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人工智能在复合材料研究中的应用
张峻铭, 杨伟东, 李岩
 doi: 10.6052/1000-0992-21-019
摘要(529) HTML(147) PDF(206)
复合材料以其轻质高强高模、可设计性强等优点成为结构轻量化的重要用材. 然而, 随着复合材料组分、结构以及性能需求的日益复杂化, 以实验观测、理论建模和数值模拟为主体的传统研究范式, 在复合材料力学性能分析、设计和制造等方面遇到了新的科学问题与技术瓶颈. 其中, 实验观测不足、理论模型缺乏、数值分析受限、结果验证困难等问题在一定程度上制约了先进复合材料在面向未来工程领域中应用的发展. 人工智能方法以数据驱动的模型替代传统研究中的数学力学模型, 直接由高维高通量数据建立变量间的复杂关系, 捕捉传统力学研究方法难以发现的规律, 在复杂系统的分析、预测、优化方面拥有与生俱来的优势. 而通过人工智能赋能来寻求复合材料中传统研究方法所面临难题的新的解决方案, 目前已成为复合材料研究领域的发展趋势. 本文综述并评价了人工智能方法在复合材料性能预测、优化设计、制造检测及健康监测等方面的研究进展, 并对未来发展方向进行了探讨和展望.
基于模板的子结构多分辨率拓扑优化
黄孟成, 霍文栋, 刘畅, 杨东生, 黄佳, 杜宗亮, 郭旭
 doi: 10.6052/1000-0992-21-030
摘要(188) HTML(88) PDF(58)
多分辨率拓扑优化(multi-resolution topology optimization, MTOP)方法将有限元网格和密度网格解耦, 采用较粗的网格(超单元)进行有限元分析, 从而大大降低了拓扑优化过程中的结构分析成本. 但MTOP方法每次迭代都需要根据超单元内的平均密度计算有限元单刚, 不仅精度不够且在过滤半径较小的情况容易出现棋盘格现象和QR模式. 为解决相应问题, 本文将超单元视为子结构, 通过静态凝聚得到超单元刚度阵, 并进一步根据拓扑优化过程中子结构的密度分布特征组建了其模板库, 从而省去了超单元单刚的重复计算, 显著提高了MTOP方法的分析精度, 有效抑制了数值不稳定现象.
铁电材料的疲劳失效行为
陈渝, 周华将, 谢少雄, 徐倩, 朱建国, 王清远
 doi: 10.6052/1000-0992-20-030
摘要(443) HTML(77) PDF(122)
在航空航天、核能发电等重大装备技术领域, 作为高温传感/驱动/能量收集器件的敏感材料——铋层状结构铁电(BLSF)陶瓷在复杂载荷环境下的疲劳失效问题严重限制着器件寿命和可靠性的提高. 本文以BLSF陶瓷的应用需求为背景, 围绕铁电材料的疲劳裂纹扩展与电畴极化翻转及其相互作用机制等关键问题, 综述了铁电材料在热、力、电三种载荷及其耦合作用下疲劳失效行为的研究现状, 并根据当前铁电材料的一些新发展、新应用对其未来研究方向进行了展望, 旨在为高性能、长寿命铁电/压电器件设计提供参考.
固体的弹性模量和内耗测量方法研究进展
谢明宇, 李法新
 doi: 10.6052/1000-0992-21-013
摘要(216) HTML(111) PDF(78)
弹性模量和内耗是固体材料的基本力学性质, 其测量的准确性和便捷性对工业生产和科学研究都很重要. 本文回顾了近一百年来固体材料弹性模量和内耗的测量方法, 主要分为四类: 准静态方法、低频法、共振法和波传播法. 首先对每类方法的测量原理进行了简单介绍及总体评价. 接着对几种共振方法, 包括自由梁共振法、脉冲激励法、超声共振谱方法和压电超声复合振动技术(PUCOT)进行了详细介绍和评价. 然后, 重点介绍了本课题组最新提出的基于机电阻抗的模量内耗测量方法(称之为M-PUCOT或Q-EMI), 它可以同时、准确、快速地测量杨氏/剪切模量及相应内耗. 最后, 对这种新型弹性模量/内耗测量方法的意义和应用前景进行了讨论和展望.
