2026, 56(1): 1-50.
doi: 10.6052/1000-0992-25-018
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理解与预测物质微观结构及其演化行为, 并揭示其与宏观性能之间的关联规律, 是固体力学关注的核心科学问题之一. 从 Galileo 的木梁弯曲实验、Cauchy 基于微元的应力定义, 到基于 Arrhenius 关系的加速蠕变实验设计, 力学中的模型假设与理论解析持续推动物质科学的发展和材料、结构工程的进步, 原子模拟、连续介质仿真等方法在学术与工业界得到广泛的应用. 然而, 物质的变形与失效过程常具有多时空尺度、多物理场、多机制耦合与非线性演化特征. 基于“观察−假设−模型”的研究思路在面对上述复杂性时遭遇挑战. 在高性能计算和高通量实验的基础上, 数据科学与人工智能方法的发展使我们可以从互补角度来重新审视复杂性问题, 拓展科学发现与工程设计边界. 相比智能技术在视觉、语言等数字空间中的应用, 工程科学对物质世界的探索在数据质量、模型可解释性与推断能力方面提出更高要求. 在统计学习模型中引入数学约束或物理传递策略有助于克服性能−效率均衡与泛化、可理解性等挑战, 构建具备物理一致性和广度的数据库与数字库有望以“重构现实”的方式理解复杂系统的演化规律. 在认知科学的推动下, 物理智能等技术正逐步具备在复杂、动态场景中协助甚至开展科学探索与推理的能力. 本文聚焦材料力学性能与结构长时服役行为, 探讨固体力学中的典型复杂性, 从学习理论、开放科学的视角展望本领域基础与应用研究的发展方向.
理解与预测物质微观结构及其演化行为, 并揭示其与宏观性能之间的关联规律, 是固体力学关注的核心科学问题之一. 从 Galileo 的木梁弯曲实验、Cauchy 基于微元的应力定义, 到基于 Arrhenius 关系的加速蠕变实验设计, 力学中的模型假设与理论解析持续推动物质科学的发展和材料、结构工程的进步, 原子模拟、连续介质仿真等方法在学术与工业界得到广泛的应用. 然而, 物质的变形与失效过程常具有多时空尺度、多物理场、多机制耦合与非线性演化特征. 基于“观察−假设−模型”的研究思路在面对上述复杂性时遭遇挑战. 在高性能计算和高通量实验的基础上, 数据科学与人工智能方法的发展使我们可以从互补角度来重新审视复杂性问题, 拓展科学发现与工程设计边界. 相比智能技术在视觉、语言等数字空间中的应用, 工程科学对物质世界的探索在数据质量、模型可解释性与推断能力方面提出更高要求. 在统计学习模型中引入数学约束或物理传递策略有助于克服性能−效率均衡与泛化、可理解性等挑战, 构建具备物理一致性和广度的数据库与数字库有望以“重构现实”的方式理解复杂系统的演化规律. 在认知科学的推动下, 物理智能等技术正逐步具备在复杂、动态场景中协助甚至开展科学探索与推理的能力. 本文聚焦材料力学性能与结构长时服役行为, 探讨固体力学中的典型复杂性, 从学习理论、开放科学的视角展望本领域基础与应用研究的发展方向.
2026, 56(1): 51-122.
doi: 10.6052/1000-0992-25-024
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薄壁结构在飞行器领域普遍存在, 随着先进飞行器向宽速域、跨介质、大尺寸等方向发展, 薄壁结构面临的声振环境更加复杂, 对低频宽带和时变减振降噪的需求更加迫切. 超结构/超材料的快速发展为先进飞行器的技术突破提供了新途径, 其中基于局域共振机制的薄壁超结构在解决飞行器振动与噪声控制问题方面具有显著的应用前景. 聚焦薄壁结构的减振和隔声难题, 综述了被动式和压电式薄壁超结构的研究进展, 并对两者的发展脉络和技术特性进行了对比分析, 为先进飞行器薄壁超结构研制提供借鉴. 首先, 介绍了被动式和压电式薄壁超结构的带隙机理和隔声机理, 为后续介绍研究进展提供理论基础. 其次, 从减振和隔声两方面梳理了薄壁超结构设计和性能调控方法, 并针对非线性薄壁超结构减振问题进行了专门讨论. 然后, 探讨了薄壁超结构在飞行器舱室减振降噪、飞行器动力系统减振降噪和高速飞行器壁板颤振等几个方面的应用前景. 最后, 从优化设计、智能调控、多功能融合、极端环境适应性和精密制造等方面展望了飞行器薄壁超结构的发展方向.
