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小波数值方法及其在计算力学中的应用
杨兵, 王记增, 刘小靖, 周又和, 冯永固
, doi: 10.6052/1000-0992-24-009
摘要(195) HTML(19) PDF(99)
摘要:
随着力学研究不断向多学科交叉、跨尺度关联及极端环境影响推进, 强非线性、强间断、多场强耦合、多尺度与复杂几何构型已成为解决各类力学问题定量分析所面临的共性特征. 长期的定量研究表明, 实现具有这类特征力学问题有效求解的核心之一, 是构建在多尺度情形、非线性因素作用下具有准确识别、定位、捕获以及分离各个尺度特征尤其是小尺度局部特征能力的数值工具, 这些能力之中包括了大尺度低阶近似解与小尺度高阶微小截断误差的有效分离解耦. 而小波理论固有的多分辨分析和时频局部化特性, 以及丰富的基函数可选择性, 恰好能满足这一数学特征需求, 因此, 可为发展各类复杂力学问题的高效定量求解方法提供有效的理论支撑和丰富多样的技术途径. 基于这一事实, 本文对小波理论进行了全面探讨, 着重介绍了双正交多分辨分析的理论框架和常用小波基的构造方法. 在此基础上, 深入研究了有限区域上小波逼近格式的构建方法, 并系统阐述了各类基于小波理论的数值方法的基本原理、发展历程及其优缺点. 特别关注了近期出现的具有突出性能的几类新型小波方法, 并详细评述了它们在典型力学问题求解中的应用效果. 同时, 本文也指出了当前小波方法在复杂强非线性力学问题求解中所面临的挑战, 旨在为小波数值方法的未来发展及其在复杂力学与工程问题中的应用拓展提供有益的参考, 并为最终实现这些问题的高效、高精度普适定量求解提供新的视角和方法. 随着力学研究不断向多学科交叉、跨尺度关联及极端环境影响推进, 强非线性、强间断、多场强耦合、多尺度与复杂几何构型已成为解决各类力学问题定量分析所面临的共性特征. 长期的定量研究表明, 实现具有这类特征力学问题有效求解的核心之一, 是构建在多尺度情形、非线性因素作用下具有准确识别、定位、捕获以及分离各个尺度特征尤其是小尺度局部特征能力的数值工具, 这些能力之中包括了大尺度低阶近似解与小尺度高阶微小截断误差的有效分离解耦. 而小波理论固有的多分辨分析和时频局部化特性, 以及丰富的基函数可选择性, 恰好能满足这一数学特征需求, 因此, 可为发展各类复杂力学问题的高效定量求解方法提供有效的理论支撑和丰富多样的技术途径. 基于这一事实, 本文对小波理论进行了全面探讨, 着重介绍了双正交多分辨分析的理论框架和常用小波基的构造方法. 在此基础上, 深入研究了有限区域上小波逼近格式的构建方法, 并系统阐述了各类基于小波理论的数值方法的基本原理、发展历程及其优缺点. 特别关注了近期出现的具有突出性能的几类新型小波方法, 并详细评述了它们在典型力学问题求解中的应用效果. 同时, 本文也指出了当前小波方法在复杂强非线性力学问题求解中所面临的挑战, 旨在为小波数值方法的未来发展及其在复杂力学与工程问题中的应用拓展提供有益的参考, 并为最终实现这些问题的高效、高精度普适定量求解提供新的视角和方法.
小行星撞击地球危害评估研究进展
党雷宁, 白智勇, 石义雷, 黄洁
, doi: 10.6052/1000-0992-23-047
摘要(222) HTML(83) PDF(53)
摘要:
小行星撞击地球是人类生存和发展的潜在威胁之一. 行星防御是国际上近20年来兴起的热点研究领域, 也是我国重大安全需求. 小行星撞击地球危害评估是行星防御重要研究内容. 本文认为, 小行星撞击地球危害具有概率低、危害大、随机性的特点, 存在超压、热辐射、地震、海啸、全球效应等五种危害类型, 危害评估有防御决策阶段、防御实施阶段、地面民防阶段等三个应用场景. 本文总结了五种危害类型的研究现状, 从模型、方法与软件三个方面重点阐述了数值仿真与工程计算这两种危害评估手段的研究进展, 介绍了危害评估的输入输出与典型案例, 简要阐述了小行星撞击地球力学问题研究进展, 指出当前研究存在的不足, 并对未来工作进行展望. 小行星撞击地球是人类生存和发展的潜在威胁之一. 行星防御是国际上近20年来兴起的热点研究领域, 也是我国重大安全需求. 小行星撞击地球危害评估是行星防御重要研究内容. 本文认为, 小行星撞击地球危害具有概率低、危害大、随机性的特点, 存在超压、热辐射、地震、海啸、全球效应等五种危害类型, 危害评估有防御决策阶段、防御实施阶段、地面民防阶段等三个应用场景. 本文总结了五种危害类型的研究现状, 从模型、方法与软件三个方面重点阐述了数值仿真与工程计算这两种危害评估手段的研究进展, 介绍了危害评估的输入输出与典型案例, 简要阐述了小行星撞击地球力学问题研究进展, 指出当前研究存在的不足, 并对未来工作进行展望.
