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裂纹体分析的权函数理论与应用: 回顾和展望
吴学仁, 徐武
, doi: 10.6052/1000-0992-21-060
摘要(179) HTML(56) PDF(75)
摘要:
断裂力学是工程材料和结构的疲劳与断裂分析、损伤容限设计和结构完整性评定的理论基础. 应力强度因子作为线弹性裂纹尖端奇异场的单一表征参量和裂纹扩展驱动力, 在裂纹体的断裂力学分析中发挥着关键作用. 权函数法为复杂受载裂纹体的应力强度因子求解计算提供了强有力的解析工具, 不但具有远高于各类数值解法的计算效率, 而且精度可靠, 使用方便. 本文结合笔者团队在权函数法方面的长期研究工作, 对该方法自20世纪70年代初提出至今半个世纪以来, 国际断裂界在二维和三维权函数理论与应用方面的主要研究进展作了回顾和评述, 并对其未来发展提出了展望. 主要内容涵盖: 当前国际断裂界广泛应用的3种二维裂纹解析权函数法简介和以格林函数为基准的验证评价; 三维裂纹问题的片条合成权函数法和点载荷权函数法; 权函数法在复杂受载裂纹体的应力强度因子和裂纹张开位移等关键力学参量计算、内聚力/桥连等裂纹模型分析、共线多裂纹权函数理论及其在剩余强度预测等方面的应用, 以及复杂裂纹几何的工程化权函数分析和权函数法的反向应用问题. 断裂力学是工程材料和结构的疲劳与断裂分析、损伤容限设计和结构完整性评定的理论基础. 应力强度因子作为线弹性裂纹尖端奇异场的单一表征参量和裂纹扩展驱动力, 在裂纹体的断裂力学分析中发挥着关键作用. 权函数法为复杂受载裂纹体的应力强度因子求解计算提供了强有力的解析工具, 不但具有远高于各类数值解法的计算效率, 而且精度可靠, 使用方便. 本文结合笔者团队在权函数法方面的长期研究工作, 对该方法自20世纪70年代初提出至今半个世纪以来, 国际断裂界在二维和三维权函数理论与应用方面的主要研究进展作了回顾和评述, 并对其未来发展提出了展望. 主要内容涵盖: 当前国际断裂界广泛应用的3种二维裂纹解析权函数法简介和以格林函数为基准的验证评价; 三维裂纹问题的片条合成权函数法和点载荷权函数法; 权函数法在复杂受载裂纹体的应力强度因子和裂纹张开位移等关键力学参量计算、内聚力/桥连等裂纹模型分析、共线多裂纹权函数理论及其在剩余强度预测等方面的应用, 以及复杂裂纹几何的工程化权函数分析和权函数法的反向应用问题.
力学超材料研究进展与减振降噪应用
尹剑飞, 蔡力, 方鑫, 肖勇, 杨海滨, 张弘佳, 钟杰, 赵宏刚, 郁殿龙, 温激鸿
, doi: 10.6052/1000-0992-22-005
摘要(828) HTML(113) PDF(478)
摘要:
力学超材料是一类由人工微结构单元构筑的复合结构或复合材料, 具有天然材料所不具备的静力学/动力学性能. 由于这些超常特性通常取决于微结构单元而非材料组分, 这就为力学性能调控和结构功能材料设计提供了新思路. 本文在简述力学超材料概念的提出、发展及其超常力学性能的基础上, 以装备减振降噪工程需求为牵引, 重点探讨力学超材料在水声调控, 空气声吸隔声降噪, 结构减振抗冲设计等方面的应用探索及发展趋势, 为相关领域的科研及工程人员提供一定参考. 力学超材料是一类由人工微结构单元构筑的复合结构或复合材料, 具有天然材料所不具备的静力学/动力学性能. 由于这些超常特性通常取决于微结构单元而非材料组分, 这就为力学性能调控和结构功能材料设计提供了新思路. 本文在简述力学超材料概念的提出、发展及其超常力学性能的基础上, 以装备减振降噪工程需求为牵引, 重点探讨力学超材料在水声调控, 空气声吸隔声降噪, 结构减振抗冲设计等方面的应用探索及发展趋势, 为相关领域的科研及工程人员提供一定参考.