薄壁结构在飞行器领域普遍存在, 随着先进飞行器向宽速域、跨介质、大尺寸等方向发展, 薄壁结构面临的声振环境更加复杂, 对低频宽带和时变减振降噪的需求更加迫切. 超结构/超材料的快速发展为先进飞行器的技术突破提供了新途径, 其中基于局域共振机制的薄壁超结构在解决飞行器振动与噪声控制问题方面具有显著的应用前景. 聚焦薄壁结构的减振和隔声难题, 综述了被动式和压电式薄壁超结构的研究进展, 并对两者的发展脉络和技术特性进行了对比分析, 为先进飞行器薄壁超结构研制提供借鉴. 首先, 介绍了被动式和压电式薄壁超结构的带隙机理和隔声机理, 为后续介绍研究进展提供理论基础. 其次, 从减振和隔声两方面梳理了薄壁超结构设计和性能调控方法, 并针对非线性薄壁超结构减振问题进行了专门讨论. 然后, 探讨了薄壁超结构在飞行器舱室减振降噪、飞行器动力系统减振降噪和高速飞行器壁板颤振等几个方面的应用前景. 最后, 从优化设计、智能调控、多功能融合、极端环境适应性和精密制造等方面展望了飞行器薄壁超结构的发展方向.
2026, 56(1): 123-168.
doi: 10.6052/1000-0992-25-026
摘要:
机器学习正推动金属材料力学性能研究从经验驱动向数据驱动范式转变. 本文系统综述了机器学习在金属材料力学性能智能预测中的研究进展与挑战. 首先, 概述了常用机器学习算法的原理与流程, 重点介绍了可解释人工智能与物理信息机器学习等前沿方法. 进而, 从微介观性能 (如微观结构演化、断裂行为)、宏观性能 (如硬度、应力响应、疲劳寿命) 与跨尺度耦合性能 (如流变应力、屈服强度、本构参数反演) 三个层面, 评述了机器学习模型的典型应用与预测效果, 突出其在高通量计算与多尺度建模中的优势. 最后, 指出该领域面临数据稀缺、异构性及宽温域/宽应变率条件下预测精度不足等挑战, 并提出迁移学习、大型语言模型与多模态融合等解决路径. 展望未来, 本文构建了融合多模态数据与物理机制的机器学习技术路径, 旨在实现对极端环境下金属材料力学行为的精准预测, 推动材料力学研究向数字化、智能化方向发展.
机器学习正推动金属材料力学性能研究从经验驱动向数据驱动范式转变. 本文系统综述了机器学习在金属材料力学性能智能预测中的研究进展与挑战. 首先, 概述了常用机器学习算法的原理与流程, 重点介绍了可解释人工智能与物理信息机器学习等前沿方法. 进而, 从微介观性能 (如微观结构演化、断裂行为)、宏观性能 (如硬度、应力响应、疲劳寿命) 与跨尺度耦合性能 (如流变应力、屈服强度、本构参数反演) 三个层面, 评述了机器学习模型的典型应用与预测效果, 突出其在高通量计算与多尺度建模中的优势. 最后, 指出该领域面临数据稀缺、异构性及宽温域/宽应变率条件下预测精度不足等挑战, 并提出迁移学习、大型语言模型与多模态融合等解决路径. 展望未来, 本文构建了融合多模态数据与物理机制的机器学习技术路径, 旨在实现对极端环境下金属材料力学行为的精准预测, 推动材料力学研究向数字化、智能化方向发展.
