函数表示稀疏化与低秩张量分解等技术, 构建自适应高维不确定性量化框架, 有效应对“维度灾难”带来的挑战; (2) 混合不确定性量化与高效传播: 构建兼容概率、区间、模糊、证据理论等多种不确定性类型的统一量化分析框架, 并结合代理模型与主动学习策略提升复杂多源不确定性问题的计算效率; (3) 多层级多保真度不确定性量化框架: 融合广义近似控制变量、自适应多指标随机配点等技术, 实现计算资源在不同保真度模型上的动态优化配置; (4) 基于不确定性的设计优化算法与框架: 将概率约束与鲁棒性度量统一到不确定性条件下的多目标优化与决策框架, 通过单层循环与解耦式优化策略, 实现性能、可靠性与鲁棒性的综合权衡优化; (5) 基于人工智能技术的不确定性设计分析: 以物理信息神经网络为核心, 融合物理知识与多源数据, 构建智能不确定性量化与优化框架.
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doi: 10.6052/1000-0992-25-027
金属激光增材制造技术具备实现复杂构件高效精密成形的核心能力, 目前已经在航空航天、国防、医疗等重要工业领域得到了成功应用, 然而, 其在高端装备中的进一步推广仍受制造缺陷问题制约; 制造过程中功率密度与冷却速率的波动易诱发热积累孔隙、 高应力裂纹等缺陷, 并对原位监测与质量控制提出了跨学科挑战. 本文综述了多维度检测技术体系构建, 梳理关键测试方法、技术的进展, 尤其光学、声学等主流传感技术以及多传感技术结合先进智能算法实现表面缺陷动态识别与内部缺陷特征提取的先进方法, 以及高速同步辐射成像等新兴手段为缺陷萌生、演化机制研究与检测方法探索提供了创新思路. 此外, 梳理了基于多源数据融合建立微观熔池行为与宏观几何精度的协同分析框架方法, 以及基于在线监测的质量控制方法等进展. 受限于多源噪声干扰、多物理场信息同步检测效率不足等问题, 缺陷在线检测精度、速率、效率亟待提高. 未来研究需聚焦多传感探测技术与机器学习的深度协同, 继续探索更高效的在线智能检测方法, 以及注重数字孪生驱动的全流程质量预测模型构建, 以期为解决增材制造过程中缺陷监测与成形精度、质量控制的共性问题提供可靠的解决途径.
2026, 56(2): 289-290.
doi: 10.6052/1000-0992-26-027
摘要:
2026, 56(2): 291-336.
doi: 10.6052/1000-0992-25-043
摘要:
微重力科学是空间科学与应用诸多方向的基础之一. 它不仅是全球科技领域的新兴重点, 也是国家太空科技竞争力的重要标志. 目前, 中国空间站全面建成, 国际空间站将退役. 中国空间站作为国家太空实验室, 将公开征集并实施千余项研究项目, 为我国微重力科学研究提供独一无二的实验条件和前所未有的发展机遇. 基于国家自然科学基金委员会第385期“微重力科学与技术的机遇与挑战”双清论坛, 本文总结了我国微重力科学与技术研究及空间站应用面临的挑战和难点, 梳理了近年来在微重力流体物理、微重力制造与空间技术、微重力生命科学与医工技术等领域取得的主要进展和成就, 凝练了微重力科学与技术领域未来5 ~ 10年所面临的重大关键科学问题, 探讨了前沿研究方向并提出学科发展建议.
微重力科学是空间科学与应用诸多方向的基础之一. 它不仅是全球科技领域的新兴重点, 也是国家太空科技竞争力的重要标志. 目前, 中国空间站全面建成, 国际空间站将退役. 中国空间站作为国家太空实验室, 将公开征集并实施千余项研究项目, 为我国微重力科学研究提供独一无二的实验条件和前所未有的发展机遇. 基于国家自然科学基金委员会第385期“微重力科学与技术的机遇与挑战”双清论坛, 本文总结了我国微重力科学与技术研究及空间站应用面临的挑战和难点, 梳理了近年来在微重力流体物理、微重力制造与空间技术、微重力生命科学与医工技术等领域取得的主要进展和成就, 凝练了微重力科学与技术领域未来5 ~ 10年所面临的重大关键科学问题, 探讨了前沿研究方向并提出学科发展建议.