人体肌骨的多柔体系统动力学研究进展
郭建峤, 王言冰, 田强, 任革学, 胡海岩
, doi: 10.6052/1000-0992-21-056
摘要(505) HTML(406) PDF(191)
摘要:
人体肌肉骨骼系统简称肌骨系统, 包括骨骼、骨骼肌与关节连接, 其力学模型是典型的多柔体系统. 从多体动力学角度研究肌骨系统, 主要关注其在运动过程中的肌肉内力、关节力矩及产生的动力学影响, 属于动力学与生物力学的交叉融合. 肌骨系统的多体动力学模型已被广泛地应用于临床医学、竞技体育、军事训练、人机工程等诸多领域, 其仿真结果可为提高人体运动能力、降低关节载荷与能耗、避免运动损伤、加快康复进程等提供重要计算参考数据. 与此同时, 上述研究亦对肌骨动力学研究提出了许多新挑战. 本文综述了人体肌骨多柔体系统动力学相关研究进展, 包括骨骼肌功能解剖与生物力学建模、神经与肌肉控制理论、肌骨系统动力学问题与求解方法, 以及近年来肌骨多体动力学在步态分析、飞行员抗荷动作、口颌手术规划等领域的典型应用. 与工程领域的机械多体系统相比, 人体肌骨多体系统具有肌肉内力主动性与肌肉控制冗余性两大特征. 现有骨骼肌模型难以同时考虑肌肉的解剖结构、三维几何与肌力产生的生物化学机制. 已有大多数肌骨模型采用静态优化假设消除肌肉冗余性, 忽略了肌肉与肌腱内力平衡及兴奋收缩耦联机制. 此外, 目前仍缺乏实现肌骨模型个性化的无创在体测试手段. 未来, 人体肌骨多体动力学研究将会向更精确、智能、个性化的方向发展, 成为动力学与生物力学交叉的热点研究领域. 人体肌肉骨骼系统简称肌骨系统, 包括骨骼、骨骼肌与关节连接, 其力学模型是典型的多柔体系统. 从多体动力学角度研究肌骨系统, 主要关注其在运动过程中的肌肉内力、关节力矩及产生的动力学影响, 属于动力学与生物力学的交叉融合. 肌骨系统的多体动力学模型已被广泛地应用于临床医学、竞技体育、军事训练、人机工程等诸多领域, 其仿真结果可为提高人体运动能力、降低关节载荷与能耗、避免运动损伤、加快康复进程等提供重要计算参考数据. 与此同时, 上述研究亦对肌骨动力学研究提出了许多新挑战. 本文综述了人体肌骨多柔体系统动力学相关研究进展, 包括骨骼肌功能解剖与生物力学建模、神经与肌肉控制理论、肌骨系统动力学问题与求解方法, 以及近年来肌骨多体动力学在步态分析、飞行员抗荷动作、口颌手术规划等领域的典型应用. 与工程领域的机械多体系统相比, 人体肌骨多体系统具有肌肉内力主动性与肌肉控制冗余性两大特征. 现有骨骼肌模型难以同时考虑肌肉的解剖结构、三维几何与肌力产生的生物化学机制. 已有大多数肌骨模型采用静态优化假设消除肌肉冗余性, 忽略了肌肉与肌腱内力平衡及兴奋收缩耦联机制. 此外, 目前仍缺乏实现肌骨模型个性化的无创在体测试手段. 未来, 人体肌骨多体动力学研究将会向更精确、智能、个性化的方向发展, 成为动力学与生物力学交叉的热点研究领域.
神经系统疾病与认知动力学 (I) : 癫痫发作的动力学与控制
韩芳, 樊登贵, 张丽媛, 王青云
, doi: 10.6052/1000-0992-21-064
摘要(778) HTML(67) PDF(143)
摘要:
研究表明癫痫发作过程与神经系统本身的非线性动力学行为密切相关. 因此, 开展癫痫发作的非线性网络动力学建模与调控问题的研究, 有助于理解癫痫临床表征的动力学机理和定位致痫灶网络, 进而设计有效的网络调控策略. 本文回顾了癫痫脑神经疾病网络动力学与控制方面的研究进展, 系统总结了本文作者近年来在癫痫发作动力学建模分析及其调控等方面取得的研究成果. 首先, 基于海马齿状回CA3区环路神经元网络模型, 分析了影响颞叶癫痫发作的分子和网络结构因素, 阐释了癫痫发作转迁的动力学机制. 