2026, 56(1): 169-202.
doi: 10.6052/1000-0992-25-025
摘要:
从介绍美国和俄罗斯建设特大型低速风洞的背景出发, 重点阐述了国外特大型低速风洞开展的试验研究情况, 包括运用的试验流程、完成的试验型号、使用的试验技术等, 尤其是针对特大型低速风洞而设计的特殊试验技术, 研判了特大型低速风洞试验技术未来的发展趋势. 研究结果表明, 特大型低速风洞的建设主要是为了满足型号试验任务和技术发展的需要, 试验流程突出大模型的安装和试验故障的处理, 试验型号以固定翼飞机、旋翼飞机等各类飞机为主, 也兼顾多种航天飞行器的低速试验研究, 还积极承揽能源、交通及建筑类的试验任务, 并在基础空气动力学问题研究方面发挥了重要的作用. 在试验技术方面, 特大型低速风洞既采用了常规的测力、测压和测速等试验技术, 也发展了全尺寸模型、倾转试验台、特大攻角、模型自由飞行、非接触光学测量、恶劣环境模拟等特殊的试验技术, 试验技术总体呈现向提交高精度数据、组合利用多种测试手段、深度赋能大数据、多学科一体化、虚拟现实与增强现实相结合等方向发展. 最后, 提出了特大型低速风洞分步发展试验技术、打造专业试验平台、突出试验细节尺度优势等几点启示.
从介绍美国和俄罗斯建设特大型低速风洞的背景出发, 重点阐述了国外特大型低速风洞开展的试验研究情况, 包括运用的试验流程、完成的试验型号、使用的试验技术等, 尤其是针对特大型低速风洞而设计的特殊试验技术, 研判了特大型低速风洞试验技术未来的发展趋势. 研究结果表明, 特大型低速风洞的建设主要是为了满足型号试验任务和技术发展的需要, 试验流程突出大模型的安装和试验故障的处理, 试验型号以固定翼飞机、旋翼飞机等各类飞机为主, 也兼顾多种航天飞行器的低速试验研究, 还积极承揽能源、交通及建筑类的试验任务, 并在基础空气动力学问题研究方面发挥了重要的作用. 在试验技术方面, 特大型低速风洞既采用了常规的测力、测压和测速等试验技术, 也发展了全尺寸模型、倾转试验台、特大攻角、模型自由飞行、非接触光学测量、恶劣环境模拟等特殊的试验技术, 试验技术总体呈现向提交高精度数据、组合利用多种测试手段、深度赋能大数据、多学科一体化、虚拟现实与增强现实相结合等方向发展. 最后, 提出了特大型低速风洞分步发展试验技术、打造专业试验平台、突出试验细节尺度优势等几点启示.
2026, 56(1): 203-259.
doi: 10.6052/1000-0992-25-015
摘要:
非晶合金因其独特的原子结构而呈现出复杂的黏弹性行为, 表现为动态弛豫和静态滞后特征, 这不仅是深入理解玻璃转变、塑性变形机制及动态非均匀性等基础物理问题的核心切入点, 也为高性能非晶合金与功能材料的开发及工程应用提供了关键理论支撑. 如何从微观机制出发构建一个能够统一描述并预测其复杂黏弹性行为的理论框架, 仍是非晶固体领域面临的重要挑战. 基于此, 本文聚焦于准点缺陷 (quasi-point defect, QPD) 理论在系统解析非晶合金黏弹性行为中的核心作用及其最新研究进展, 深入探讨了运用 QPD 理论分析非晶合金中的动态弛豫现象, 并揭示了该理论与分数阶模型的内在一致性. 在此基础上, 综述了动态弛豫与宏观准静态黏弹性变形的内在关联, 阐释了两步松弛、蠕变等现象背后由不同尺度缺陷运动主导的物理机制. 针对蠕变行为, 重点讨论了基于QPD理论对非晶合金中缺陷演化和多级幂律蠕变机制的理解. 此外, 本文系统阐述了通过黏弹性变形调控非晶合金能量状态的机制, 以及这种调控如何通过影响准点缺陷的浓度、分布及协同运动, 进而改变材料的动态弛豫特征. 本文旨在展现如何基于准点缺陷理论构建非晶合金微观结构非均匀性、缺陷动力学与宏观黏弹性响应之间的关联, 为理解和预测其复杂力学行为提供重要理论视角.
