2026, 56(3): 535-569.
doi: 10.6052/1000-0992-25-032
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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.
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.
2026, 56(3): 570-599.
doi: 10.6052/1000-0992-25-029
摘要:
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(extra-cellular matrix, 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.
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(extra-cellular matrix, 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.
2026, 56(3): 600-661.
doi: 10.6052/1000-0992-25-022
摘要:
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.
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.
2026, 56(3): 662-692.
doi: 10.6052/1000-0992-25-037
摘要:
凭借其三维波浪状独特外形的胡须, 斑海豹展现出卓越的水下感知能力. 研究证实, 斑海豹可感知流速低至245 μm/s 的微弱涡流, 还能追踪180 m外的目标在35 s前遗留下的水中尾迹. 这一能力凸显出斑海豹胡须在水下涡流感知和目标尾迹追踪方面的独特优势. 目前, 以斑海豹胡须为原型的传感器设计已成为仿生科学与工程领域的研究热点, 在水下目标探测与识别等方面展现出广阔应用前景. 本文首先梳理斑海豹胡须形态特征和几何建模方面的研究成果, 总结并对比不同概化模型的优势与不足. 随后, 综述斑海豹胡须仿生模型水动力特性方面的研究进展, 涵盖均匀流场和尾迹流场中仿生模型的尾流特性和振动响应、斑海豹胡须的感知机理、阵列胡须之间的相互作用, 以及人工智能方法在感知信号识别中的应用等方面. 最后, 针对现有研究存在的不足和关键问题, 展望斑海豹胡须仿生科学与工程应用需要关注的若干研究方向.
凭借其三维波浪状独特外形的胡须, 斑海豹展现出卓越的水下感知能力. 研究证实, 斑海豹可感知流速低至245 μm/s 的微弱涡流, 还能追踪180 m外的目标在35 s前遗留下的水中尾迹. 这一能力凸显出斑海豹胡须在水下涡流感知和目标尾迹追踪方面的独特优势. 目前, 以斑海豹胡须为原型的传感器设计已成为仿生科学与工程领域的研究热点, 在水下目标探测与识别等方面展现出广阔应用前景. 本文首先梳理斑海豹胡须形态特征和几何建模方面的研究成果, 总结并对比不同概化模型的优势与不足. 随后, 综述斑海豹胡须仿生模型水动力特性方面的研究进展, 涵盖均匀流场和尾迹流场中仿生模型的尾流特性和振动响应、斑海豹胡须的感知机理、阵列胡须之间的相互作用, 以及人工智能方法在感知信号识别中的应用等方面. 最后, 针对现有研究存在的不足和关键问题, 展望斑海豹胡须仿生科学与工程应用需要关注的若干研究方向.
2026, 56(3): 693-743.
doi: 10.6052/1000-0992-25-034
摘要:
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.
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.
2026, 56(3): 744-782.
doi: 10.6052/1000-0992-25-027
摘要:
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.
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(3): 783-850.
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.
2026, 56(3): 851-868.
doi: 10.6052/1000-0992-25-045
摘要:
人工智能 (AI) 的崛起, 尤其在算法优化和大规模数据处理等方面跨越式的能力提升, 为人类解决能源危机提供了全新路径. 核聚变作为未来终极能源形式, 历经70余年发展已从基础研究迈向商业化临界点. 本文系统阐述了全球核聚变研究的发展现状与核心挑战, 深入分析了AI技术在核聚变装置控制、数据处理、模型优化、风险防控等关键领域的应用场景与实践成果, 探讨了AI与核聚变融合对全球能源格局的变革性影响, 最后展望了该领域的未来发展方向与行业布局, 为推动能源革命与科技进步提供参考.
人工智能 (AI) 的崛起, 尤其在算法优化和大规模数据处理等方面跨越式的能力提升, 为人类解决能源危机提供了全新路径. 核聚变作为未来终极能源形式, 历经70余年发展已从基础研究迈向商业化临界点. 本文系统阐述了全球核聚变研究的发展现状与核心挑战, 深入分析了AI技术在核聚变装置控制、数据处理、模型优化、风险防控等关键领域的应用场景与实践成果, 探讨了AI与核聚变融合对全球能源格局的变革性影响, 最后展望了该领域的未来发展方向与行业布局, 为推动能源革命与科技进步提供参考.
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doi: 10.6052/1000-0992-26-022
摘要:
随着能源短缺与环境问题的日益凸显, 开发清洁可再生能源已在全球范围内形成共识. 风能和水能因储量巨大和可再生特性, 被视为能量采集技术的理想能源. 力−电耦合机制决定了能量采集器的输出功率与频带适应能力, 是提升能量采集效率的切入点. 系统梳理了力−电耦合效应在风能与水能采集中的应用方法, 阐述基于动力学失稳的能量俘获机理、理论建模方法和性能增强策略. 在风能采集方向, 围绕涡激振动、颤振和驰振等典型流致振动现象, 分析非线性动力学响应特征, 并归纳了通过结构构型调整、引入非线性机制和多自由度耦合设计等途径拓展有效工作频带、提高机电转换效率的研究进展. 在水能采集方面, 总结了宏观波浪能采集方法中的线性共振响应和非线性频率提升等技术在提升能量转换效率方面的效果, 并对微尺度水能采集中的微纳米力学特性进行了讨论. 最后, 对基于力学设计能量收集技术的未来趋势进行了展望.