2026, 56(2): 337-392.
doi: 10.6052/1000-0992-25-023
摘要:
当高温引起了流动介质物性变化的时候, 介质微团的物理化学变化显著地改变了介质流动的宏观规律, 超出了气体动力学基本假设和研究范畴, 高温气体动力学诞生了. 当航空航天技术不断拓展人类活动空间的时候, 在探索下一代空天飞行核心技术的过程中, 高温气体动力学发展了. 高温气体动力学是技术科学发展的典范, 在应用驱动学科机制的作用下, 引领着气体动力学的发展与创新. 本文选择了高温气体动力学的四个主要研究领域, 进行了综述和分析, 期望能够助力高温气体流动的学科发展. 第一部分是关于高超声速地面试验装置和测量技术, 重点介绍了三种典型高焓激波风洞, 它们的应用已经能够产生和测量的气流速度达到了1.5 ~ 10 km/s的范围, 可以模拟20 ~ 100 km的飞行高度. 先进科学试验装置对于学科前沿的拓展和流体物理新现象的发现是非常重要的, 该研究领域的进展也凸显了这个道理. 第二部分介绍了高超声速气体流动的理论与实验, 包括物理数学模型的建立、计算方法的发展和实验观测. 到目前为止, 高温气体流动物理模型的发展远低预期, 局限在早期物理模型的应用和改进; 计算方法发展迅速, 能够计算的流动现象越来越多, 准确度也越来越高; 地面实验观测研究进展可期, 表现在一些复现高超声速飞行条件下的大模型实验, 揭示的气动物理现象与飞行试验数据一致性良好. 第三部分是关于超声速燃烧和超燃冲压发动机. 这是一个已经持续热门几十年的前沿领域, 虽然理论和技术研究进展巨大、飞行试验硕果累累, 但是超燃冲压发动机技术依然难以满足工程需求, 超声速燃烧理论依然难以解决超燃冲压发动机研发遇到的问题. 所以, 超声速燃烧和超燃冲压发动机研究都亟需理论创新和技术突破. 第四部分是关于爆轰物理和斜爆轰发动机. 斜爆轰发动机与超燃冲压发动机概念皆生于同一时代, 但它仅在最近20多年才得到重新关注. 爆轰理论和斜爆轰研究都有了创新性突破, 斜爆轰发动机设计方法和风洞实验技术也有了长足的进展. 斜爆轰冲压发动机利用了自然界燃烧速度最快、热效率最高、进气压缩损失最小的增压燃烧现象作为其热力循环, 有着独特的优势. 最后, 论文对于上述研究领域的理论与技术及其实践进行了总结和展望, 期望能够给该学科发展提供一些有益的启示.
当高温引起了流动介质物性变化的时候, 介质微团的物理化学变化显著地改变了介质流动的宏观规律, 超出了气体动力学基本假设和研究范畴, 高温气体动力学诞生了. 当航空航天技术不断拓展人类活动空间的时候, 在探索下一代空天飞行核心技术的过程中, 高温气体动力学发展了. 高温气体动力学是技术科学发展的典范, 在应用驱动学科机制的作用下, 引领着气体动力学的发展与创新. 本文选择了高温气体动力学的四个主要研究领域, 进行了综述和分析, 期望能够助力高温气体流动的学科发展. 第一部分是关于高超声速地面试验装置和测量技术, 重点介绍了三种典型高焓激波风洞, 它们的应用已经能够产生和测量的气流速度达到了1.5 ~ 10 km/s的范围, 可以模拟20 ~ 100 km的飞行高度. 先进科学试验装置对于学科前沿的拓展和流体物理新现象的发现是非常重要的, 该研究领域的进展也凸显了这个道理. 第二部分介绍了高超声速气体流动的理论与实验, 包括物理数学模型的建立、计算方法的发展和实验观测. 到目前为止, 高温气体流动物理模型的发展远低预期, 局限在早期物理模型的应用和改进; 计算方法发展迅速, 能够计算的流动现象越来越多, 准确度也越来越高; 地面实验观测研究进展可期, 表现在一些复现高超声速飞行条件下的大模型实验, 揭示的气动物理现象与飞行试验数据一致性良好. 第三部分是关于超声速燃烧和超燃冲压发动机. 这是一个已经持续热门几十年的前沿领域, 虽然理论和技术研究进展巨大、飞行试验硕果累累, 但是超燃冲压发动机技术依然难以满足工程需求, 超声速燃烧理论依然难以解决超燃冲压发动机研发遇到的问题. 所以, 超声速燃烧和超燃冲压发动机研究都亟需理论创新和技术突破. 第四部分是关于爆轰物理和斜爆轰发动机. 斜爆轰发动机与超燃冲压发动机概念皆生于同一时代, 但它仅在最近20多年才得到重新关注. 爆轰理论和斜爆轰研究都有了创新性突破, 斜爆轰发动机设计方法和风洞实验技术也有了长足的进展. 斜爆轰冲压发动机利用了自然界燃烧速度最快、热效率最高、进气压缩损失最小的增压燃烧现象作为其热力循环, 有着独特的优势. 最后, 论文对于上述研究领域的理论与技术及其实践进行了总结和展望, 期望能够给该学科发展提供一些有益的启示.