大推力液体火箭发动机结构中的力学问题
李斌, 闫松, 杨宝锋
 doi: 10.6052/1000-0992-21-003
摘要(230) HTML(99) PDF(65)
依据大推力液体火箭发动机工作时极端的力热环境状态, 阐述分析了大推力发动机强振动、大静载、多源激励和传递路径复杂的力学特点. 静力学方面介绍了整机结构载荷分析和组件静力学分析方法, 动力学方面介绍了整机低频模型、精细化动力学修正、多源载荷等效等问题的研究情况. 针对发动机典型的部件, 梳理了大推力发动机研制中面临的力学挑战, 包括高温高压燃气摇摆装置、转子动力学、动静干涉流体激振、诱导轮汽蚀振荡、大范围轴向力平衡、超音速涡轮颤振、推力室热疲劳、喷管侧向力载荷、总装管路疲劳断裂等问题, 指出了力学需求和未来研究方向. 最后对发动机结构概率失效分析的现状进行了简要介绍, 为大推力液体火箭发动机研制提供力学支撑.
多主元合金中的化学短程有序
卜叶强, 王宏涛
 doi: 10.6052/1000-0992-21-027
摘要(138) HTML(51) PDF(32)
大量的研究表明多主元合金中广泛地存在对其性能提升有重要影响的化学短程序. 利用先进的透射电子显微成像技术可以在原子分辨率水平分析多主元合金中化学短程序的尺度、成分和构型.
碎片云演化分析新进展: 完全基于概率表征方法
舒鹏, 杨震, 罗亚中
 doi: 10.6052/1000-0992-21-002
摘要(232) HTML(36) PDF(25)
从碎片云的不确定性特征出发, 可以构建完全基于概率表征的碎片云演化分析方法. 用于对解体、演化和碰撞过程进行解析分析, 避免了数值方法计算效率低和结果鲁棒性差的问题.
基于聚类连通法的湍流拟序结构研究进展
董思卫, 程诚, 陈坚强, 袁先旭, 李伟鹏
 doi: 10.6052/1000-0992-20-032
摘要(308) HTML(122)
湍流的无序性要求对拟序结构的研究必须从统计的角度出发, 而聚类连通法 (clustering method) 则是实现拟序结构与统计方法深度融合的有力工具. 该方法是一种基于数据的流动特征提取方法, 它将每个连通域, 即单个拟序结构作为一个统计样本. 此外, 其衍生的基于连通域空间重叠的时空追踪方法可以进一步研究这些结构的时空演化, 该方法将每个拟序结构从生成到消亡的演化过程也视为统计样本, 从而实现了对拟序结构运动学特征和动力学过程的统计刻画. 本文回顾了聚类连通法的发展历程并着重介绍了人们采用该方法在雷诺切应力结构、速度条带和能量级串方面取得的重大进展, 这些结果表明该方法极大拓展了人们基于传统的逐点统计方法对湍流的认识, 因而具有很大的潜力. 最后, 对该方法在湍流中的应用给出了建议和展望.
主编寄语
创刊50周年专栏
温压炸药的特性及发展现状
胡宏伟, 宋浦, 邓国强, 肖川
当前状态:  doi: 10.6052/1000-0992-21-021
摘要(29) HTML(10) PDF(2)
摘要:
温压炸药的爆炸涉及到起爆、爆轰、冲击波的传播与反射、多相湍流和多模化学反应等, 是一个多尺度、多物质、多因素、多物理场耦合过程, 深化温压炸药高效释能的关键基础理论, 揭示温压爆炸的反应机理并有效控制和利用是温压武器创新发展的关键科学问题, 对高威力温压炸药的配方设计、温压武器的研制和使用具有重要指导意义. 本文描述了温压爆炸的基本原理, 讨论了温压炸药的概念和内涵, 从炸药种类、释能特点、能量构成、爆炸反应机制、爆炸效应增强机理、杀伤机制等方面阐述了温压炸药的特征, 分析了温压炸药有限空间内部爆炸威力的评估方法以及温压炸药的研发状况, 并提出了相关发展建议, 以期为高威力温压炸药的设计、温压弹的研制及毁伤评估提供指导.