非晶合金因其独特的原子结构而呈现出复杂的黏弹性行为, 表现为动态弛豫和静态滞后特征, 这不仅是深入理解玻璃转变、塑性变形机制及动态非均匀性等基础物理问题的核心切入点, 也为高性能非晶合金与功能材料的开发及工程应用提供了关键理论支撑. 如何从微观机制出发构建一个能够统一描述并预测其复杂黏弹性行为的理论框架, 仍是非晶固体领域面临的重要挑战. 基于此, 本文聚焦于准点缺陷 (quasi-point defect, QPD) 理论在系统解析非晶合金黏弹性行为中的核心作用及其最新研究进展, 深入探讨了运用 QPD 理论分析非晶合金中的动态弛豫现象, 并揭示了该理论与分数阶模型的内在一致性. 在此基础上, 综述了动态弛豫与宏观准静态黏弹性变形的内在关联, 阐释了两步松弛、蠕变等现象背后由不同尺度缺陷运动主导的物理机制. 针对蠕变行为, 重点讨论了基于QPD理论对非晶合金中缺陷演化和多级幂律蠕变机制的理解. 此外, 本文系统阐述了通过黏弹性变形调控非晶合金能量状态的机制, 以及这种调控如何通过影响准点缺陷的浓度、分布及协同运动, 进而改变材料的动态弛豫特征. 本文旨在展现如何基于准点缺陷理论构建非晶合金微观结构非均匀性、缺陷动力学与宏观黏弹性响应之间的关联, 为理解和预测其复杂力学行为提供重要理论视角.
2026, 56(1): 260-274.
doi: 10.6052/1000-0992-25-020
摘要:
涡环同轴相互作用是亚音速射流中的典型流动结构和重要的噪声来源. 调控涡环相互作用过程的加减速运动是降低射流噪声的关键. 已有的研究工作发现, 弱涡环径向加速度是低频高振幅噪声的主导因素. 本文基于Dyson薄核涡环模型研究了这一现象的成立条件和规律. 通过将声源分解为涡环轴向和径向动力学参数乘积的形式, 研究了不同初始环量比和初始半径比条件下的涡环相互作用过程, 发现了主导总声源脉冲的临界初始半径比. 只有当初始涡环半径比小于临界初始半径比时, 弱涡环径向加速度声源项对总声源的贡献才大于强涡环. 通过对涡环相互作用过程的定量分析, 发现了声源脉冲峰值与涡环轴向速度、径向加速度峰值的关联关系, 并发现强涡环的反向运动, 会造成强涡环声源项产生反相位脉冲.
涡环同轴相互作用是亚音速射流中的典型流动结构和重要的噪声来源. 调控涡环相互作用过程的加减速运动是降低射流噪声的关键. 已有的研究工作发现, 弱涡环径向加速度是低频高振幅噪声的主导因素. 本文基于Dyson薄核涡环模型研究了这一现象的成立条件和规律. 通过将声源分解为涡环轴向和径向动力学参数乘积的形式, 研究了不同初始环量比和初始半径比条件下的涡环相互作用过程, 发现了主导总声源脉冲的临界初始半径比. 只有当初始涡环半径比小于临界初始半径比时, 弱涡环径向加速度声源项对总声源的贡献才大于强涡环. 通过对涡环相互作用过程的定量分析, 发现了声源脉冲峰值与涡环轴向速度、径向加速度峰值的关联关系, 并发现强涡环的反向运动, 会造成强涡环声源项产生反相位脉冲.