2026, 56(2): 393-459.
doi: 10.6052/1000-0992-25-042
摘要:
随着高能激光技术的迅猛发展, 激光破坏效应的应用场景将面向更高速的工程结构, 高能激光、高速气流环境、材料与结构之间的耦合效应更为强烈, 从而显著影响激光的热与力学破坏行为, 甚至诱导产生新的损伤机理与破坏现象. 此外, 激光辐照的热−力耦合、不同体制激光复合加载的热力−冲击−烧蚀耦合等问题, 使破坏效应的耦合行为更加复杂. 强耦合激光热力破坏效应研究面向相关领域最新发展需要, 涉及光学、传热学、材料科学、固体力学及流体力学等多学科交叉, 是激光武器效应评估、先进激光制造以及航天器防护等高新技术领域中的共性基础科学问题. 本文系统梳理了近年来国内外学者在该研究方向上的研究进展, 从强耦合条件下激光热力破坏的新现象与新机理、激光诱导复合材料多尺度热力烧蚀机理与模型、复杂载荷与环境下激光热力破坏相似准则、多场耦合数值计算方法、地面模拟试验方法与多场原位测量技术、激光防护与加固技术、激光智能感知与毁伤评估等几个方面进行综述. 最后, 结合当前发展动态, 对本领域未来研究进行了展望. 本文旨在为强耦合激光热力破坏效应的机理研究和工程应用提供理论支撑与技术参考.
随着高能激光技术的迅猛发展, 激光破坏效应的应用场景将面向更高速的工程结构, 高能激光、高速气流环境、材料与结构之间的耦合效应更为强烈, 从而显著影响激光的热与力学破坏行为, 甚至诱导产生新的损伤机理与破坏现象. 此外, 激光辐照的热−力耦合、不同体制激光复合加载的热力−冲击−烧蚀耦合等问题, 使破坏效应的耦合行为更加复杂. 强耦合激光热力破坏效应研究面向相关领域最新发展需要, 涉及光学、传热学、材料科学、固体力学及流体力学等多学科交叉, 是激光武器效应评估、先进激光制造以及航天器防护等高新技术领域中的共性基础科学问题. 本文系统梳理了近年来国内外学者在该研究方向上的研究进展, 从强耦合条件下激光热力破坏的新现象与新机理、激光诱导复合材料多尺度热力烧蚀机理与模型、复杂载荷与环境下激光热力破坏相似准则、多场耦合数值计算方法、地面模拟试验方法与多场原位测量技术、激光防护与加固技术、激光智能感知与毁伤评估等几个方面进行综述. 最后, 结合当前发展动态, 对本领域未来研究进行了展望. 本文旨在为强耦合激光热力破坏效应的机理研究和工程应用提供理论支撑与技术参考.
2026, 56(2): 460-516.
doi: 10.6052/1000-0992-26-009
摘要:
宽速域高超声速飞行器具备水平起降、可重复使用和大空域飞行能力, 是未来执行空天往返与快速远程投送任务的核心平台. 其气动布局设计直接决定飞行器的总体性能与技术可行性, 同时也面临多物理场耦合、宽速域适应等多重基础理论与工程挑战. 本文系统梳理了该领域气动布局的国内外研究进展. 首先, 回顾了国外典型研制项目与概念方案的演进脉络, 指出气动布局已从单一速域性能优化转向全飞行包线的综合权衡. 随后, 从乘波体、高压捕获翼、双向飞翼以及宽速域气动布局优化设计4个方面, 综述了固定布局的研究现状; 并对变体技术的发展历程进行梳理, 归纳了适用于宽速域高超声速飞行的主要变体策略. 最后, 从气动设计层面、多学科耦合设计层面以及应用层面深入剖析了当前宽速域高超声速气动布局设计面临的核心挑战, 并给出了未来发展建议, 以期为相关领域的研究与工程实践提供参考.
宽速域高超声速飞行器具备水平起降、可重复使用和大空域飞行能力, 是未来执行空天往返与快速远程投送任务的核心平台. 其气动布局设计直接决定飞行器的总体性能与技术可行性, 同时也面临多物理场耦合、宽速域适应等多重基础理论与工程挑战. 本文系统梳理了该领域气动布局的国内外研究进展. 首先, 回顾了国外典型研制项目与概念方案的演进脉络, 指出气动布局已从单一速域性能优化转向全飞行包线的综合权衡. 随后, 从乘波体、高压捕获翼、双向飞翼以及宽速域气动布局优化设计4个方面, 综述了固定布局的研究现状; 并对变体技术的发展历程进行梳理, 归纳了适用于宽速域高超声速飞行的主要变体策略. 最后, 从气动设计层面、多学科耦合设计层面以及应用层面深入剖析了当前宽速域高超声速气动布局设计面临的核心挑战, 并给出了未来发展建议, 以期为相关领域的研究与工程实践提供参考.