其次, 由于脑神经系统的集群编码特性, 基于神经场模型和平均场模型建模方法完善了皮质−基底节−丘脑环路网络动力学理论框架, 并基于此框架分析了失神癫痫发作转迁的动力学分岔机制, 探讨了不同类型癫痫发作的转迁路径, 发现了失神癫痫发作转迁的多稳态共存现象, 揭示了时滞对失神癫痫同步发作的控制效果, 设计了丰富有效的癫痫深脑刺激调控策略, 给出了电刺激调控失神癫痫发作的动力学解释. 最后, 通过数据驱动的统计建模和神经元群模型动力学建模分析, 提出了局灶癫痫致痫灶定位及寻找有效控制癫痫发作网络关键节点的理论新方法. 这些研究成果为理解难治性癫痫发作动力学本质及在临床诊疗的应用方面提供重要理论支撑. 最后对进一步研究给出若干建议. 研究表明癫痫发作过程与神经系统本身的非线性动力学行为密切相关. 因此, 开展癫痫发作的非线性网络动力学建模与调控问题的研究, 有助于理解癫痫临床表征的动力学机理和定位致痫灶网络, 进而设计有效的网络调控策略. 本文回顾了癫痫脑神经疾病网络动力学与控制方面的研究进展, 系统总结了本文作者近年来在癫痫发作动力学建模分析及其调控等方面取得的研究成果. 首先, 基于海马齿状回CA3区环路神经元网络模型, 分析了影响颞叶癫痫发作的分子和网络结构因素, 阐释了癫痫发作转迁的动力学机制. 其次, 由于脑神经系统的集群编码特性, 基于神经场模型和平均场模型建模方法完善了皮质−基底节−丘脑环路网络动力学理论框架, 并基于此框架分析了失神癫痫发作转迁的动力学分岔机制, 探讨了不同类型癫痫发作的转迁路径, 发现了失神癫痫发作转迁的多稳态共存现象, 揭示了时滞对失神癫痫同步发作的控制效果, 设计了丰富有效的癫痫深脑刺激调控策略, 给出了电刺激调控失神癫痫发作的动力学解释. 最后, 通过数据驱动的统计建模和神经元群模型动力学建模分析, 提出了局灶癫痫致痫灶定位及寻找有效控制癫痫发作网络关键节点的理论新方法. 这些研究成果为理解难治性癫痫发作动力学本质及在临床诊疗的应用方面提供重要理论支撑. 最后对进一步研究给出若干建议.
大型漂浮式风电装备耦合动力学研究:历史, 进展与挑战
温斌荣, 田新亮, 李占伟, 彭志科
, doi: 10.6052/1000-0992-22-018
摘要(118) HTML(7) PDF(95)
摘要:
风电是可再生能源的主力军, 在优化能源结构、缓解气候变化方面发挥着重要作用. 经过数十年的发展, 风电装备逐渐向大型化和离岸化发展, 并由此形成“由陆向海, 由浅入深, 由固定式向漂浮式”的演变之路. 在水深大于50米的深远海域, 采用漂浮式支撑基础搭载大型或超大型风电机组是兼顾技术可行度和成本优势的理想选择. 如今, 大型漂浮式风机已成为下一代深远海风能大规模开发的主力装备, 是深化海洋风能开发的先导战略性高端装备, 是风电领域的研究热点和技术高地. 本文围绕大型漂浮式风电装备耦合动力学问题, 综述了国内外浮式风电技术的发展历程和研究现状, 结合作者团队多年的研究与实践经验, 介绍了浮式风机耦合动力学及其优化控制中的基础问题与研究现状, 总结了现阶段浮式风机耦合动力学研究中的困难与挑战, 为浮式风电研究人员提供参考. 风电是可再生能源的主力军, 在优化能源结构、缓解气候变化方面发挥着重要作用. 经过数十年的发展, 风电装备逐渐向大型化和离岸化发展, 并由此形成“由陆向海, 由浅入深, 由固定式向漂浮式”的演变之路. 在水深大于50米的深远海域, 采用漂浮式支撑基础搭载大型或超大型风电机组是兼顾技术可行度和成本优势的理想选择. 如今, 大型漂浮式风机已成为下一代深远海风能大规模开发的主力装备, 是深化海洋风能开发的先导战略性高端装备, 是风电领域的研究热点和技术高地. 本文围绕大型漂浮式风电装备耦合动力学问题, 综述了国内外浮式风电技术的发展历程和研究现状, 结合作者团队多年的研究与实践经验, 介绍了浮式风机耦合动力学及其优化控制中的基础问题与研究现状, 总结了现阶段浮式风机耦合动力学研究中的困难与挑战, 为浮式风电研究人员提供参考.