2026, 56(1): 275-283.
doi: 10.6052/1000-0992-26-010
摘要:
本文介绍了2025年度力学学科国家自然科学基金项目评审相关情况, 统计分析了各类项目的申请和资助情况, 阐述了2025年度评审工作中的改革举措和在评审过程中遇到的问题. 期望引起力学科研人员的关注, 共同做好力学学科国家自然科学基金的资助工作.
本文介绍了2025年度力学学科国家自然科学基金项目评审相关情况, 统计分析了各类项目的申请和资助情况, 阐述了2025年度评审工作中的改革举措和在评审过程中遇到的问题. 期望引起力学科研人员的关注, 共同做好力学学科国家自然科学基金的资助工作.
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doi: 10.6052/1000-0992-25-023
摘要:
当高温引起了流动介质物性变化的时候, 介质微团的物理化学变化显著地改变了介质流动的宏观规律, 超出了气体动力学基本假设和研究范畴, 高温气体动力学诞生了. 当航空航天技术不断拓展人类活动空间的时候, 在探索下一代空天飞行核心技术的过程中, 高温气体动力学发展了. 高温气体动力学是技术科学发展的典范, 在应用驱动学科机制的作用下, 引领着气体动力学的发展与创新. 本文选择了高温气体动力学的四个主要研究领域, 进行了综述和分析, 期望能够助力高温气体流动的学科发展. 第一部分是关于高超声速地面试验装置和测量技术, 重点介绍了三种典型高焓激波风洞, 它们的应用已经能够产生和测量的气流速度达到了1.5 ~ 10 km·s−1的范围, 可以模拟20 ~ 100 km的飞行高度. 先进科学试验装置对于学科前沿的拓展和流体物理新现象的发现是非常重要的, 该研究领域的进展也凸显了这个道理. 第二部分介绍了高超声速气体流动的理论与实验, 包括物理数学模型的建立、计算方法的发展和实验观测. 到目前为止, 高温气体流动物理模型的发展远低预期, 局限在早期物理模型的应用和改进; 计算方法发展迅速, 能够计算的流动现象越来越多, 准确度也越来越高; 地面实验观测研究进展可期, 表现在一些复现高超声速飞行条件下的大模型实验, 揭示的气动物理现象与飞行试验数据一致良好. 第三部分是关于超声速燃烧和超燃冲压发动机. 这是一个已经持续热门几十年的前沿领域, 虽然理论和技术研究进展巨大、飞行试验硕果累累, 但是超燃冲压发动机依然难以满足工程需求, 超声速燃烧理论依然难以解决超燃冲压发动机研发遇到的问题. 所以, 超声速燃烧和超燃冲压发动机研究都亟需理论创新和技术突破. 第四部分是关于爆轰物理和斜爆轰发动机. 斜爆轰发动机与超燃冲压发动机概念皆生于同一时代, 但它仅在最近20多年才得到重新关注. 爆轰理论和斜爆轰研究都有了创新性突破, 斜爆轰发动机设计方法和风洞实验技术也有了长足的进展. 斜爆轰冲压发动机利用了自然界燃烧速度最快、热效率最高、进气压缩损失最小的增压燃烧现象作为其热力循环, 有着独特的优势. 最后, 论文对于上述研究领域的理论技术及其实践进行了总结和展望, 期望能够给该学科发展提供一些有益的启示.
