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热端部件低温热腐蚀疲劳损伤机理、寿命模型和抗腐蚀设计方法
赵高乐, 齐红宇, 李少林, 刘扬, 杨晓光, 石多奇, 孙燕涛
 doi: 10.6052/1000-0992-22-020
摘要(212) HTML(74) PDF(62)
对于沿海地区或海洋环境中使用的航空发动机来说, 由于高温、机械载荷和盐雾环境的共同作用, 热腐蚀疲劳破坏是影响其热端部件服役寿命的主要因素. 本文对热端部件低温热腐蚀疲劳损伤机理、寿命模型和防腐蚀设计方法进行了总结、归纳及评述, 提出了未来的研究趋势与发展方向. 首先介绍航空发动机热端部件的热腐蚀疲劳故障案例、损伤演化机理; 其次, 重点分析了低温腐蚀疲劳寿命的唯象模型、损伤力学模型、断裂力学模型以及机器学习模型; 再次, 对几种代表性的考虑腐蚀演化不同阶段的分段式腐蚀疲劳全寿命模型进行综述, 还分析指出了腐蚀疲劳全寿命模型的发展趋势; 从次, 对航空发动机材料选择、零件制造、结构强度设计和外场运行维护不同阶段的抗腐蚀方法进行了综述. 最后, 对增材制造零部件的热腐蚀疲劳问题以及无损检测技术、人工智能等与热腐蚀疲劳研究的结合进行了展望.
力敏感受体介导细胞功能调控的力学生物学研究
张欢, 赵国清, 冯锦腾, 林敏
 doi: 10.6052/1000-0992-22-029
摘要(825) HTML(93) PDF(355)
细胞膜是细胞与外部环境进行物质与能量交换的界面, 是调节细胞正常生命活动的重要结构基础. 细胞膜上力敏感受体可通过力学作用方式参与并影响细胞的力信号转导等功能. 整合素和钙黏素是细胞膜上典型的力敏感受体, 可介导细胞与细胞周围基质或邻近细胞发生力学作用, 并将力学刺激信号转导为生化信号, 进而激活细胞内一系列应答反应, 最终影响细胞生长、分化、增殖、凋亡和迁移等功能. 力敏感受体介导细胞功能调控研究已成为探索细胞主动响应外界复杂力学微环境的力学生物学机制的关键, 为进一步深入认识生理和病理状态下细胞功能变化规律, 为揭示疾病的发生、发展机制提供重要的力学生物学理论与实验依据. 本文总结了力敏感受体介导细胞功能调控的国内外研究进展; 介绍了黏附界面处典型力敏感受体的结构和功能; 总结了这些力敏感受体参与的细胞力信号感知与响应的数理模型; 概述了细胞通过力敏感受体进行力学信号转导的过程; 介绍了黏附介导细胞功能调控的力学生物学过程和机制; 简述了体外构建模拟细胞力学微环境中细胞-细胞外基质和细胞-细胞力学相互作用的技术; 指出了力敏感受体介导细胞功能调控的力学生物学研究发展趋势和未来方向.
虚单元计算方法的最新理论与应用进展
刘传奇, 许广涛, 魏宇杰
 doi: 10.6052/1000-0992-22-037
摘要(132) HTML(13) PDF(67)
虚单元方法是近几年在计算领域迅速发展的一种先进数值方法, 相比于有限元方法, 该方法放松了对单元凸凹性的限制, 可适用于任意形状的多边形单元, 因而在处理悬挂节点、接触、多晶体变形等特定问题方面具有优势, 是当前计算力学领域的国际前沿与热点方向. 本文全面综述了虚单元方法的理论发展, 通过介绍该方法对泊松方程、线弹性、非线性等问题的应用, 向读者展示了虚单元法的理论核心以及它和有限元方法的异同. 尽管目前虚单元法的发展还处在起步阶段, 读者将通过本文看得该方法在诸多的非线性问题、接触问题、裂纹扩展以及多场耦合方面所展现的潜力. 作者们希望通过这篇对虚单元方法最新理论与应用进展的综述, 为面临单元凸凹性等问题苦恼的计算领域科研工作者提供一种新的解决方案; 同时为对工程科学计算感兴趣的青年科研人员提供关于虚单元方法的快速而系统的全面认知, 以期青年学者能融会贯通, 发展出适应我国计算力学需求的新型算法与高性能软件.