神经系统疾病与认知动力学(II): 神经振荡与认知动力学
韩芳, 樊登贵, 张丽媛, 王青云, 顾晓春, 王直杰
, doi: 10.6052/1000-0992-21-065
摘要(264) HTML(68) PDF(72)
摘要:
大脑神经系统具有从慢到快多种不同的振荡节律, 这些节律振荡被认为参与了大脑多种功能的实现, 其中高频的伽马同步振荡被认为与大脑的认知功能最为相关. 本文阐述了生物学实验方面关于伽马振荡及其功能的研究进展, 并针对实验中伽马振荡的频率敏感依赖于外部刺激特征的现象, 综述了基于神经网络模型进行变频伽马振荡及其认知功能的动力学建模研究工作, 解释了视觉刺激调控的变频率伽马振荡动力学产生机理, 提出了基于同步抑制增强全局放电率对比度的神经认知机制. 研究成果有助于理解神经系统同步振荡的产生机理及其认知作用, 为大脑认知原理以及类脑智能的研究奠定基础. 大脑神经系统具有从慢到快多种不同的振荡节律, 这些节律振荡被认为参与了大脑多种功能的实现, 其中高频的伽马同步振荡被认为与大脑的认知功能最为相关. 本文阐述了生物学实验方面关于伽马振荡及其功能的研究进展, 并针对实验中伽马振荡的频率敏感依赖于外部刺激特征的现象, 综述了基于神经网络模型进行变频伽马振荡及其认知功能的动力学建模研究工作, 解释了视觉刺激调控的变频率伽马振荡动力学产生机理, 提出了基于同步抑制增强全局放电率对比度的神经认知机制. 研究成果有助于理解神经系统同步振荡的产生机理及其认知作用, 为大脑认知原理以及类脑智能的研究奠定基础.
非球形颗粒两相流的数值模拟研究进展
崔智文, 王泽, 蒋新宇, 赵立豪
, doi: 10.6052/1000-0992-22-006
摘要(108) HTML(13) PDF(41)
摘要:
非球形颗粒两相流是多相流的重要研究方向之一, 常见于自然界及工业生产过程中. 不同于球形颗粒, 由于非球形颗粒形状的各向异性, 除了颗粒平动行为, 还需要考虑颗粒的转动与取向行为, 颗粒的取向与转动行为会影响颗粒所受的力和力矩. 为了准确地模拟非球形颗粒的运动行为, 目前非球形颗粒两相流的数值模拟研究主要基于欧拉−拉格朗日的求解框架展开, 常见的非球形颗粒两相流数值模拟方法主要包括点颗粒法与全分辨颗粒法. 本文将对这两类方法进行介绍, 同时会全面介绍非球形颗粒两相流研究的基础理论模型, 并系统地总结非球形颗粒在简单基本流和复杂湍流中的研究进展, 包括对于非球形颗粒在湍流中的取向与转动行为机理, 以及颗粒对湍流减阻调制作用的研究. 最后, 本文提出了非球形颗粒两相流研究存在的问题及未来研究方向. 非球形颗粒两相流是多相流的重要研究方向之一, 常见于自然界及工业生产过程中. 不同于球形颗粒, 由于非球形颗粒形状的各向异性, 除了颗粒平动行为, 还需要考虑颗粒的转动与取向行为, 颗粒的取向与转动行为会影响颗粒所受的力和力矩. 为了准确地模拟非球形颗粒的运动行为, 目前非球形颗粒两相流的数值模拟研究主要基于欧拉−拉格朗日的求解框架展开, 常见的非球形颗粒两相流数值模拟方法主要包括点颗粒法与全分辨颗粒法. 本文将对这两类方法进行介绍, 同时会全面介绍非球形颗粒两相流研究的基础理论模型, 并系统地总结非球形颗粒在简单基本流和复杂湍流中的研究进展, 包括对于非球形颗粒在湍流中的取向与转动行为机理, 以及颗粒对湍流减阻调制作用的研究. 最后, 本文提出了非球形颗粒两相流研究存在的问题及未来研究方向.
轻与巧的完美结合: 缨甲飞行的秘密
张星
, doi: 10.6052/1000-0992-22-011
摘要(152) HTML(31) PDF(66)
摘要:
通过实验手段, 重构了缨甲飞行的三维形态学和运动学模型. 利用计算流体力学 (CFD) 分析, 成功地揭示了缨甲超强飞行能力的秘密. 通过实验手段, 重构了缨甲飞行的三维形态学和运动学模型. 利用计算流体力学 (CFD) 分析, 成功地揭示了缨甲超强飞行能力的秘密.