2026, 56(2): 517-534.
doi: 10.6052/1000-0992-25-044
摘要:
本文综述海洋工程领域中与自由面/界面相关的若干前沿问题的研究现状与最新进展. 主要内容包括热带气旋 (tropical cyclone, TC) 引发的巨浪、液化天然气 (liquefied natural gas, LNG) 晃荡、空化与气泡动力学、涡激运动 (vortex-induced motion, VIM) 与涡激振动 (vortex-induced vibration, VIV). 重点关注上述方向的最新研究进展与所面临的挑战. 过去70年研究成果显示, 人类正在开启新一轮海洋探索活动. 未来将出现从海面向深海拓展、从低中纬度向极地延伸, 从化石能源向可再生能源转型的明显趋势.
本文综述海洋工程领域中与自由面/界面相关的若干前沿问题的研究现状与最新进展. 主要内容包括热带气旋 (tropical cyclone, TC) 引发的巨浪、液化天然气 (liquefied natural gas, LNG) 晃荡、空化与气泡动力学、涡激运动 (vortex-induced motion, VIM) 与涡激振动 (vortex-induced vibration, VIV). 重点关注上述方向的最新研究进展与所面临的挑战. 过去70年研究成果显示, 人类正在开启新一轮海洋探索活动. 未来将出现从海面向深海拓展、从低中纬度向极地延伸, 从化石能源向可再生能源转型的明显趋势.
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doi: 10.6052/1000-0992-26-016
摘要:
疲劳寿命预测与可靠性分析对于保障重大装备服役安全至关重要. 传统研究范式主要依赖于专家经验、机理建模及经典统计分析方法. 然而, 受限于对疲劳失效机理认知的局限性, 传统方法在面向复杂疲劳行为建模时预测精度不足. 以机器学习为代表的数据驱动方法凭借其优异的非线性拟合能力, 在疲劳建模及可靠性评估领域展现出巨大潜力. 但疲劳问题固有的小子样特征与机器学习模型的数据驱动本质间的矛盾, 致使其难以满足重大装备的服役安全评估需求. 物理信息机器学习框架为疲劳寿命预测与可靠性分析提供了全新建模范式. 本文全面概述了面向疲劳寿命预测与可靠性分析的机理建模与数据驱动方法, 并探讨了其从确定性寿命预测延伸到概率性可靠性分析的应用. 本文系统梳理了构建物理信息机器学习框架的不同建模策略, 并剖析了各类建模策略的优势. 围绕从确定性寿命预测到概率性可靠性分析的应用跨度, 评估了不同建模范式在拟合精度、计算效率及泛化能力等方面的综合表现, 并进一步阐明了其在不同疲劳问题中的适用边界. 针对现阶段疲劳寿命预测与可靠性分析方法的局限性, 本文为开发高可靠预测模型以保障重大工程装备服役安全性指明了潜在发展方向.
疲劳寿命预测与可靠性分析对于保障重大装备服役安全至关重要. 传统研究范式主要依赖于专家经验、机理建模及经典统计分析方法. 然而, 受限于对疲劳失效机理认知的局限性, 传统方法在面向复杂疲劳行为建模时预测精度不足. 以机器学习为代表的数据驱动方法凭借其优异的非线性拟合能力, 在疲劳建模及可靠性评估领域展现出巨大潜力. 但疲劳问题固有的小子样特征与机器学习模型的数据驱动本质间的矛盾, 致使其难以满足重大装备的服役安全评估需求. 物理信息机器学习框架为疲劳寿命预测与可靠性分析提供了全新建模范式. 本文全面概述了面向疲劳寿命预测与可靠性分析的机理建模与数据驱动方法, 并探讨了其从确定性寿命预测延伸到概率性可靠性分析的应用. 本文系统梳理了构建物理信息机器学习框架的不同建模策略, 并剖析了各类建模策略的优势. 围绕从确定性寿命预测到概率性可靠性分析的应用跨度, 评估了不同建模范式在拟合精度、计算效率及泛化能力等方面的综合表现, 并进一步阐明了其在不同疲劳问题中的适用边界. 针对现阶段疲劳寿命预测与可靠性分析方法的局限性, 本文为开发高可靠预测模型以保障重大工程装备服役安全性指明了潜在发展方向.