近场动力学在断裂力学领域的研究进展
张恒, 张雄, 乔丕忠
 doi: 10.6052/1000-0992-22-023
摘要(419) HTML(43) PDF(181)
近场动力学采用非局部积分计算节点内力, 利用统一数学框架描述空间连续与非连续, 避免了非连续区局部空间导数引起的应力奇异, 数值上具有无网格属性, 可自然模拟材料结构的断裂问题. 本文概述了近场动力学的弹性本构力模型, 系统介绍了近场动力学临界伸长率、临界能量密度以及材料强度相关的键失效准则. 详细介绍了近场动力学在断裂力学领域的研究进展, 包括断裂参数能量释放率与应力强度因子的求解、J积分、混合型裂纹、弹塑性断裂、黏聚力模型、动态断裂、材料界面断裂以及疲劳裂纹扩展等. 最后讨论了断裂问题近场动力学研究的发展方向.
热湍流研究的新十年: 从聚焦传统到延伸拓展
谢毅超, 张路, 丁广裕, 陈鑫, 郗恒东, 夏克青
 doi: 10.6052/1000-0992-22-024
摘要(233) HTML(44) PDF(83)
热湍流 (浮力驱动湍流) 作为一种典型的湍流现象, 广泛存在于自然界和工程应用中. Rayleigh-Bénard (RB) 湍流是从众多自然现象中抽象出来研究热湍流的经典模型, RB湍流的典型特征是系统中存在大尺度环流和羽流等不同尺度的湍流结构, 这些结构通过作用于边界层, 影响RB湍流的输运效率. 因此, 明确不同尺度湍流结构的生成、演化和作用机理, 对理解RB湍流的输运特性至关重要, 也是通过控制湍流结构调控输运效率的科学基础. 本文重点从湍流结构的时空演化规律、输运特性、湍流调控和热湍流在其他领域的拓展四个方面评述近十年来RB湍流研究所取得的新进展, 并对今后的研究方向做出展望.
声学/弹性相位梯度超表面设计: 原理、功能基元、可调和编码
陈阿丽, 汪越胜, 王艳锋, 周红涛, 袁思敏
 doi: 10.6052/1000-0992-22-031
摘要(258) HTML(106) PDF(124)
声学/弹性超表面是一类亚波长厚度的二维超材料, 具有很强的声波/弹性波操控能力, 在声学成像、通信、隐身、伪装、振动/噪声控制、能量收集、无损检测等领域具有潜在的应用. 本文主要综述了声学/弹性相位梯度超表面的最新发展, 包括设计原理、功能基元设计、波场操控及其应用、可调超表面设计, 以及新兴的数字编码超表面. 最后, 展望了该领域未来的研究方向.
大型漂浮式风电装备耦合动力学研究: 历史、进展与挑战
温斌荣, 田新亮, 李占伟, 彭志科
 doi: 10.6052/1000-0992-22-018
摘要(280) HTML(79) PDF(165)
风电是可再生能源的主力军, 在优化能源结构、缓解气候变化方面发挥着重要作用. 经过数十年的发展, 风电装备逐渐向大型化和离岸化方向发展, 并由此形成“由陆向海, 由浅入深, 由固定式向漂浮式”的演变之路. 在水深大于50米的深远海域, 采用漂浮式支撑基础搭载大型或超大型风电机组是兼顾技术可行度和成本优势的理想选择. 如今, 大型漂浮式风机已成为下一代深远海风能大规模开发的主力装备, 是深化海洋风能开发的先导战略性高端装备, 是风电领域的研究热点和技术高地. 本文围绕大型漂浮式风电装备耦合动力学问题, 综述了国内外浮式风电技术的发展历程和研究现状, 结合作者团队多年的研究与实践经验, 介绍了浮式风机耦合动力学及其优化控制中的基础问题与研究现状, 总结了现阶段浮式风机耦合动力学研究中的困难与挑战, 为浮式风电研究人员提供参考.
