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doi: 10.6052/1000-0992-21-019
摘要
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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.
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doi: 10.6052/1000-0992-20-036
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.
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doi: 10.6052/1000-0992-21-030
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.
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doi: 10.6052/1000-0992-21-028
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.
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doi: 10.6052/1000-0992-20-030
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.
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doi: 10.6052/1000-0992-21-013
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.
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doi: 10.6052/1000-0992-21-010
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.
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doi: 10.6052/1000-0992-21-003
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.
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doi: 10.6052/1000-0992-21-027
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.
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doi: 10.6052/1000-0992-21-002
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.
2021, 51(2): 189-256.
doi: 10.6052/1000-0992-21-015
摘要:
拓扑绝缘体起源于量子波动系统, 因其单向传输、能量无耗散等新奇物理性质, 近年逐渐被拓展到电磁波、声波、弹性波等经典波动领域, 为经典波的调控提供了新思路. 本文将系统介绍拓扑绝缘体理论及其在弹性波领域的相关研究进展. 首先以一维、二维离散点阵系统为例, 阐释拓扑物理研究中的基本数学、物理概念, 如狄拉克锥、能带翻转、贝里曲率、拓扑数等. 随后, 依次讨论弹性系统谷霍尔绝缘体、陈绝缘体、自旋霍尔绝缘体的设计思想及目前研究进展, 并讨论了近年来逐渐受关注的高阶拓扑现象. 最后, 讨论了静力学中拓扑孤立子、拓扑零能模式现象.
拓扑绝缘体起源于量子波动系统, 因其单向传输、能量无耗散等新奇物理性质, 近年逐渐被拓展到电磁波、声波、弹性波等经典波动领域, 为经典波的调控提供了新思路. 本文将系统介绍拓扑绝缘体理论及其在弹性波领域的相关研究进展. 首先以一维、二维离散点阵系统为例, 阐释拓扑物理研究中的基本数学、物理概念, 如狄拉克锥、能带翻转、贝里曲率、拓扑数等. 随后, 依次讨论弹性系统谷霍尔绝缘体、陈绝缘体、自旋霍尔绝缘体的设计思想及目前研究进展, 并讨论了近年来逐渐受关注的高阶拓扑现象. 最后, 讨论了静力学中拓扑孤立子、拓扑零能模式现象.
2021, 51(2): 257-294.
doi: 10.6052/1000-0992-20-002
摘要:
在高超声速飞行技术领域, 特别是涉及到高焓气体流动的研究, 高超声速风洞试验仍然是目前最可靠的研究手段. 风洞流场的品质是高超声速风洞研发最重要的一项性能指标, 其取决于喷管设计采用的理论与方法, 也是风洞设计最关注的一项核心技术. 针对二维轴对称型面喷管设计, 本文首先综述了传统高超声速喷管设计的主要理论和常用方法, 它们在高超声速喷管设计中曾经发挥了重要作用, 包括理论方法, 近似方法和基于两者的修正方法. 然后, 考虑高温气体效应, 分析了高焓喷管设计时面临的困难与问题, 从流动介质物性变化、高温边界层发展和非平衡过程效应三方面, 综述了国内外在高超声速高焓喷管设计方面的研究进展. 最后, 对于高焓喷管的设计理论和方法的发展作了展望, 期望对于推动我国高超声速高焓喷管设计技术的发展提供一些有意义的启示.
在高超声速飞行技术领域, 特别是涉及到高焓气体流动的研究, 高超声速风洞试验仍然是目前最可靠的研究手段. 风洞流场的品质是高超声速风洞研发最重要的一项性能指标, 其取决于喷管设计采用的理论与方法, 也是风洞设计最关注的一项核心技术. 针对二维轴对称型面喷管设计, 本文首先综述了传统高超声速喷管设计的主要理论和常用方法, 它们在高超声速喷管设计中曾经发挥了重要作用, 包括理论方法, 近似方法和基于两者的修正方法. 然后, 考虑高温气体效应, 分析了高焓喷管设计时面临的困难与问题, 从流动介质物性变化、高温边界层发展和非平衡过程效应三方面, 综述了国内外在高超声速高焓喷管设计方面的研究进展. 最后, 对于高焓喷管的设计理论和方法的发展作了展望, 期望对于推动我国高超声速高焓喷管设计技术的发展提供一些有意义的启示.