连接结构界面摩擦力学建模研究进展
沈民民, 杨晓东
, doi: 10.6052/1000-0992-24-008
摘要(180) HTML(36) PDF(103)
摘要:
连接结构作为工业装备的核心部件之一, 是装备制造领域着重攻关优化的关键基础部件. 当前, 因连接界面的非线性、复杂性、不确定性等引起的跨尺度和多物理场复杂力学行为机理不明, 导致精准预测连接结构动力学特性和监测其动态服役性能存在困难, 成为制约精密结构动力学分析、高保真仿真、设计、优化和控制等问题的关键和瓶颈. 然而连接结构应用广泛, 工程和技术人员对连接结构的机理及其多功能化有进一步的需求. 本文主要综述连接结构界面摩擦力学的解析建模、有限元建模以及实验系统, 并提出新型连接结构设计的发展趋势. 首先, 根据连接使役环境需求、工程存在问题及缺乏有效强度刚度预测理论, 综述了螺栓连接结构载荷类型及精准构建连接等效模型应用. 其次, 重点概述了连接结构界面摩擦几类主流理论模型, 包括描述微/纳尺度分析连接界面多尺度物理行为和规律的本构模型、采用系统辨识理论和方法得到宏观界面力学响应的唯象模型、结合本构微观接触机理和系统辨识宏观角度的唯象学本构摩擦模型. 然后, 综述了以有限元方法为基础的连接结构仿真以及实验方法, 具体包括直接有限元建模、间接等效有限元建模、实验基准系统以及各向激励连接结构实验平台. 最后, 基于装备领域连接结构多功能需求, 提出“传静抑动”连接件以及轻量化仿生连接件的新型连接件设计思想. 连接结构作为工业装备的核心部件之一, 是装备制造领域着重攻关优化的关键基础部件. 当前, 因连接界面的非线性、复杂性、不确定性等引起的跨尺度和多物理场复杂力学行为机理不明, 导致精准预测连接结构动力学特性和监测其动态服役性能存在困难, 成为制约精密结构动力学分析、高保真仿真、设计、优化和控制等问题的关键和瓶颈. 然而连接结构应用广泛, 工程和技术人员对连接结构的机理及其多功能化有进一步的需求. 本文主要综述连接结构界面摩擦力学的解析建模、有限元建模以及实验系统, 并提出新型连接结构设计的发展趋势. 首先, 根据连接使役环境需求、工程存在问题及缺乏有效强度刚度预测理论, 综述了螺栓连接结构载荷类型及精准构建连接等效模型应用. 其次, 重点概述了连接结构界面摩擦几类主流理论模型, 包括描述微/纳尺度分析连接界面多尺度物理行为和规律的本构模型、采用系统辨识理论和方法得到宏观界面力学响应的唯象模型、结合本构微观接触机理和系统辨识宏观角度的唯象学本构摩擦模型. 然后, 综述了以有限元方法为基础的连接结构仿真以及实验方法, 具体包括直接有限元建模、间接等效有限元建模、实验基准系统以及各向激励连接结构实验平台. 最后, 基于装备领域连接结构多功能需求, 提出“传静抑动”连接件以及轻量化仿生连接件的新型连接件设计思想.