随着能源短缺与环境问题的日益凸显, 开发清洁可再生能源已在全球范围内形成共识. 风能和水能因储量巨大和可再生特性, 被视为能量采集技术的理想能源. 力−电耦合机制决定了能量采集器的输出功率与频带适应能力, 是提升能量采集效率的切入点. 系统梳理了力−电耦合效应在风能与水能采集中的应用方法, 阐述基于动力学失稳的能量俘获机理、理论建模方法和性能增强策略. 在风能采集方向, 围绕涡激振动、颤振和驰振等典型流致振动现象, 分析非线性动力学响应特征, 并归纳了通过结构构型调整、引入非线性机制和多自由度耦合设计等途径拓展有效工作频带、提高机电转换效率的研究进展. 在水能采集方面, 总结了宏观波浪能采集方法中的线性共振响应和非线性频率提升等技术在提升能量转换效率方面的效果, 并对微尺度水能采集中的微纳米力学特性进行了讨论. 最后, 对基于力学设计能量收集技术的未来趋势进行了展望.
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doi: 10.6052/1000-0992-26-021
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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. 本文报告了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. 本文报告了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: 10.6052/1000-0992-26-028
摘要:
振动诱发的结构疲劳、动态失稳与功能退化严重影响装备的服役可靠性, 因此实施有效的隔振措施至关重要. 然而, 传统线性隔振结构受制于低静刚度与承载能力之间固有矛盾, 难以实现有效的低频振动隔离. 近年来, 准零刚度隔振结构因其能保持高静刚度的同时显著降低动刚度, 从而将隔振频率拓展至低频甚至超低频, 而受到广泛关注. 本文以典型准零刚度隔振结构的实现方式为切入点, 系统综述了斜弹簧式、连杆−弹簧式、凸轮−滚子式、屈曲梁/板/环式、永磁铁式、折纸式以及仿生式等多种准零刚度隔振结构的设计方法. 在此基础上, 进一步梳理了多层准零刚度隔振结构与多向准零刚度隔振结构的研究进展, 并总结了准零刚度隔振结构在交通运输、机械传动、医疗器械、土木工程及输流管道等领域的典型应用. 面对工业装备向高端化、精密化持续演进的趋势, 本文最后结合拓扑优化、数据驱动建模、主动控制及振动能量俘获等新兴研究方向, 对准零刚度隔振技术的未来发展进行了展望, 以期为该领域的深入研究提供参考.
振动诱发的结构疲劳、动态失稳与功能退化严重影响装备的服役可靠性, 因此实施有效的隔振措施至关重要. 然而, 传统线性隔振结构受制于低静刚度与承载能力之间固有矛盾, 难以实现有效的低频振动隔离. 近年来, 准零刚度隔振结构因其能保持高静刚度的同时显著降低动刚度, 从而将隔振频率拓展至低频甚至超低频, 而受到广泛关注. 本文以典型准零刚度隔振结构的实现方式为切入点, 系统综述了斜弹簧式、连杆−弹簧式、凸轮−滚子式、屈曲梁/板/环式、永磁铁式、折纸式以及仿生式等多种准零刚度隔振结构的设计方法. 在此基础上, 进一步梳理了多层准零刚度隔振结构与多向准零刚度隔振结构的研究进展, 并总结了准零刚度隔振结构在交通运输、机械传动、医疗器械、土木工程及输流管道等领域的典型应用. 面对工业装备向高端化、精密化持续演进的趋势, 本文最后结合拓扑优化、数据驱动建模、主动控制及振动能量俘获等新兴研究方向, 对准零刚度隔振技术的未来发展进行了展望, 以期为该领域的深入研究提供参考.
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doi: 10.6052/1000-0992-26-020
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临近空间作为航空与航天的过渡区域, 具有大气稀薄、温度分层显著、风场强扰动等极端环境特征, 对飞行器气动、动力、控制及材料结构形成复杂耦合效应. 本文从“环境−飞行器耦合效应”的总体视角出发, 系统梳理了临近空间大气平均特性与时空演化规律并分析了环境参数向临近空间飞行器各子系统的传递链路及飞行包线约束. 在气动方面, 探讨了稀薄气体效应、风场扰动、气动加热、热化学非平衡以及边界层转捩与湍流模拟的关键问题; 在动力系统方面, 综述了亚燃/超燃冲压发动机、组合式发动机、爆震发动机以及电推进技术的环境适应性与面临的挑战; 在动力学与控制方面, 分析了跨域宽速域制导策略、强扰动下鲁棒控制方法以及智能控制与自主决策的发展现状与未来趋势; 在材料与结构方面, 阐述了极端热−力−声多场耦合下的热防护系统、主动热管理技术、噪声与振动抑制以及结构健康监测与数字孪生应用的研究进展和未来展望. 最后, 本文在上述不同领域提出了展望与若干研究建议. 与已有聚焦单一学科或特定效应的综述不同, 本文为临近空间飞行器总体及各系统研究提供了一套可参照的分析框架和关键技术方向, 有助于推动各领域从经验性设计向适应环境不确定性的精细化、一体化设计演进, 为未来临近空间飞行器的发展提供支撑.