2021, 51(2): 295-341.
doi: 10.6052/1000-0992-20-027
摘要:
经过长期的自然选择, 自然界中的动物已经进化出各种各样高效的、可靠的、适应性强的抗冲击策略和机体防护机制, 抵抗来自周围复杂环境的碰撞和冲击载荷, 保护生物外部结构和内部器官在进行激烈生物活动时不受伤害. 相比传统工程防护结构, 这些天然的生物防御系统具有优异的抗冲击特性、高效的能量耗散效率以及可重复使用等特征. 因此, 近年来, 关于探索生物及其仿生机理的研究越来越受到广大学者的关注. 本文作者结合近期在该领域的研究成果, 综述了自然界各类动物的抗冲击策略与身体防护机制及其相关仿生设计与应用的最新研究进展. 特别地, 我们归纳分析和讨论了面对不同载荷环境时生物抗冲击结构独特的进化过程和非凡的力学性能, 并且介绍了相关的抗冲击仿生应用研究. 最后, 讨论了动物抗冲击策略与防护机制及其仿生应用研究的挑战和未来发展方向. 本文可为研究人员和工程师提供有效的数据资料, 为可重复使用能量吸收装置及其飞行器结构的抗冲击与防护设计提供有益借鉴和仿生依据.
经过长期的自然选择, 自然界中的动物已经进化出各种各样高效的、可靠的、适应性强的抗冲击策略和机体防护机制, 抵抗来自周围复杂环境的碰撞和冲击载荷, 保护生物外部结构和内部器官在进行激烈生物活动时不受伤害. 相比传统工程防护结构, 这些天然的生物防御系统具有优异的抗冲击特性、高效的能量耗散效率以及可重复使用等特征. 因此, 近年来, 关于探索生物及其仿生机理的研究越来越受到广大学者的关注. 本文作者结合近期在该领域的研究成果, 综述了自然界各类动物的抗冲击策略与身体防护机制及其相关仿生设计与应用的最新研究进展. 特别地, 我们归纳分析和讨论了面对不同载荷环境时生物抗冲击结构独特的进化过程和非凡的力学性能, 并且介绍了相关的抗冲击仿生应用研究. 最后, 讨论了动物抗冲击策略与防护机制及其仿生应用研究的挑战和未来发展方向. 本文可为研究人员和工程师提供有效的数据资料, 为可重复使用能量吸收装置及其飞行器结构的抗冲击与防护设计提供有益借鉴和仿生依据.
2021, 51(2): 342-363.
doi: 10.6052/1000-0992-20-038
摘要:
薄膜结构褶皱失稳在微观和宏观尺度会出现相似的形貌, 在过去二十年里引发了学者们极大的研究兴趣. 而几何曲率对薄膜结构的失稳临界、形貌选择和后屈曲演化起着至关重要的作用. 本文回顾近二十年来平面和曲面薄膜结构褶皱失稳力学研究进展, 聚焦曲率影响下的薄膜拉伸和膜基结构在各种激励下的稳定性问题. 有限应变板壳理论模型和数值计算方法的发展推动了对曲率影响下薄膜结构表面形貌多重分岔转变的定量理解、预测和追踪, 不仅推进了对薄膜结构失稳机理的深入理解, 也为抑制褶皱或利用失稳实现多功能表面制造提供了理论基础, 可促进拓扑形貌相关的功能性膜结构的设计及优化.
薄膜结构褶皱失稳在微观和宏观尺度会出现相似的形貌, 在过去二十年里引发了学者们极大的研究兴趣. 而几何曲率对薄膜结构的失稳临界、形貌选择和后屈曲演化起着至关重要的作用. 本文回顾近二十年来平面和曲面薄膜结构褶皱失稳力学研究进展, 聚焦曲率影响下的薄膜拉伸和膜基结构在各种激励下的稳定性问题. 有限应变板壳理论模型和数值计算方法的发展推动了对曲率影响下薄膜结构表面形貌多重分岔转变的定量理解、预测和追踪, 不仅推进了对薄膜结构失稳机理的深入理解, 也为抑制褶皱或利用失稳实现多功能表面制造提供了理论基础, 可促进拓扑形貌相关的功能性膜结构的设计及优化.
2021, 51(2): 364-375.
doi: 10.6052/1000-0992-21-016
摘要:
eN方法是物理意义明确的转捩预测方法之一, 但它无法考虑边界层中的局部突变(如粗糙元、缝隙、台阶等)对转捩的影响. 而后者在飞行器表面经常出现. 近期发展的局部散射理论框架提供了该问题的有效解决途径. 该理论框架从转捩的物理机理出发, 定量刻画局部感受性和线性模态的局部散射两个机制, 并用参数化的感受性系数和透射系数修正转捩判据. 为了验证该理论框架的有效性, 设计了一套高超声速边界层的直接数值模拟方案: 分别在光滑壁与粗糙壁两种工况下引入相同的初始失稳模态, 计算它们触发转捩的过程, 并定量考察粗糙元对转捩的影响. 数值模拟结果与描述线性模态局部散射机制的理论预测吻合很好.
eN方法是物理意义明确的转捩预测方法之一, 但它无法考虑边界层中的局部突变(如粗糙元、缝隙、台阶等)对转捩的影响. 而后者在飞行器表面经常出现. 近期发展的局部散射理论框架提供了该问题的有效解决途径. 该理论框架从转捩的物理机理出发, 定量刻画局部感受性和线性模态的局部散射两个机制, 并用参数化的感受性系数和透射系数修正转捩判据. 为了验证该理论框架的有效性, 设计了一套高超声速边界层的直接数值模拟方案: 分别在光滑壁与粗糙壁两种工况下引入相同的初始失稳模态, 计算它们触发转捩的过程, 并定量考察粗糙元对转捩的影响. 数值模拟结果与描述线性模态局部散射机制的理论预测吻合很好.