研究综述
裂纹体分析的权函数理论与应用: 回顾和展望
吴学仁, 徐武
2022, 52(3): 415-507.   doi: 10.6052/1000-0992-21-060
摘要(471) HTML(147) PDF(142)
摘要:
断裂力学是工程材料和结构的疲劳与断裂分析、损伤容限设计和结构完整性评定的理论基础. 应力强度因子作为线弹性裂纹尖端奇异场的单一表征参量和裂纹扩展驱动力, 在裂纹体的断裂力学分析中发挥着关键作用. 权函数法为复杂受载裂纹体的应力强度因子求解计算提供了强有力的解析工具, 不但具有远高于各类数值解法的计算效率, 而且精度可靠, 使用方便. 本文结合笔者团队在权函数法方面的长期研究工作, 对该方法自20世纪70年代初提出至今半个世纪以来, 国际断裂界在二维和三维权函数理论与应用方面的主要研究进展作了回顾和评述, 并对其未来发展提出了展望. 主要内容涵盖: 当前国际断裂界广泛应用的3种二维裂纹解析权函数法简介和以格林函数为基准的验证评价; 三维裂纹问题的片条合成权函数法和点载荷权函数法; 权函数法在复杂受载裂纹体的应力强度因子和裂纹张开位移等关键力学参量计算、内聚力/桥连等裂纹模型分析、共线多裂纹权函数理论及其在剩余强度预测等方面的应用, 以及复杂裂纹几何的工程化权函数分析和权函数法的反向应用问题.
力学超材料研究进展与减振降噪应用
尹剑飞, 蔡力, 方鑫, 肖勇, 杨海滨, 张弘佳, 钟杰, 赵宏刚, 郁殿龙, 温激鸿
2022, 52(3): 508-586.   doi: 10.6052/1000-0992-22-005
摘要(1543) HTML(325) PDF(760)
摘要:
力学超材料是一类由人工微结构单元构筑的复合结构或复合材料, 具有天然材料所不具备的静力学/动力学性能. 由于这些超常特性通常取决于微结构单元而非材料组分, 这就为力学性能调控和结构功能材料设计提供了新思路. 本文在简述力学超材料概念的提出、发展及其超常力学性能的基础上, 以装备减振降噪工程需求为牵引, 重点探讨力学超材料在水声调控, 空气声吸隔声降噪, 结构减振抗冲设计等方面的应用探索及发展趋势, 为相关领域的科研及工程人员提供一定参考.
神经系统疾病与认知动力学(II): 神经振荡与认知动力学
韩芳, 樊登贵, 张丽媛, 王青云, 顾晓春, 王直杰
2022, 52(3): 587-622.   doi: 10.6052/1000-0992-21-065
摘要(435) HTML(118) PDF(99)
摘要:
大脑神经系统具有从慢到快多种不同的振荡节律, 这些节律振荡被认为参与了大脑多种功能的实现, 其中高频的伽马同步振荡被认为与大脑的认知功能最为相关. 本文阐述了生物学实验方面关于伽马振荡及其功能的研究进展, 并针对实验中伽马振荡的频率敏感依赖于外部刺激特征的现象, 综述了基于神经网络模型进行变频伽马振荡及其认知功能的动力学建模研究工作, 解释了视觉刺激调控的变频率伽马振荡动力学产生机理, 提出了基于同步抑制增强全局放电率对比度的神经认知机制. 研究成果有助于理解神经系统同步振荡的产生机理及其认知作用, 为大脑认知原理以及类脑智能的研究奠定基础.