当高温引起了流动介质物性变化的时候, 介质微团的物理化学变化显著地改变了介质流动的宏观规律, 超出了气体动力学基本假设和研究范畴, 高温气体动力学诞生了. 当航空航天技术不断拓展人类活动空间的时候, 在探索下一代空天飞行核心技术的过程中, 高温气体动力学发展了. 高温气体动力学是技术科学发展的典范, 在应用驱动学科机制的作用下, 引领着气体动力学的发展与创新. 本文选择了高温气体动力学的四个主要研究领域, 进行了综述和分析, 期望能够助力高温气体流动的学科发展. 第一部分是关于高超声速地面试验装置和测量技术, 重点介绍了三种典型高焓激波风洞, 它们的应用已经能够产生和测量的气流速度达到了1.5 ~ 10 km·s−1的范围, 可以模拟20 ~ 100 km的飞行高度. 先进科学试验装置对于学科前沿的拓展和流体物理新现象的发现是非常重要的, 该研究领域的进展也凸显了这个道理. 第二部分介绍了高超声速气体流动的理论与实验, 包括物理数学模型的建立、计算方法的发展和实验观测. 到目前为止, 高温气体流动物理模型的发展远低预期, 局限在早期物理模型的应用和改进; 计算方法发展迅速, 能够计算的流动现象越来越多, 准确度也越来越高; 地面实验观测研究进展可期, 表现在一些复现高超声速飞行条件下的大模型实验, 揭示的气动物理现象与飞行试验数据一致良好. 第三部分是关于超声速燃烧和超燃冲压发动机. 这是一个已经持续热门几十年的前沿领域, 虽然理论和技术研究进展巨大、飞行试验硕果累累, 但是超燃冲压发动机依然难以满足工程需求, 超声速燃烧理论依然难以解决超燃冲压发动机研发遇到的问题. 所以, 超声速燃烧和超燃冲压发动机研究都亟需理论创新和技术突破. 第四部分是关于爆轰物理和斜爆轰发动机. 斜爆轰发动机与超燃冲压发动机概念皆生于同一时代, 但它仅在最近20多年才得到重新关注. 爆轰理论和斜爆轰研究都有了创新性突破, 斜爆轰发动机设计方法和风洞实验技术也有了长足的进展. 斜爆轰冲压发动机利用了自然界燃烧速度最快、热效率最高、进气压缩损失最小的增压燃烧现象作为其热力循环, 有着独特的优势. 最后, 论文对于上述研究领域的理论技术及其实践进行了总结和展望, 期望能够给该学科发展提供一些有益的启示.
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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, 然而由于难以避免的存在较多的孔隙、裂纹等制造缺陷阻碍了其在高端装备中的更广泛应用. 制造过程的在线监测显得尤为迫切, 而高温、高速等极端的制造环境导致对原位监测与质量控制提出了跨学科挑战. 本论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. 分析认为: 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, 然而由于难以避免的存在较多的孔隙、裂纹等制造缺陷阻碍了其在高端装备中的更广泛应用. 制造过程的在线监测显得尤为迫切, 而高温、高速等极端的制造环境导致对原位监测与质量控制提出了跨学科挑战. 本论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. 分析认为: 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.
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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.
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doi: 10.6052/1000-0992-26-001
摘要:
结构化材料(Architected Materials)通过结构设计实现可控的超常性能, 在生物医学、航空航天、能源环境等多领域得到广泛应用. 通过在结构设计过程中引入随机非周期性, 可以解决传统周期性材料局部化失效导致的高脆性问题, 提高材料的韧性、损伤容限与缺陷不敏感性, 实现优异的综合性能. 但是, 这也同时使结构整体复杂度增加, 研究、设计成本大幅提升, 亟需发展新的理论和方法. 旋节线拓扑构成的材料(Spinodoid/Spinodal-Like Metamaterials)是一种具有代表性的非周期结构化材料, 其研究范式可以推广至多种复杂非周期结构的力学性能预测、拓扑结构设计. 本文以旋节线拓扑为代表, 介绍非周期结构化材料的建模原理、等效力学性能、设计和制造方法及典型应用, 对现有研究进行总结并提出未来的发展方向.
结构化材料(Architected Materials)通过结构设计实现可控的超常性能, 在生物医学、航空航天、能源环境等多领域得到广泛应用. 通过在结构设计过程中引入随机非周期性, 可以解决传统周期性材料局部化失效导致的高脆性问题, 提高材料的韧性、损伤容限与缺陷不敏感性, 实现优异的综合性能. 但是, 这也同时使结构整体复杂度增加, 研究、设计成本大幅提升, 亟需发展新的理论和方法. 旋节线拓扑构成的材料(Spinodoid/Spinodal-Like Metamaterials)是一种具有代表性的非周期结构化材料, 其研究范式可以推广至多种复杂非周期结构的力学性能预测、拓扑结构设计. 本文以旋节线拓扑为代表, 介绍非周期结构化材料的建模原理、等效力学性能、设计和制造方法及典型应用, 对现有研究进行总结并提出未来的发展方向.
