力学进展

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旋节线拓扑的非周期结构化材料: 力学性能预测、设计和应用

张简, 严子铭, 庄茁, 柳占立

, doi: 10.6052/1000-0992-26-001

摘要(312)

HTML(108)

PDF(99)

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.

基于损伤生物力学的汽车碰撞假人研究

田腾飞, 刘志新, 王丽珍

, doi: 10.6052/1000-0992-25-033

摘要(474)

HTML(109)

PDF(51)

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.

AI+聚变: 全球能源格局变革的重要机遇

梁云峰

, doi: 10.6052/1000-0992-25-045

摘要(255)

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PDF(82)

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.

界面涂层协同调控含能复合材料力–热性能的跨尺度机制

曾鑫, 贺瑞琴, 管文枫, 卢青山, 马文斌, 赵振宇, 卢天健

, doi: 10.6052/1000-0992-25-040

摘要(296)

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PDF(48)

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.

强耦合激光热力破坏效应

王睿星, 袁武, 马特, 邱诚, 杜文琦, 张天怡, 王高洁, 宋宏伟, 黄晨光

, doi: 10.6052/1000-0992-25-042

摘要(58)

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PDF(16)

摘要:
随着高能激光技术的迅猛发展, 激光破坏效应的应用场景将面向更高速的工程结构, 高能激光、高速气流环境、材料与结构之间的耦合效应更为强烈, 从而显著地影响激光的热与力学破坏行为, 甚至诱导产生新的损伤机理与破坏现象. 此外, 激光辐照带来的热−力耦合、不同体制激光复合加载带来的热力−冲击−烧蚀耦合等问题, 使得破坏效应的耦合行为更加复杂. 强耦合激光热力破坏效应研究面向相关领域最新发展需要, 涉及光学、传热学、材料科学、固体力学及流体力学等多学科交叉, 是激光武器效应评估、先进激光制造以及航天器防护等高新技术领域中的共性基础科学问题. 本文系统梳理了近年来国内外学者在该研究方向上的研究进展, 从强耦合条件下激光热力破坏的新现象与新机理、激光诱导复合材料多尺度热力烧蚀机理与模型、复杂载荷与环境下激光热力破坏相似准则、多场耦合数值计算方法、地面模拟试验方法与多场原位测量技术、激光防护与加固技术、激光智能感知与毁伤评估等几个方面进行综述. 最后, 结合当前发展动态, 对本领域未来研究进行了展望. 本文旨在为强耦合激光热力破坏效应的机理研究和工程应用提供理论支撑与技术参考.

稀薄气体流动模拟的通用合成迭代算法

曾嘉楠, 张颜兵, 李琪, 苏微, 吴雷

, doi: 10.6052/1000-0992-26-007

摘要(186)

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PDF(44)

摘要:
稀薄气体非平衡输运问题广泛存在于航空航天、真空技术、微纳系统及惯性约束聚变等关键领域. 特别是在航天器再入大气层、临近空间超声速飞行等极端过程中, 流动呈现出极强的跨流域特征, 并伴随分子内能激发、化学反应及辐射等复杂的多物理场耦合效应. 这些特征显著提升了动理学求解难度, 使常规数值方法面临严峻的计算瓶颈, 制约了大规模工程模拟的精度与效率. 针对上述挑战, 本文系统介绍了兼具渐近保持性与快速收敛特性的通用合成迭代算法(general synthetic iterative scheme, GSIS). 该方法的核心在于构造了与动理学方程物理一致的宏观合成方程, 利用具有信息传播效率优势的抛物型宏观系统, 有效引导双曲型动理学方程的演化, 从而突破了计算网格与时间步长受限于分子碰撞尺度的固有瓶颈. 理论分析与数值验证表明, GSIS不仅在连续流极限下能够严格恢复宏观流体力学描述, 更在全流域范围内展现出卓越的迭代收敛效率. 更具优势的是, GSIS框架具有极强的模型兼容性与算法扩展性. 本文通过大量典型算例, 重点展示了该方法在多原子气体、高温辐射、多组分混合及非定常复杂运动等问题中的高精度与高效率表现. 同时, GSIS算法机制可与随机性粒子算法深度融合, 成功实现了对直接模拟蒙特卡洛框架下玻尔兹曼及Enskog方程的显著加速. 此外, 本文还展示GSIS在跨流域流动外形优化, 流动稳定性分析以及湍流-稀薄流耦合问题中的发展, 展现其在临近空间高超声速飞行中气动特性优化, 转捩与湍流等前沿领域的应用前景. GSIS为复杂非平衡稀薄气体流动的多尺度数值模拟提供了重要工具, 并为面向工程应用的高可靠、高效率仿真与优化设计提供了强有力的理论支撑与技术路径.

力学超材料赋能触觉反馈交互

张壮, 贾晨, 姜汉卿

, doi: 10.6052/1000-0992-25-030

摘要(163)

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PDF(96)

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.

镁合金腐蚀疲劳行为与寿命预测研究进展

康国政, 奥妮, 付正鸿, 李航, 阚前华

, doi: 10.6052/1000-0992-26-008

摘要(221)

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PDF(45)

摘要:
镁合金因其优异的比强度和比刚度, 在实现结构轻量化方面具有广阔的应用前景. 然而, 镁合金的腐蚀疲劳问题制约了其在关键承力构件中的可靠应用. 深入理解镁合金的腐蚀疲劳行为, 建立精准的寿命预测模型, 进而提出合理的防护措施, 是推动其工程应用的关键和前提. 为此, 本文系统综述了镁合金腐蚀疲劳行为的宏观演化规律、微观机制以及寿命预测等方面的研究进展: 首先概括了镁合金内在因素、腐蚀介质以及加载条件对其腐蚀疲劳宏观演化规律; 其次, 总结了镁合金的腐蚀疲劳损伤机理, 强调了原位和非原位表征方法以及主流的数值模拟方法的重要作用; 然后, 对镁合金腐蚀疲劳寿命预测模型的研究现状进行了系统梳理; 最后, 简要总结当前研究进展, 并展望了该领域未来的发展方向.

断裂过程区视角下的I型弹塑性断裂理论

鲁龙坤

, doi: 10.6052/1000-0992-25-041

摘要(171)

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PDF(45)

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.

斑海豹胡须形态特征与感知机理研究进展

赵航浩, 及春宁, 李响赫, 张志猛, 袁德奎, 张金凤, 陈威霖

, doi: 10.6052/1000-0992-25-037

摘要(282)

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PDF(42)

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.

基于等效静态载荷法和结构基因库的动力学多尺度拓扑优化方法

林宪杰, 徐志昂, 郭桐桐, 卞慧雯, 郭旭, 杜宗亮

, doi: 10.6052/1000-0992-26-002

摘要(241)

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PDF(51)

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.

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