电磁霍普金森杆实验技术及研究进展
王维斌, 索涛, 郭亚洲, 李玉龙, 聂海亮, 刘会芳, 金康华, 杜冰, 江斌
当前状态:  doi: 10.6052/1000-0992-20-024
摘要(74) HTML(14) PDF(26)
摘要:
电磁霍普金森(E-Hopkinson)杆实验技术是利用电磁驱动的方式替代了传统霍普金森杆中子弹撞击加载杆来产生应力波, 是电磁驱动技术与霍普金森杆实验技术相结合而发展起来的一种新的动态加载技术. 本文综述了E-Hopkinson杆实验技术在单轴单向/双向及动态双轴对称压缩/拉伸、复合材料的层间断裂、金属动态包辛格效应等领域的应用现状, 涵盖了实验研究, 理论分析及数值模拟等, 最后对该实验技术未来发展方向进行了展望.
大推力液体火箭发动机结构中的力学问题
李斌, 闫松, 杨宝锋
当前状态:
摘要(21) PDF(11)
摘要:
依据大推力液体火箭发动机工作时极端的力热环境状态,阐述分析了大推力发动机强振动、大静载、多源激励和传递路径复杂的力学特点。静力学方面介绍了整机结构载荷分析和组件静力学分析方法,动力学方面介绍了整机低频模型、精细化动力学修正、多源载荷等效等问题的研究情况。针对发动机典型的部件,梳理了大推力发动机研制中面临的力学挑战,包括高温高压燃气摇摆装置、转子动力学、动静干涉流体激振、诱导轮汽蚀振荡、大范围轴向力平衡,超音速涡轮颤振、推力室热疲劳、喷管侧向力载荷、总装管路疲劳断裂等问题,指出了力学需求和未来研究方向。最后对发动机结构概率失效分析的现状进行了简要介绍,为大推力液体火箭发动机研制提供力学支撑。
人工智能在复合材料研究中的应用
张峻铭, 杨伟东, 李岩
当前状态:
摘要(22) PDF(9)
摘要:
复合材料以其轻质高强高模、可设计性强等优点成为结构轻量化的重要用材. 然而,随着复合材料组分、结构以及性能需求的日益复杂化,以实验观测、理论建模和数值模拟为主体的传统研究范式,在复合材料力学性能分析、设计和制造等方面遇到了新的科学问题与技术瓶颈. 其中,实验观测不足、理论模型缺乏、数值分析受限、结果验证困难等问题在一定程度上制约了先进复合材料在面向未来工程领域中应用的发展. 人工智能方法以数据驱动的模型替代传统研究中的数学力学模型,直接由高维高通量数据建立变量间的复杂关系,捕捉传统力学研究方法难以发现的规律,在复杂系统的分析、预测、优化方面拥有与生俱来的优势. 而通过人工智能赋能来寻求复合材料中传统研究方法所面临难题的新的解决方案,目前已成为复合材料研究领域的发展趋势. 本文综述并评价了人工智能方法在复合材料性能预测、优化设计、制造检测及健康监测等方面的研究进展,并对未来发展方向进行了探讨和展望. 关键词 复合材料,人工智能,力学性能,设计,制造
基于大偏差理论非高斯随机动力系统离出行为研究
李扬, 赵锋, 刘先斌
当前状态:  doi: 10.6052/1000-0992-21-033
摘要(59) HTML(13) PDF(15)
摘要:
本文介绍了大偏差理论的基本思想及其在非高斯随机动力系统的离出问题研究中的应用. 依据不同的非高斯噪声类型, 本文分别评述了随机混合系统、指数轻跳跃过程和$\alpha $-稳定Lévy噪声驱动的随机动力系统的离出问题的主要研究方法和近期研究进展. 针对随机混合系统, 本文介绍了利用随机微分方程对其进行近似的拟稳态扩散近似方法, 计算拟势和最优离出路径的WKB近似方法, 和细致平衡条件的研究, 以及求解随机混合系统的简化版本 (即生灭过程) 的离出问题的研究进展. 对于指数轻跳跃过程驱动的随机动力系统, 本文介绍了其大偏差原理和中度偏差原理的泛函极值问题的建立, 拟势概念的定义和平均离出时间的估计. 针对具有$\alpha $-稳定Lévy噪声的随机动力系统, 本文介绍了计算平均首次离出时间和离出概率的理论和数值方法, 计算最优离出路径的Onsager-Machlup理论、机器学习方法、最大似然法和数据驱动方法. 最后, 给出了非高斯随机动力系统的离出现象相关的一些开放性问题.
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