细胞核生物力学研究进展
刘中乾, 齐颖新
, doi: 10.6052/1000-0992-23-053
摘要(343) HTML(110) PDF(90)
摘要:
细胞核是细胞内最大、刚度最高的细胞器, 也是遗传信息储存、复制和转录的中心场所, 在生命活动调节方面发挥关键作用. 研究表明, 生物力学因素在细胞核结构和功能的动态变化调控中至关重要. 核骨架蛋白和核孔复合体作为细胞核典型的力学响应组分, 在维持细胞核形态结构的同时将细胞骨架传递而来的力呈递至染色质, 进而影响染色质构象、基因表达等一系列细胞核相关活动, 调控细胞功能. 细胞核及其组分对应力信号的感知和转导已成为生物力学研究的前沿热点之一. 为更深入地认识生理和病理状态下细胞核的力学特性, 揭示其在细胞命运决定中的作用和机制, 本文总结了细胞核生物力学相关的研究进展, 重点介绍了细胞核骨架、核孔复合体和染色质的物理结构、力学响应过程、各组分的相互作用以及用于细胞核生物力学研究的技术进展, 最后总结了细胞核与早衰综合症、神经退行性疾病和心血管疾病的关系, 并对细胞核生物力学未来发展进行了展望. 细胞核是细胞内最大、刚度最高的细胞器, 也是遗传信息储存、复制和转录的中心场所, 在生命活动调节方面发挥关键作用. 研究表明, 生物力学因素在细胞核结构和功能的动态变化调控中至关重要. 核骨架蛋白和核孔复合体作为细胞核典型的力学响应组分, 在维持细胞核形态结构的同时将细胞骨架传递而来的力呈递至染色质, 进而影响染色质构象、基因表达等一系列细胞核相关活动, 调控细胞功能. 细胞核及其组分对应力信号的感知和转导已成为生物力学研究的前沿热点之一. 为更深入地认识生理和病理状态下细胞核的力学特性, 揭示其在细胞命运决定中的作用和机制, 本文总结了细胞核生物力学相关的研究进展, 重点介绍了细胞核骨架、核孔复合体和染色质的物理结构、力学响应过程、各组分的相互作用以及用于细胞核生物力学研究的技术进展, 最后总结了细胞核与早衰综合症、神经退行性疾病和心血管疾病的关系, 并对细胞核生物力学未来发展进行了展望.
3D打印连续纤维复合材料工艺、结构优化研究进展
叶红玲, 董永佳, 毛鹏琪, 肖扬, 解佳琳
, doi: 10.6052/1000-0992-23-048
摘要(610) HTML(143) PDF(133)
摘要:
连续纤维增强复合材料由于优异的比强度、比刚度、可设计性和轻量化特质, 日益受到航空航天等高端装备制造领域的青睐. 3D打印技术的发展改变了连续纤维复合材料结构的生产制造流程, 使复杂结构的自由成型成为可能, 为先进结构材料提供了巨大的设计空间. 为充分发挥先进材料性能优势和3D打印成型灵活性, 研究人员分别从材料性能和结构设计出发, 探索与3D打印连续纤维复合材料相适应的设计制造一体化解决方案, 实现产品创新设计和性能提升. 本文系统性地回顾了面向连续纤维复合材料性能分析、工艺改进和结构优化的研究工作, 结合研究实践对连续纤维复合材料的结构多尺度优化方法进行总结分析, 并对未来先进材料结构设计实时化、功能化、智能化的发展趋势进行探讨和展望. 连续纤维增强复合材料由于优异的比强度、比刚度、可设计性和轻量化特质, 日益受到航空航天等高端装备制造领域的青睐. 3D打印技术的发展改变了连续纤维复合材料结构的生产制造流程, 使复杂结构的自由成型成为可能, 为先进结构材料提供了巨大的设计空间. 为充分发挥先进材料性能优势和3D打印成型灵活性, 研究人员分别从材料性能和结构设计出发, 探索与3D打印连续纤维复合材料相适应的设计制造一体化解决方案, 实现产品创新设计和性能提升. 本文系统性地回顾了面向连续纤维复合材料性能分析、工艺改进和结构优化的研究工作, 结合研究实践对连续纤维复合材料的结构多尺度优化方法进行总结分析, 并对未来先进材料结构设计实时化、功能化、智能化的发展趋势进行探讨和展望.
基于有限元技术的疲劳裂纹扩展方法研究进展
苏玉昆, 马涛, 赵晓鑫, 张光亮, 朱加雷, 张鹏
, doi: 10.6052/1000-0992-23-049
摘要(638) HTML(132) PDF(241)
摘要:
疲劳裂纹是引起工程结构断裂失效的重要因素之一. 目前疲劳裂纹扩展的有限元仿真商业软件有ANSYS、ABAQUS、FRANC3D、ZENCRACK等, 这些软件为疲劳裂纹扩展过程的研究提供了有力支撑. 本文对目前疲劳裂纹扩展的有限元仿真方法进行了综述. 阐明了疲劳裂纹的定义以及研究疲劳裂纹扩展行为的必要性; 介绍了三种用于模拟疲劳裂纹扩展的有限元方法: 扩展有限元法 (XFEM)、内聚力模型 (CZM) 和虚拟裂纹闭合技术 (VCCT); 分别总结了三种方法的基本理论和核心思想, 对三种方法的应用与发展进行了分类归纳; 最后对三种有限元方法进行分析, 指出每种方法各自的优势及目前存在的局限性, 并对疲劳裂纹扩展有限元仿真技术的未来改进方向给出了建议. 疲劳裂纹是引起工程结构断裂失效的重要因素之一. 目前疲劳裂纹扩展的有限元仿真商业软件有ANSYS、ABAQUS、FRANC3D、ZENCRACK等, 这些软件为疲劳裂纹扩展过程的研究提供了有力支撑. 本文对目前疲劳裂纹扩展的有限元仿真方法进行了综述. 阐明了疲劳裂纹的定义以及研究疲劳裂纹扩展行为的必要性; 介绍了三种用于模拟疲劳裂纹扩展的有限元方法: 扩展有限元法 (XFEM)、内聚力模型 (CZM) 和虚拟裂纹闭合技术 (VCCT); 分别总结了三种方法的基本理论和核心思想, 对三种方法的应用与发展进行了分类归纳; 最后对三种有限元方法进行分析, 指出每种方法各自的优势及目前存在的局限性, 并对疲劳裂纹扩展有限元仿真技术的未来改进方向给出了建议.