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doi: 10.6052/1000-0992-26-021
摘要:
深入理解低空复杂风环境, 推动基于非定常非均匀假设的低空空气动力学的发展, 对保障低空飞行安全具有重要的科学意义和应用价值. 本文阐述了低空非均匀非定常复杂风场的特点及成因, 总结了风洞模拟方法、气动响应理论及流动规律等方面取得的突出成果. 作者团队报告了他们建设的国际前沿的低空风洞--“风矩阵”, 该装置通过采用多风机阵列定制化设计非均匀非定常来流来模拟低空复杂风环境, 并展望当前该领域亟待解决的关键问题.
深入理解低空复杂风环境, 推动基于非定常非均匀假设的低空空气动力学的发展, 对保障低空飞行安全具有重要的科学意义和应用价值. 本文阐述了低空非均匀非定常复杂风场的特点及成因, 总结了风洞模拟方法、气动响应理论及流动规律等方面取得的突出成果. 作者团队报告了他们建设的国际前沿的低空风洞--“风矩阵”, 该装置通过采用多风机阵列定制化设计非均匀非定常来流来模拟低空复杂风环境, 并展望当前该领域亟待解决的关键问题.
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doi: 10.6052/1000-0992-26-014
摘要:
本文综述剪切流中的弥散问题. 经典Taylor–Aris理论源于截面平均浓度的长时间渐近展开, 并不适用于刻画早期阶段所呈现的多尺度动力学结构. 针对剪切弥散全过程, 本文在Lagrange坐标系下揭示其多尺度扩散叠加的物理本质, 构建统一时空尺度的弥散模型. 通过引入兼具空间各向异性和时间非线性特征的等效扩散度张量, 实现层流与湍流弥散全过程的对流与扩散动力学解耦. 在此基础上, 进一步阐述解析模型向主动物质领域的跨尺度拓展, 涵盖浮游微生物和人工粒子的弥散机理与研究进展, 重点考虑旋转动力学和剪切弥散的耦合效应及其引发的反常标度律. 结合复杂系统从个体行为到集体涌现的演化规律, 探讨发展剪切弥散解析理论的基础价值, 展望水体环境中污染物迁移转化、微藻水动力学聚集以及微纳机器人协同调控等应用前景.
本文综述剪切流中的弥散问题. 经典Taylor–Aris理论源于截面平均浓度的长时间渐近展开, 并不适用于刻画早期阶段所呈现的多尺度动力学结构. 针对剪切弥散全过程, 本文在Lagrange坐标系下揭示其多尺度扩散叠加的物理本质, 构建统一时空尺度的弥散模型. 通过引入兼具空间各向异性和时间非线性特征的等效扩散度张量, 实现层流与湍流弥散全过程的对流与扩散动力学解耦. 在此基础上, 进一步阐述解析模型向主动物质领域的跨尺度拓展, 涵盖浮游微生物和人工粒子的弥散机理与研究进展, 重点考虑旋转动力学和剪切弥散的耦合效应及其引发的反常标度律. 结合复杂系统从个体行为到集体涌现的演化规律, 探讨发展剪切弥散解析理论的基础价值, 展望水体环境中污染物迁移转化、微藻水动力学聚集以及微纳机器人协同调控等应用前景.
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doi: 10.6052/1000-0992-26-012
摘要:
借助显式几何参数描述结构拓扑构型, 移动可变形组件 (Moving Morphable Components, MMC) 拓扑优化方法具备设计变量少、CAD (Computer Aided Design) 系统的无缝兼容性、拓扑描述与分析模型解耦、易于表示制造相关约束等优势, 可以显著提升结构设计效率, 因而自提出以来便受到广泛关注. 本文系统阐述了MMC方法的核心理论框架及扩展体系: 从初始技术方案中超椭圆方程的结构描述、结构柔顺性目标函数、含体积约束的优化列式、灵敏度分析以及核心技术问题, 到涵盖其几何描述、数值技术以及优化求解的多维度扩展. 在分析理论演进脉络的基础之上, 评述MMC方法在非线性、多材料和应力约束等特定优化技术问题的解决方案, 总结MMC方法在轻量化构件设计、动态性能设计、超材料/超结构设计等领域的多学科交叉应用. 最后, 基于现有研究瓶颈讨论若干重点发展方向, 展望MMC方法在智能计算时代的广阔前景.