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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−1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−1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.
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doi: 10.6052/1000-0992-25-040
摘要:
含能复合材料是一类典型的结构可设计材料体系, 其力学、热学及安全相关性能可通过多尺度结构设计在宽广的设计空间内实现调控. 然而, 其综合性能往往受限于源自颗粒/基体界面的退化机制, 如热失配、应力集中及界面脱粘等, 这些效应在极端服役条件下被进一步放大, 进而削弱工程服役可靠性. 这本质上构成了一个力–热–安全性能高度耦合的多目标优化问题. 界面工程为应对这一问题提供了一种有效途径. 通过颗粒尺度的功能化涂层实现力学与热传输行为的协同调控, 从而使含能复合材料进入力学稳健性与热稳定性得以共存的性能区间. 尽管在实验、建模与数据驱动研究方面已取得快速进展, 但尚缺乏一个将界面结构设计与力–热协同调控机制系统关联的统一框架. 本文系统综述了含能复合材料界面涂层策略的最新研究进展, 重点评述了涂层材料体系、制备工艺及微结构描述参数, 并梳理其对宏观力学与热学性能的影响规律. 进一步阐明了实现刚度、强度、热导率及热膨胀系数等性能协同提升的界面耦合机理. 在此基础上, 形成了一种集成“材料–微结构–工艺–表征–模型–人工智能(AI)”的系统化研究框架, 为多功能含能复合材料及其结构构件的理性设计与规模化制造提供指导.
含能复合材料是一类典型的结构可设计材料体系, 其力学、热学及安全相关性能可通过多尺度结构设计在宽广的设计空间内实现调控. 然而, 其综合性能往往受限于源自颗粒/基体界面的退化机制, 如热失配、应力集中及界面脱粘等, 这些效应在极端服役条件下被进一步放大, 进而削弱工程服役可靠性. 这本质上构成了一个力–热–安全性能高度耦合的多目标优化问题. 界面工程为应对这一问题提供了一种有效途径. 通过颗粒尺度的功能化涂层实现力学与热传输行为的协同调控, 从而使含能复合材料进入力学稳健性与热稳定性得以共存的性能区间. 尽管在实验、建模与数据驱动研究方面已取得快速进展, 但尚缺乏一个将界面结构设计与力–热协同调控机制系统关联的统一框架. 本文系统综述了含能复合材料界面涂层策略的最新研究进展, 重点评述了涂层材料体系、制备工艺及微结构描述参数, 并梳理其对宏观力学与热学性能的影响规律. 进一步阐明了实现刚度、强度、热导率及热膨胀系数等性能协同提升的界面耦合机理. 在此基础上, 形成了一种集成“材料–微结构–工艺–表征–模型–人工智能(AI)”的系统化研究框架, 为多功能含能复合材料及其结构构件的理性设计与规模化制造提供指导.
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doi: 10.6052/1000-0992-26-002
摘要:
本文提出了一种基于等效静态载荷法 (ESLM) 与结构基因库 (SGD) 的动力学多尺度拓扑优化方法. 该方法通过等效静态载荷法将复杂的瞬态动力学优化问题转化为多工况静态优化问题, 并结合结构基因库中预训练的图卷积神经网络 (GCNN) 模型替代渐近均匀化分析, 显著提升了计算效率. 在优化框架中, 采用移动可变形组件 (MMC) 方法描述宏观与微观结构, 实现了两尺度间的协同优化设计. 通过MBB梁结构在瞬态载荷作用下的数值算例验证了所提方法的有效性. 结果表明, 优化后结构的最大动柔顺度降低约20.80%, 平均动柔顺度降低51.44%, 载荷点最大位移幅值降低72.31%, 体现出该方法在动态工况下多尺度结构拓扑优化与抗冲击设计方面的优越性能和工程应用潜力.
