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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(376) HTML(89) PDF(149)
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.
绕椭球的低速流动研究
丛成华, 邓小刚, 毛枚良
 doi: 10.6052/1000-0992-20-036
摘要(58) HTML(17) PDF(36)
理解和预测绕椭球的流动对指导飞行器和潜艇等交通工具的设计具有很强的工程意义. 近年来, 针对椭球绕流开展了大量的实验和数值模拟研究. 对有攻角下椭球绕流分离的定性描述和定量研究, 促进了对三维分离的辨识和拓扑研究. 文章对流场特性进行了分析, 介绍了分离对气动力、噪声、尾迹的影响, 以及实验条件对流动的影响. 上述定常流动与非定常机动过程之间存在明显差异, 非定常机动过程不能作为定常或准定常问题处理, 在机动过程中, 分离出现明显延迟, 气动力出现明显变化. 随后介绍了数值模拟在求解绕椭球流动中的进展, 当前求解RANS湍流模式仍然是解决绕椭球大范围分离流动的主要工程方法, LES和DES等也逐渐得到了广泛应用. 受限于计算能力, DNS只能用于较低雷诺数, 在高雷诺数流动中还不适用. 非定常机动过程的数值模拟较定常状态, 与实验结果的差距要大一些. 最后, 介绍了对椭球绕流场转捩的研究进展, 对T-S转捩与横流转捩的机理和辨识已经较为准确, 数值模拟结果与实验结果基本相符, 但对再附转捩的认识还不够清晰, 尤其是迎风面, 因此椭球绕流转捩的研究还需要依靠实验.
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(151) HTML(71) PDF(46)
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.
井下管柱力学与控制方法若干研究进展
高德利, 黄文君
 doi: 10.6052/1000-0992-21-028
摘要(125) HTML(36) PDF(25)
关于井下管柱力学的研究迄今已有七十多年的历程, 取得了许多重要的研究成果, 并主要在油气井工程中获应用实效. 然而, 由于井眼约束和作业工况的复杂性, 目前仍未能够全面而准确地揭示井下管柱在狭长井眼内的复杂力学行为, 导致相关工程设计控制方法难以解决好实际遇到的许多复杂问题. 本文回顾了井下管柱力学的整体发展脉络, 重点讨论井下管柱的静力学变形控制方程, 然后针对井下管柱力学中的几个重要科学问题, 包括井下管柱屈曲、井下管柱摩阻磨损、井下管柱安全作业极限和底部钻具组合力学特性及其相应的设计控制方法等, 分别简要介绍了相关研究进展、最新研究成果及存在的一些问题等, 并在一定程度上进行了总结与展望, 以期为井下管柱力学与控制方法的创新发展并促进油气井工程技术进步提供有益参考.
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(386) HTML(65) PDF(117)
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(197) HTML(88) PDF(74)
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.
飞行器非线性气动伺服弹性力学
黄锐, 胡海岩
 doi: 10.6052/1000-0992-21-010
摘要(181) HTML(77) PDF(37)
现代飞行器日益呈现结构轻质化、控制系统宽通带和高权限的发展趋势. 因此, 非定常气动力、柔性结构和主动控制系统三者间的耦合力学成为重要的研究领域. 自20世纪80年代起, 航空界开始关注受控飞行器的气动弹性稳定性以及主动控制问题, 但对气动/结构的非线性效应、控制回路时滞对受控飞行器动力学行为的影响规律研究尚不充分. 研究这些影响规律不仅涉及非线性、高维数、多变参数和时滞效应等难题, 而且必须面对空气动力、飞行器结构、驱动机构、控制系统之间的强耦合问题. 其中的前沿难题是: 发展非线性气动伺服弹性动力学建模理论, 揭示上述因素诱发受控气动弹性振动的动力学机理, 开展气动伺服弹性控制风洞实验. 本文针对非线性气动伺服弹性力学所涉及的非线性非定常气动力建模、非线性结构动力学、气动伺服弹性控制律设计、气动伺服弹性实验, 总结相关研究现状和最新进展, 特别是近年来作者学术团队的研究成果, 并对进一步研究给出若干建议.
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(177) HTML(69) PDF(50)
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(120) HTML(46) PDF(29)
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(216) HTML(28) PDF(20)
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.
研究综述
研究通讯
研究展望
前沿聚焦
力学界
译文
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(2) PDF(1)
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(4) PDF(0)
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
深井提升动力学研究
何满潮
当前状态:
摘要(4) PDF(0)
摘要:
随着浅部煤炭资源的日益枯竭,我国煤炭开采朝着深部化和大型化方向发展,新建和改扩建的大型立井年生产能力已达1000万t,开采最大深度已达1500m。千米深井在提升过程中,造成提升钢丝绳、容器振荡,特别是自由悬挂平衡尾绳大幅度摆动,严重影响多绳摩擦提升系统向高速度、深度化发展。在国家重点研发计划“深地资源勘查开采”重点专项“煤矿深井建设与提升基础理论及关键技术”支持下,建立了网格数量自适应的自由悬挂平衡尾绳提升系统动力学模型,揭示了传统提升系统诱发平衡尾绳大摆动的机理;提出了深井SAP提升新模式,构建了多元耦合下的SAP提升系统动力学模型与非光滑动力学模型,揭示了多参数影响下系统的非光滑动力学特性及非线性振动演化规律;研发了适用于深部提升的SAP提升技术与装备,开展了SAP提升技术与装备的现场研究,解决了大强煤矿立井提升系统运行过程中尾绳大摆动、提升容器大振动等关键问题,提高了提升系统高速运行的安全性,消除了尾绳大摆动难控制的问题。
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(26) HTML(5) PDF(8)
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.
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(38) HTML(6) PDF(9)
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.
金属增材制造若干关键力学问题研究进展
廉艳平, 王潘丁, 高杰, 刘继凯, 李取浩, 刘长猛, 贺小帆, 高亮, 李好, 雷红帅, 李会民, 肖登宝, 郭旭, 方岱宁
当前状态:  doi: 10.6052/1000-0992-21-037
摘要(770) HTML(114) PDF(218)
摘要:
金属增材制造是一种兼顾复杂结构和高性能构件成形需求的颠覆性制造技术, 在航空、航天、交通、核电等领域具有广阔的应用前景和发展空间. 该技术大规模推广应用所面临的制造效率和控形保性挑战是一个涉及力学、光学、材料、机械、控制等多学科交叉的难题. 本文针对其中涉及的若干关键力学问题, 阐述了近年来国内外在面向金属增材制造的结构拓扑优化设计、制造过程数值模拟、成形材料与结构的缺陷表征和性能评价方面的研究进展, 并对金属增材制造的结构设计−制造模拟−性能评价的发展趋势进行了展望.