借助显式几何参数描述结构拓扑构型, 移动可变形组件 (Moving Morphable Components, MMC) 拓扑优化方法具备设计变量少、CAD (Computer Aided Design) 系统的无缝兼容性、拓扑描述与分析模型解耦、易于表示制造相关约束等优势, 可以显著提升结构设计效率, 因而自提出以来便受到广泛关注. 本文系统阐述了MMC方法的核心理论框架及扩展体系: 从初始技术方案中超椭圆方程的结构描述、结构柔顺性目标函数、含体积约束的优化列式、灵敏度分析以及核心技术问题, 到涵盖其几何描述、数值技术以及优化求解的多维度扩展. 在分析理论演进脉络的基础之上, 评述MMC方法在非线性、多材料和应力约束等特定优化技术问题的解决方案, 总结MMC方法在轻量化构件设计、动态性能设计、超材料/超结构设计等领域的多学科交叉应用. 最后, 基于现有研究瓶颈讨论若干重点发展方向, 展望MMC方法在智能计算时代的广阔前景.
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doi: 10.6052/1000-0992-26-004
摘要:
复杂流体环境中纳米颗粒的扩散行为广泛存在于自然和工业过程中. 不同于经典布朗扩散, 复杂流体环境中纳米颗粒呈现反常扩散特性, 其机理认识及操控方法在生物、物理、医学及工程等多个领域具有重要科学意义和应用价值. 本文系统回顾了复杂流体环境中纳米颗粒反常扩散的研究进展. 首先, 阐释反常扩散超越经典布朗运动的核心特征, 梳理主要的理论框架与研究方法; 其次, 具体介绍亚扩散、超扩散、布朗非高斯扩散3类具体反常扩散的机制及模型, 并从力学与统计物理耦合的角度, 探讨基于外场作用和智能设计的扩散行为调控机制; 最后, 总结该领域在建模、实验解析及应用中的关键挑战与发展方向.
复杂流体环境中纳米颗粒的扩散行为广泛存在于自然和工业过程中. 不同于经典布朗扩散, 复杂流体环境中纳米颗粒呈现反常扩散特性, 其机理认识及操控方法在生物、物理、医学及工程等多个领域具有重要科学意义和应用价值. 本文系统回顾了复杂流体环境中纳米颗粒反常扩散的研究进展. 首先, 阐释反常扩散超越经典布朗运动的核心特征, 梳理主要的理论框架与研究方法; 其次, 具体介绍亚扩散、超扩散、布朗非高斯扩散3类具体反常扩散的机制及模型, 并从力学与统计物理耦合的角度, 探讨基于外场作用和智能设计的扩散行为调控机制; 最后, 总结该领域在建模、实验解析及应用中的关键挑战与发展方向.
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doi: 10.6052/1000-0992-25-030
摘要:
触觉作为人类五大感官之一, 承载了大量环境交互、空间定位与物理感知等重要信息. 近年来, 随着人机交互技术的迅速发展, 如何高效、真实地再现触觉信息已成为构建沉浸式交互系统的核心问题. 然而, 传统触觉反馈设备普遍存在功能单一、复现度低、结构臃肿以及集成度不足等局限, 难以满足对人类多模态、精细触觉的高效再现与舒适可穿戴的双重需求. 为克服上述瓶颈, 力学超材料凭借其结构超精巧、力学性能可编程以及多功能易集成等特点, 在触觉反馈系统中展现出巨大研究潜力. 本文系统梳理了当前力学超材料的主流功能特性, 分析了可编程泊松比、多稳态跳变、可编程刚度和输出模式转换等特性在触觉交互系统中的应用潜力, 并进一步结合VR/XR娱乐、医疗康复、残障辅助与人机协同等典型触觉反馈应用场景, 从系统层面探讨了力学超材料赋能触觉反馈交互的实施路径. 最后, 本文总结了当前力学超材料在触觉反馈任务中所面临的关键挑战, 并展望其未来在结构智能设计与制造以及多学科融合发展下的应用前景.
触觉作为人类五大感官之一, 承载了大量环境交互、空间定位与物理感知等重要信息. 近年来, 随着人机交互技术的迅速发展, 如何高效、真实地再现触觉信息已成为构建沉浸式交互系统的核心问题. 然而, 传统触觉反馈设备普遍存在功能单一、复现度低、结构臃肿以及集成度不足等局限, 难以满足对人类多模态、精细触觉的高效再现与舒适可穿戴的双重需求. 为克服上述瓶颈, 力学超材料凭借其结构超精巧、力学性能可编程以及多功能易集成等特点, 在触觉反馈系统中展现出巨大研究潜力. 本文系统梳理了当前力学超材料的主流功能特性, 分析了可编程泊松比、多稳态跳变、可编程刚度和输出模式转换等特性在触觉交互系统中的应用潜力, 并进一步结合VR/XR娱乐、医疗康复、残障辅助与人机协同等典型触觉反馈应用场景, 从系统层面探讨了力学超材料赋能触觉反馈交互的实施路径. 最后, 本文总结了当前力学超材料在触觉反馈任务中所面临的关键挑战, 并展望其未来在结构智能设计与制造以及多学科融合发展下的应用前景.