2021, 51(2): 376-381.
doi: 10.6052/1000-0992-21-012
摘要:
本文概述了基于视频的机械装备全场振动测量的研究动态和应用前景. 重点讨论了该技术在两个场景中的独特优势: 大尺寸和处于运动叠加中的装备的振动测量问题, 总结了近几年的最新进展和挑战, 最后简述了该方向的发展趋势.
本文概述了基于视频的机械装备全场振动测量的研究动态和应用前景. 重点讨论了该技术在两个场景中的独特优势: 大尺寸和处于运动叠加中的装备的振动测量问题, 总结了近几年的最新进展和挑战, 最后简述了该方向的发展趋势.
2021, 51(2): 382-385.
doi: 10.6052/1000-0992-21-029
摘要:
实验表明由软硬融合方式构造机电系统、力电耦合软体智能材料驱动的软体机器人无需耐压外壳即可适应极高静水压力(110 MPa)并实现驱动.
实验表明由软硬融合方式构造机电系统、力电耦合软体智能材料驱动的软体机器人无需耐压外壳即可适应极高静水压力(110 MPa)并实现驱动.
2021, 51(2): 386-405.
doi: 10.6052/1000-0992-21-018
摘要:
张阿舟先生是我国著名的航空工程专家、固体力学家、教育家. 在20世纪后半叶，尤其是在新中国工业化初期的艰苦条件下，他面向我国航空工业发展需求，攻坚克难、培养后学，取得了突出成就. 本文全面回顾张阿舟先生的学术生涯, 介绍他在飞机结构强度、结构动力学、工程动力学反问题三个领域的主要学术贡献, 归纳他的治学特点. 文中介绍了张阿舟先生的航空报国情怀，以丰富的事例说明：他在主持新中国第一架飞机静力试验研究中发挥了核心作用, 在开拓我国飞机结构静/动强度等研究领域中发挥了引领作用, 在培养航空、力学领域的优秀人才中发挥了重要指导作用.
张阿舟先生是我国著名的航空工程专家、固体力学家、教育家. 在20世纪后半叶，尤其是在新中国工业化初期的艰苦条件下，他面向我国航空工业发展需求，攻坚克难、培养后学，取得了突出成就. 本文全面回顾张阿舟先生的学术生涯, 介绍他在飞机结构强度、结构动力学、工程动力学反问题三个领域的主要学术贡献, 归纳他的治学特点. 文中介绍了张阿舟先生的航空报国情怀，以丰富的事例说明：他在主持新中国第一架飞机静力试验研究中发挥了核心作用, 在开拓我国飞机结构静/动强度等研究领域中发挥了引领作用, 在培养航空、力学领域的优秀人才中发挥了重要指导作用.
2021, 51(2): 406-426.
doi: 10.6052/1000-0992-21-034
摘要:
自20世纪70年代以来, 类固体非晶态材料变形与失效的理论模型相继出现, 这些模型基于应力驱动分子重排从而在局部流动缺陷处发生剪切转变这一物理图像. 该图像是现代剪切转变区理论的基础, 也是本综述的焦点. 我们将首先概述该理论框架并给出一些应用案例, 特别是块体金属玻璃应力−应变测量结果的阐释, 剪切带数值模拟分析和剪切转变区运动方程在自由边界计算中的应用. 在本综述的第二部分, 为简单起见, 将关注非晶塑性的非热模型, 并基于该模型说明剪切转变区理论是如何从非平衡热力学的系统描述中发展起来的.
自20世纪70年代以来, 类固体非晶态材料变形与失效的理论模型相继出现, 这些模型基于应力驱动分子重排从而在局部流动缺陷处发生剪切转变这一物理图像. 该图像是现代剪切转变区理论的基础, 也是本综述的焦点. 我们将首先概述该理论框架并给出一些应用案例, 特别是块体金属玻璃应力−应变测量结果的阐释, 剪切带数值模拟分析和剪切转变区运动方程在自由边界计算中的应用. 在本综述的第二部分, 为简单起见, 将关注非晶塑性的非热模型, 并基于该模型说明剪切转变区理论是如何从非平衡热力学的系统描述中发展起来的.
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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。
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。
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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
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
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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。
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。
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doi: 10.6052/1000-0992-21-033
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.
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
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doi: 10.6052/1000-0992-20-024
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.
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.
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doi: 10.6052/1000-0992-21-037
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.
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.
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