临近空间作为航空与航天的过渡区域, 具有大气稀薄、温度分层显著、风场强扰动等极端环境特征, 对飞行器气动、动力、控制及材料结构形成复杂耦合效应. 本文从“环境−飞行器耦合效应”的总体视角出发, 系统梳理了临近空间大气平均特性与时空演化规律并分析了环境参数向临近空间飞行器各子系统的传递链路及飞行包线约束. 在气动方面, 探讨了稀薄气体效应、风场扰动、气动加热、热化学非平衡以及边界层转捩与湍流模拟的关键问题; 在动力系统方面, 综述了亚燃/超燃冲压发动机、组合式发动机、爆震发动机以及电推进技术的环境适应性与面临的挑战; 在动力学与控制方面, 分析了跨域宽速域制导策略、强扰动下鲁棒控制方法以及智能控制与自主决策的发展现状与未来趋势; 在材料与结构方面, 阐述了极端热−力−声多场耦合下的热防护系统、主动热管理技术、噪声与振动抑制以及结构健康监测与数字孪生应用的研究进展和未来展望. 最后, 本文在上述不同领域提出了展望与若干研究建议. 与已有聚焦单一学科或特定效应的综述不同, 本文为临近空间飞行器总体及各系统研究提供了一套可参照的分析框架和关键技术方向, 有助于推动各领域从经验性设计向适应环境不确定性的精细化、一体化设计演进, 为未来临近空间飞行器的发展提供支撑.
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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: 10.6052/1000-0992-26-024
摘要:
微纳尺度气液与液液界面广泛存在于自然界与工程系统中, 其物理力学行为在尺度效应作用下显著不同于宏观体系. 纳米气泡与纳米液滴具有典型的软物质界面结构, 能够在极高拉普拉斯压强下长期稳定存在, 形成了著名的“稳定性悖论”: 对纳米气泡而言, 其长期稳定存在显著偏离爱泼斯坦–普莱塞特扩散模型的经典预测; 而对纳米液滴而言, 则表现出超出奥斯特瓦尔德熟化理论适用范围的非平衡稳定行为. 以连续介质力学与统计热力学为理论框架, 系统综述了表面纳米气泡、体相纳米气泡及纳米液滴的稳定性机理与演化规律. 重点分析了表面纳米气泡中接触线钉扎与界面气体过饱和对扩散过程的调制作用, 阐述了体相纳米气泡中界面电荷积累、离子特异性吸附及扩散屏蔽构建稳定性物理机制, 并总结了其对溶液环境及力学扰动的非线性响应特征. 进一步评述了多组分溶液体系中纳米液滴成核动力学及无表面活性剂微乳液中熵致的亚稳态稳定机制. 最后, 通过比较曲率效应、界面张力修正及界面分子排布, 构建了纳米气泡与纳米液滴的物理力学图像, 并展望了相关跨尺度建模、原位表征技术及能源环境领域的应用前景.
微纳尺度气液与液液界面广泛存在于自然界与工程系统中, 其物理力学行为在尺度效应作用下显著不同于宏观体系. 纳米气泡与纳米液滴具有典型的软物质界面结构, 能够在极高拉普拉斯压强下长期稳定存在, 形成了著名的“稳定性悖论”: 对纳米气泡而言, 其长期稳定存在显著偏离爱泼斯坦–普莱塞特扩散模型的经典预测; 而对纳米液滴而言, 则表现出超出奥斯特瓦尔德熟化理论适用范围的非平衡稳定行为. 以连续介质力学与统计热力学为理论框架, 系统综述了表面纳米气泡、体相纳米气泡及纳米液滴的稳定性机理与演化规律. 重点分析了表面纳米气泡中接触线钉扎与界面气体过饱和对扩散过程的调制作用, 阐述了体相纳米气泡中界面电荷积累、离子特异性吸附及扩散屏蔽构建稳定性物理机制, 并总结了其对溶液环境及力学扰动的非线性响应特征. 进一步评述了多组分溶液体系中纳米液滴成核动力学及无表面活性剂微乳液中熵致的亚稳态稳定机制. 最后, 通过比较曲率效应、界面张力修正及界面分子排布, 构建了纳米气泡与纳米液滴的物理力学图像, 并展望了相关跨尺度建模、原位表征技术及能源环境领域的应用前景.
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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、计算机辅助设计(computer-aided design, CAD)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、计算机辅助设计(computer-aided design, CAD)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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