本文提出了一种基于等效静态载荷法 (ESLM) 与结构基因库 (SGD) 的动力学多尺度拓扑优化方法. 该方法通过等效静态载荷法将复杂的瞬态动力学优化问题转化为多工况静态优化问题, 并结合结构基因库中预训练的图卷积神经网络 (GCNN) 模型替代渐近均匀化分析, 显著提升了计算效率. 在优化框架中, 采用移动可变形组件 (MMC) 方法描述宏观与微观结构, 实现了两尺度间的协同优化设计. 通过MBB梁结构在瞬态载荷作用下的数值算例验证了所提方法的有效性. 结果表明, 优化后结构的最大动柔顺度降低约20.80%, 平均动柔顺度降低51.44%, 载荷点最大位移幅值降低72.31%, 体现出该方法在动态工况下多尺度结构拓扑优化与抗冲击设计方面的优越性能和工程应用潜力.
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doi: 10.6052/1000-0992-25-032
摘要:
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.
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doi: 10.6052/1000-0992-25-041
摘要:
以飞机金属薄壁结构失效为典型代表的等温或常温环境下弹塑性裂纹扩展问题, 因涉及大范围屈服与稳态扩展特征, 对线弹性断裂力学及J积分理论的适用性构成了严峻挑战. 尽管学术界相继提出了断裂应变、裂纹尖端张开角/位移、断裂本征功及增量裂纹尖端积分等多种参量, 但因其物理内涵差异显著、内在关联模糊且“可迁移性”存疑, 严重阻碍了统一理论的构建与工程应用. 针对上述困境, 本文作者以断裂过程区 (FPZ) 为核心视角, 在忽略热源效应及体积力的简化假设下, 构建了一套统一的弹塑性断裂理论框架. 该框架不仅对Rice悖论等历史难题提供了统一且自洽的解释, 更系统论证了增量积分、裂纹尖端张开角/位移、断裂应变与断裂本征功等主流参数在本质上均等价于“定常FPZ”的驱动力, 从而揭示了现有弹塑性断裂参数的内在统一性. 在此基础上, 通过阐释含扩展裂纹体功率平衡定律的热力学意义, 该框架证明了FPZ可视为具有“自治性”的独立热力学系统, 为断裂参数的“可迁移性”提供了坚实的理论支撑. 本文系统阐述了该理论框架的构建过程、核心论点及其学术价值.
以飞机金属薄壁结构失效为典型代表的等温或常温环境下弹塑性裂纹扩展问题, 因涉及大范围屈服与稳态扩展特征, 对线弹性断裂力学及J积分理论的适用性构成了严峻挑战. 尽管学术界相继提出了断裂应变、裂纹尖端张开角/位移、断裂本征功及增量裂纹尖端积分等多种参量, 但因其物理内涵差异显著、内在关联模糊且“可迁移性”存疑, 严重阻碍了统一理论的构建与工程应用. 针对上述困境, 本文作者以断裂过程区 (FPZ) 为核心视角, 在忽略热源效应及体积力的简化假设下, 构建了一套统一的弹塑性断裂理论框架. 该框架不仅对Rice悖论等历史难题提供了统一且自洽的解释, 更系统论证了增量积分、裂纹尖端张开角/位移、断裂应变与断裂本征功等主流参数在本质上均等价于“定常FPZ”的驱动力, 从而揭示了现有弹塑性断裂参数的内在统一性. 在此基础上, 通过阐释含扩展裂纹体功率平衡定律的热力学意义, 该框架证明了FPZ可视为具有“自治性”的独立热力学系统, 为断裂参数的“可迁移性”提供了坚实的理论支撑. 本文系统阐述了该理论框架的构建过程、核心论点及其学术价值.
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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(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(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.
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