深度学习赋能结构拓扑优化设计方法研究
陈小前, 张泽雨, 李昱, 姚雯, 周炜恩
, doi: 10.6052/1000-0992-23-052
摘要(881) HTML(297) PDF(273)
摘要:
本文综合论述了近年来结构拓扑优化领域与深度学习技术交叉融合发展的相关研究进展. 围绕结构拓扑优化设计的核心方法与关键环节, 从深度学习赋能的角度系统性梳理了两大类赋能方法. 研究指出, 基于深度学习技术的结构优化设计全局代理模型构建方法作为一种直接映射式结构设计方法, 因其简单而典型的设计思想目前已被广泛研究, 然而全局代理模型在计算性和泛化性上的局限与不足也尤为明显; 融合深度学习技术的结构优化设计局部子环节加速与替代方法是一种更加灵活与多样的局部赋能形式, 具有较好的普适性和独特的优越性. 文章对智能赋能结构优化未来的发展进行了展望, 研究重点在于深度学习与结构设计的有机结合方式, 以及数据和知识的混合驱动设计范式. 本文综合论述了近年来结构拓扑优化领域与深度学习技术交叉融合发展的相关研究进展. 围绕结构拓扑优化设计的核心方法与关键环节, 从深度学习赋能的角度系统性梳理了两大类赋能方法. 研究指出, 基于深度学习技术的结构优化设计全局代理模型构建方法作为一种直接映射式结构设计方法, 因其简单而典型的设计思想目前已被广泛研究, 然而全局代理模型在计算性和泛化性上的局限与不足也尤为明显; 融合深度学习技术的结构优化设计局部子环节加速与替代方法是一种更加灵活与多样的局部赋能形式, 具有较好的普适性和独特的优越性. 文章对智能赋能结构优化未来的发展进行了展望, 研究重点在于深度学习与结构设计的有机结合方式, 以及数据和知识的混合驱动设计范式.
航天结构空间组装动力学与控制研究进展
吴志刚, 蒋建平, 邬树楠, 李庆军, 王兴, 谭述君, 邓子辰
, doi: 10.6052/1000-0992-23-041
摘要(1403) HTML(91) PDF(307)
摘要:
空间组装是建造空间站、大型卫星天线、大口径空间望远镜、空间太阳能电站等大型和超大型航天结构的重要手段. 然而, 航天结构组装过程将面临构型增长、参数变化、轨道-姿态-结构耦合、接触碰撞等复杂的动力学与控制问题, 给精准、高效、稳定完成组装任务带来挑战. 本文介绍了大型航天结构的动力学建模方法、超大型航天结构特殊的动力学现象、航天结构空间组装过程的动力学建模研究现状; 综述了航天结构在轨运行阶段的控制方法、空间组装过程的组装序列规划方法、姿态控制与振动抑制方法研究进展; 总结了航天结构组装过程动力学与控制地面模拟试验中的重力卸载、缩比模型设计与试验、非线性与不确定性试验等关键技术. 最后, 面向未来千米量级超大型航天结构空间组装需求, 针对组装过程中结构尺寸、质量和力学参数跃变等特性提出了当前研究工作中亟须解决的几类动力学与控制问题. 空间组装是建造空间站、大型卫星天线、大口径空间望远镜、空间太阳能电站等大型和超大型航天结构的重要手段. 然而, 航天结构组装过程将面临构型增长、参数变化、轨道-姿态-结构耦合、接触碰撞等复杂的动力学与控制问题, 给精准、高效、稳定完成组装任务带来挑战. 本文介绍了大型航天结构的动力学建模方法、超大型航天结构特殊的动力学现象、航天结构空间组装过程的动力学建模研究现状; 综述了航天结构在轨运行阶段的控制方法、空间组装过程的组装序列规划方法、姿态控制与振动抑制方法研究进展; 总结了航天结构组装过程动力学与控制地面模拟试验中的重力卸载、缩比模型设计与试验、非线性与不确定性试验等关键技术. 最后, 面向未来千米量级超大型航天结构空间组装需求, 针对组装过程中结构尺寸、质量和力学参数跃变等特性提出了当前研究工作中亟须解决的几类动力学与控制问题.