非球形颗粒两相流的数值模拟研究进展
崔智文, 王泽, 蒋新宇, 赵立豪
2022, 52(3): 623-672.   doi: 10.6052/1000-0992-22-006
摘要(316) HTML(45) PDF(104)
摘要:
非球形颗粒两相流是多相流的重要研究方向之一, 常见于自然界及工业生产过程中. 不同于球形颗粒, 由于非球形颗粒形状的各向异性, 除了颗粒平动行为, 还需要考虑颗粒的转动与取向行为, 颗粒的取向与转动行为会影响颗粒所受的力和力矩. 为了准确模拟非球形颗粒的运动行为, 目前非球形颗粒两相流的数值模拟研究主要基于欧拉−拉格朗日的求解框架展开, 常见的非球形颗粒两相流数值模拟方法主要包括点颗粒法与全分辨颗粒法. 本文将对这两类方法进行介绍, 同时会全面介绍非球形颗粒两相流研究的基础理论模型, 并系统总结非球形颗粒在简单基本流和复杂湍流中的研究进展, 包括对于非球形颗粒在湍流中的取向与转动行为机理, 以及颗粒对湍流减阻调制作用的研究. 最后, 本文提出了非球形颗粒两相流研究存在的问题及未来研究方向.
轻质点阵超结构设计及多功能力学性能调控方法
吴文旺, 夏热
2022, 52(3): 673-718.   doi: 10.6052/1000-0992-22-002
摘要(515) HTML(200) PDF(263)
摘要:
随着先进制造技术、多学科交叉和人工智能科技的飞速发展, 高端装备呈现出轻量化、集成化、复合化、功能化、智能化、柔性化和仿生化等发展趋势. 传统结构研究存在结构设计和制造相互分离, 复杂结构制造效率低、实际制造结构的性能指标和使用可靠性大幅低于设计理论预测、结构多功能一体化程度不足、经济成本过高等问题. 此外, 先进工业装备对材料、结构的使用性能、使用环境要求越来越高, 亟需开展结构的设计、制造、功能、应用一体化研究, 为解决我国先进制造“卡脖子”技术难题提供理论依据和技术支持. 轻量化多功能点阵超结构具有轻质高强、抗冲击吸能、减振降噪等性能优势, 在航空航天、交通运输、国防、生物医疗、能源、机械等工业领域具有巨大的应用潜力. 有鉴于此, 受多晶体微结构的多尺度力学设计启发, 以“点阵超结构力学设计”为主题, 开展点阵超结构的节点、杆件组元, 胞元类型、双相结构、梯度结构、多层级结构等典型点阵超结构的几何构筑和力学设计, 并阐明多晶体多尺度微观结构启发的点阵超结构力学设计基本原理、多功能力学性能调控方法, 以及点阵超结构在不同类型载荷下的结构变形和失效物理机理.
研究通讯
水平电场下界面波的Hamilton原理与多尺度建模
王展
2022, 52(3): 719-729.   doi: 10.6052/1000-0992-22-035
摘要(118) HTML(20) PDF(25)
摘要:
本文研究水平电场下两层电介质流体间界面波动的多尺度建模. 首先对此系统的Hamilton原理给出详细证明; 然后基于Hamilton结构和Dirichlet–Neumann算子的解析性质, 将Hamilton量中的动能与电势能展开成收敛级数形式并确定截断阶数, 最后通过计算截断后近似总能量的变分导数得到约化模型. 上述过程对该问题给出了一套建立多尺度非线性模型的系统方法. 文章再以“上层深水、下层浅水”为例详细阐述了多尺度建模的全过程, 并利用修正的Petviashvili迭代方法计算了新模型中的非线性相干结构. 本文所发展的渐近分析技巧不同于之前的工作, 其优点在于所导出的约化模型自然保留能量守恒的性质; 同时, 本文亦将原有结果推广至三维情形.