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doi: 10.6052/1000-0992-26-008
摘要:
镁合金因其优异的比强度和比刚度, 在实现结构轻量化方面具有广阔的应用前景. 然而, 镁合金的腐蚀疲劳问题制约了其在关键承力构件中的可靠应用. 深入理解镁合金的腐蚀疲劳行为, 建立精准的寿命预测模型, 进而提出合理的防护措施, 是推动其工程应用的关键和前提. 为此, 本文系统综述了镁合金腐蚀疲劳行为的宏观演化规律、微观机制以及寿命预测等方面的研究进展: 首先概括了镁合金内在因素、腐蚀介质以及加载条件对其腐蚀疲劳宏观演化规律; 其次, 总结了镁合金的腐蚀疲劳损伤机理, 强调了原位和非原位表征方法以及主流的数值模拟方法的重要作用; 然后, 对镁合金腐蚀疲劳寿命预测模型的研究现状进行了系统梳理; 最后, 简要总结当前研究进展, 并展望了该领域未来的发展方向.
镁合金因其优异的比强度和比刚度, 在实现结构轻量化方面具有广阔的应用前景. 然而, 镁合金的腐蚀疲劳问题制约了其在关键承力构件中的可靠应用. 深入理解镁合金的腐蚀疲劳行为, 建立精准的寿命预测模型, 进而提出合理的防护措施, 是推动其工程应用的关键和前提. 为此, 本文系统综述了镁合金腐蚀疲劳行为的宏观演化规律、微观机制以及寿命预测等方面的研究进展: 首先概括了镁合金内在因素、腐蚀介质以及加载条件对其腐蚀疲劳宏观演化规律; 其次, 总结了镁合金的腐蚀疲劳损伤机理, 强调了原位和非原位表征方法以及主流的数值模拟方法的重要作用; 然后, 对镁合金腐蚀疲劳寿命预测模型的研究现状进行了系统梳理; 最后, 简要总结当前研究进展, 并展望了该领域未来的发展方向.
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doi: 10.6052/1000-0992-26-007
摘要:
稀薄气体非平衡输运问题广泛存在于航空航天、真空技术、微纳系统及惯性约束聚变等关键领域. 特别是在航天器再入大气层、临近空间超声速飞行等极端过程中, 流动呈现出极强的跨流域特征, 并伴随分子内能激发、化学反应及辐射等复杂的多物理场耦合效应. 这些特征显著提升了动理学求解难度, 使常规数值方法面临严峻的计算瓶颈, 制约了大规模工程模拟的精度与效率. 针对上述挑战, 本文系统介绍了兼具渐近保持性与快速收敛特性的通用合成迭代算法(general synthetic iterative scheme, GSIS). 该方法的核心在于构造了与动理学方程物理一致的宏观合成方程, 利用具有信息传播效率优势的抛物型宏观系统, 有效引导双曲型动理学方程的演化, 从而突破了计算网格与时间步长受限于分子碰撞尺度的固有瓶颈. 理论分析与数值验证表明, GSIS不仅在连续流极限下能够严格恢复宏观流体力学描述, 更在全流域范围内展现出卓越的迭代收敛效率. 更具优势的是, GSIS框架具有极强的模型兼容性与算法扩展性. 本文通过大量典型算例, 重点展示了该方法在多原子气体、高温辐射、多组分混合及非定常复杂运动等问题中的高精度与高效率表现. 同时, GSIS算法机制可与随机性粒子算法深度融合, 成功实现了对直接模拟蒙特卡洛框架下玻尔兹曼及Enskog方程的显著加速. 此外, 本文还展示GSIS在跨流域流动外形优化, 流动稳定性分析以及湍流-稀薄流耦合问题中的发展, 展现其在临近空间高超声速飞行中气动特性优化, 转捩与湍流等前沿领域的应用前景. GSIS为复杂非平衡稀薄气体流动的多尺度数值模拟提供了重要工具, 并为面向工程应用的高可靠、高效率仿真与优化设计提供了强有力的理论支撑与技术路径.