柔性钙钛矿太阳能电池机械稳定性研究进展
张美合, 李志浩, 李红刚, 张超
, doi: 10.6052/1000-0992-21-057
摘要(170) HTML(75) PDF(47)
摘要:
钙钛矿太阳能电池凭借其低成本、高效能等优点近期备受科研领域的关注, 其光电转换效率已从初始的3.8%迅速提高到25.5%. 其中沉积于聚合物衬底的柔性钙钛矿太阳能电池相比刚性钙钛矿太阳能电池具有质量小、易弯曲等特点, 更适用于实际生产生活. 然而, 其光伏性能相比于刚性钙钛矿太阳能电池还存在一定的差距, 同时柔性电池在较大变形下的机械稳定性问题是影响其投入商业使用的主要瓶颈. 本文综述了近年来国内外科研团队在提升柔性钙钛矿太阳能电池机械稳定性方面的研究成果, 并从材料调控与结构创新两个方面进行了总结概述, 为柔性钙钛矿太阳能电池机械稳定性和综合效率的进一步提升提供了参考与建议. 此外, 针对柔性钙钛矿太阳能电池的创新发展与应用拓展, 简述了基于柔性钙钛矿太阳能电池的集能、储能、传感一体化柔性器件的研究现状与发展前景. 钙钛矿太阳能电池凭借其低成本、高效能等优点近期备受科研领域的关注, 其光电转换效率已从初始的3.8%迅速提高到25.5%. 其中沉积于聚合物衬底的柔性钙钛矿太阳能电池相比刚性钙钛矿太阳能电池具有质量小、易弯曲等特点, 更适用于实际生产生活. 然而, 其光伏性能相比于刚性钙钛矿太阳能电池还存在一定的差距, 同时柔性电池在较大变形下的机械稳定性问题是影响其投入商业使用的主要瓶颈. 本文综述了近年来国内外科研团队在提升柔性钙钛矿太阳能电池机械稳定性方面的研究成果, 并从材料调控与结构创新两个方面进行了总结概述, 为柔性钙钛矿太阳能电池机械稳定性和综合效率的进一步提升提供了参考与建议. 此外, 针对柔性钙钛矿太阳能电池的创新发展与应用拓展, 简述了基于柔性钙钛矿太阳能电池的集能、储能、传感一体化柔性器件的研究现状与发展前景.
固液界面的力−电−化学耦合及在电催化体系中的应用
邓齐波, 贾涵杏, 杨波, 齐正磐, 张哲绎, 阿拉木斯, 胡宁
, doi: 10.6052/1000-0992-21-042
摘要(303) HTML(117) PDF(81)
摘要:
目前许多新型高效金属催化剂在设计制备中都考虑到表面力学因素, 例如层状结构、核壳结构等, 其表面高活性原子受到不同程度的应变作用. 应变可直接改变金属的能带带隙, 对催化剂表面的电化学反应产生显著影响, 是一种有效提升材料催化活性的新思路和制备高性能催化剂的新途径, 因此受到了科研工作者的广泛关注. 传统的材料应变工程手段存在着活性物质层的应变值难以精确定量, 并缺少实时调控以及制备工艺繁琐等难题, 导致应变与电催化活性相关性规律识别方面的理论和实验研究进展缓慢. 相比于传统的材料手段, 交变载荷产生的应变具有幅值和频率的可变性以及连续的调控性, 在实验中可以完全排除噪声、缺陷、空位、基底效应等其他外部或材料本征的影响因素. 该综述从经典固液界面热力学表述出发, 简要介绍了电催化体系中的力−电−化学耦合效应, 归纳总结目前电催化体系中应变施加的实验手段和分析方法, 并基于目前最新相关研究着重讨论在交变载荷作用下应变对金属表面电催化反应的作用机理, 最后从力学角度展望了表面力学在电催化体系中的研究重点及发展趋势. 目前许多新型高效金属催化剂在设计制备中都考虑到表面力学因素, 例如层状结构、核壳结构等, 其表面高活性原子受到不同程度的应变作用. 应变可直接改变金属的能带带隙, 对催化剂表面的电化学反应产生显著影响, 是一种有效提升材料催化活性的新思路和制备高性能催化剂的新途径, 因此受到了科研工作者的广泛关注. 传统的材料应变工程手段存在着活性物质层的应变值难以精确定量, 并缺少实时调控以及制备工艺繁琐等难题, 导致应变与电催化活性相关性规律识别方面的理论和实验研究进展缓慢. 相比于传统的材料手段, 交变载荷产生的应变具有幅值和频率的可变性以及连续的调控性, 在实验中可以完全排除噪声、缺陷、空位、基底效应等其他外部或材料本征的影响因素. 该综述从经典固液界面热力学表述出发, 简要介绍了电催化体系中的力−电−化学耦合效应, 归纳总结目前电催化体系中应变施加的实验手段和分析方法, 并基于目前最新相关研究着重讨论在交变载荷作用下应变对金属表面电催化反应的作用机理, 最后从力学角度展望了表面力学在电催化体系中的研究重点及发展趋势.