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面向火星探测的环氧形状记忆聚合物复合材料的性能研究
张豆, 刘立武, 徐鹏飞, 赵印中, 李奇峰, 兰鑫, 张风华, 王林林, 万雪, 邹昕, 曾成均, 辛晓洲, 戴雯煦, 李莹, 何延春, 刘彦菊, 冷劲松
当前状态:  doi: 10.6052/1000-0992-22-041
摘要(21) HTML(4) PDF(7)
摘要:
国家火星探测任务是建设航天强国进程中的重大标志性工程, 是中国航天走向更远深空的里程碑工程. 智能材料这种集材料、结构和功能于一体的先进材料将会对火星探测任务有所助力. 形状记忆聚合物及其复合材料作为一种典型的智能材料, 可在有效减轻载荷的同时实现自主变形, 已经在地球同步轨道航天器的应用中崭露头角. 因此有必要研究这种新型环氧基形状记忆聚合物复合材料应用于火星探测工程的可能性. 首先, 针对“天问一号”火星探测器的任务需求, 设计了一个具有自释放功能的着陆平台国旗装置. 其中的锁紧释放装置由碳纤维增强的形状记忆聚合物复合材料制成, 分别从静态拉伸力学性能、动态热机械性能和形状记忆性能三个角度评估了空间辐照和长期存储对形状记忆聚合物复合材料的影响. 其中, 空间辐照包括γ射线和紫外射线, 辐照剂量分别为5 × 105 rad和23.6 kCal. 长期存储分为低温−196 ℃、室温25 ℃和高温85 ℃存储1个月, 和低温−196 ℃存储15个月两组实验. 最后, 从“祝融号”火星车所携带相机拍摄的照片可以看到五星红旗被成功释放, 旗面平整、图案清晰. 这说明所研究的环氧基形状记忆聚合物复合材料可成功应用于火星探测任务, 未来有望以多种结构形式助力我国的火星采样返回乃至其它深空探测任务.
折纸运动学综述
陈焱, 顾元庆
当前状态:  doi: 10.6052/1000-0992-22-040
摘要(37) HTML(6) PDF(25)
摘要:
随着二十一世纪折纸工程学的发展, 折纸不再仅仅是一项民间艺术, 一方面数学家前期的大量工作随之浮出水面, 另一方面工程应用对折纸结构折叠过程的描述与分析都提出了新的挑战. 同时, 折纸的对象也不再局限于简单的纸张, 工程中存在大量的厚度不可忽略的平板结构, 他们的折叠展开问题一直困扰着相关的工程应用. 近几年的超材料的发展给模块化折纸带来了一次从玩具到高科技的飞跃, 然而如何协调的安排这些折纸模块使得整体结构展现出超常且可变化调控的性能是折纸领域的新热点. 由此可见, 折纸运动学在诸多应用与探索方面都起到了决定性的基础作用. 本文重点介绍了已有的机构学理论与方法及其在各种折纸结构分析设计中的应用, 旨在为折纸工程学的发展提供坚实的理论技术基础.
我国航空航天结构强度事业的开拓者——黄玉珊
索涛, 李玉龙, 郭万林
当前状态:  doi: 10.6052/1000-0992-22-038
摘要(81) HTML(10) PDF(29)
摘要:
黄玉珊先生是我国著名的力学家、航空航天科学家, 新中国航空高等教育的奠基人. 他不满14岁考入大学, 不满23岁时师从国际著名力学大师铁摩辛柯获博士学位, 随即义无反顾地回到战火连绵的祖国, 受聘中央大学教授. 新中国成立后, 面对航空工业初建时期技术基础薄弱、人才储备不足、教育体系不完善的困境, 他呕心沥血, 鞠躬尽瘁, 建立新学科, 开创新局面, 毕生致力于祖国航空航天教育和科技事业. 他被认为是我国旧飞机疲劳定寿和延寿、损伤容限评定和新飞机损伤容限设计最早的创始人之一, 也是我国飞机自激励振动研究和航天结构环境强度事业的开拓者. 本文通过回顾黄玉珊先生在固体力学、航空航天结构强度领域的主要学术成果和卓越贡献, 缅怀其坚定不移的报国情怀、严谨求实的治学态度、勇于开拓的创新精神、高瞻远瞩的学术视野以及求真务实的教育思想.
我国航空航天结构强度事业的开拓者——黄玉珊
索涛, 李玉龙, 郭万林
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