稀薄气体非平衡输运问题广泛存在于航空航天、真空技术、微纳系统及惯性约束聚变等关键领域. 特别是在航天器再入大气层、临近空间超声速飞行等极端过程中, 流动呈现出极强的跨流域特征, 并伴随分子内能激发、化学反应及辐射等复杂的多物理场耦合效应. 这些特征显著提升了动理学求解难度, 使常规数值方法面临严峻的计算瓶颈, 制约了大规模工程模拟的精度与效率. 针对上述挑战, 本文系统介绍了兼具渐近保持性与快速收敛特性的通用合成迭代算法(general synthetic iterative scheme, GSIS). 该方法的核心在于构造了与动理学方程物理一致的宏观合成方程, 利用具有信息传播效率优势的抛物型宏观系统, 有效引导双曲型动理学方程的演化, 从而突破了计算网格与时间步长受限于分子碰撞尺度的固有瓶颈. 理论分析与数值验证表明, GSIS不仅在连续流极限下能够严格恢复宏观流体力学描述, 更在全流域范围内展现出卓越的迭代收敛效率. 更具优势的是, GSIS框架具有极强的模型兼容性与算法扩展性. 本文通过大量典型算例, 重点展示了该方法在多原子气体、高温辐射、多组分混合及非定常复杂运动等问题中的高精度与高效率表现. 同时, GSIS算法机制可与随机性粒子算法深度融合, 成功实现了对直接模拟蒙特卡洛框架下玻尔兹曼及Enskog方程的显著加速. 此外, 本文还展示GSIS在跨流域流动外形优化, 流动稳定性分析以及湍流-稀薄流耦合问题中的发展, 展现其在临近空间高超声速飞行中气动特性优化, 转捩与湍流等前沿领域的应用前景. GSIS为复杂非平衡稀薄气体流动的多尺度数值模拟提供了重要工具, 并为面向工程应用的高可靠、高效率仿真与优化设计提供了强有力的理论支撑与技术路径.
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doi: 10.6052/1000-0992-26-001
摘要:
结构化材料(architected materials)通过结构设计实现可控的超常性能, 在生物医学、航空航天、能源环境等多领域得到广泛应用. 通过在结构设计过程中引入随机非周期性, 可以解决传统周期性材料局部化失效导致的高脆性问题, 提高材料的韧性、损伤容限与缺陷不敏感性, 实现优异的综合性能. 但是, 这同时使结构整体复杂度增加, 研究、设计成本大幅提升, 亟需发展新的理论和方法. 旋节线拓扑构成的材料(spinodoid/spinodal-like metamaterials)是一种具有代表性的非周期结构化材料, 其研究范式可以推广至多种复杂非周期结构的力学性能预测、拓扑结构设计. 本文以旋节线拓扑为代表, 介绍非周期结构化材料的建模原理、等效力学性能、设计和制造方法及典型应用, 对现有研究进行总结并提出未来的发展方向.
结构化材料(architected materials)通过结构设计实现可控的超常性能, 在生物医学、航空航天、能源环境等多领域得到广泛应用. 通过在结构设计过程中引入随机非周期性, 可以解决传统周期性材料局部化失效导致的高脆性问题, 提高材料的韧性、损伤容限与缺陷不敏感性, 实现优异的综合性能. 但是, 这同时使结构整体复杂度增加, 研究、设计成本大幅提升, 亟需发展新的理论和方法. 旋节线拓扑构成的材料(spinodoid/spinodal-like metamaterials)是一种具有代表性的非周期结构化材料, 其研究范式可以推广至多种复杂非周期结构的力学性能预测、拓扑结构设计. 本文以旋节线拓扑为代表, 介绍非周期结构化材料的建模原理、等效力学性能、设计和制造方法及典型应用, 对现有研究进行总结并提出未来的发展方向.
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doi: 10.6052/1000-0992-25-033
摘要:
损伤生物力学主要基于力学原理分析人体响应和损伤, 对特定损伤机制和损伤耐限的理解有助于人体防护. 假人是模拟冲击过程人体生物力学响应的人体替代物, 被广泛应用于汽车安全、运动康复、法医学、军事及航空航天等领域. 汽车碰撞假人是汽车安全领域损伤评测的重要工具, 包括实体假人和数值仿真假人. 本文介绍了实体与仿真假人的发展历史, 聚焦汽车碰撞假人参数化设计方法进行分析, 对损伤评测技术未来发展趋势进行展望, 以期助力损伤生物力学领域发展及对汽车安全技术的进步.
损伤生物力学主要基于力学原理分析人体响应和损伤, 对特定损伤机制和损伤耐限的理解有助于人体防护. 假人是模拟冲击过程人体生物力学响应的人体替代物, 被广泛应用于汽车安全、运动康复、法医学、军事及航空航天等领域. 汽车碰撞假人是汽车安全领域损伤评测的重要工具, 包括实体假人和数值仿真假人. 本文介绍了实体与仿真假人的发展历史, 聚焦汽车碰撞假人参数化设计方法进行分析, 对损伤评测技术未来发展趋势进行展望, 以期助力损伤生物力学领域发展及对汽车安全技术的进步.
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