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, 最新更新时间 , doi: 10.6052/1000-0992-23-012
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计算流体力学 (CFD) 在重大工程领域发挥了日益重要的作用, 可信度是制约其进一步大规模工程应用的关键因素. 国内外普遍认同验证与确认是CFD可信度评价和保证的必经途径. 通过系统的验证与确认, 可以有效识别代码中潜在的编程错误, 保证数值求解的可靠性, 客观评价模型在预期用途内的适用性, 在必要时提高模型的预测能力. 本文围绕着什么是验证与确认, 怎么做验证与确认的这两个核心问题, 从基本概念、实施流程、主要方法、标模试验和平台工具等角度介绍了国内外在CFD验证与确认领域的研究进展, 重点对误差估计和不确定度量化方法展开介绍. 文章最后对现阶段验证与确认研究解决实际工程问题的不足进行了评述和总结, 对未来重点研究方向进行了展望.
计算流体力学 (CFD) 在重大工程领域发挥了日益重要的作用, 可信度是制约其进一步大规模工程应用的关键因素. 国内外普遍认同验证与确认是CFD可信度评价和保证的必经途径. 通过系统的验证与确认, 可以有效识别代码中潜在的编程错误, 保证数值求解的可靠性, 客观评价模型在预期用途内的适用性, 在必要时提高模型的预测能力. 本文围绕着什么是验证与确认, 怎么做验证与确认的这两个核心问题, 从基本概念、实施流程、主要方法、标模试验和平台工具等角度介绍了国内外在CFD验证与确认领域的研究进展, 重点对误差估计和不确定度量化方法展开介绍. 文章最后对现阶段验证与确认研究解决实际工程问题的不足进行了评述和总结, 对未来重点研究方向进行了展望.
, 最新更新时间 , doi: 10.6052/1000-0992-23-007
摘要:
透明陶瓷兼具有优秀的透光性能和抗冲击破坏性能, 是武器装备透明部分性能优异的防护材料之一, 在军事装备、航天等国防领域具有良好的应用前景. 冲击载荷下材料的加载响应特性对掌握材料破坏机制至关重要, 能为透明复合材料设计提供依据. 文章从透明陶瓷材料的抗冲击响应实验研究, 包括实验技术、应变率效应、裂纹扩展速度、材料破坏特征等方面, 对静、动态加载下透明陶瓷的冲击响应特性研究进行了较为系统地回顾; 同时结合陶瓷材料冲击破坏实验阐明了透明陶瓷材料的冲击破坏机制, 以此为基础阐述透明陶瓷冲击破坏的损伤模型、强度准则及冲击响应动态本构模型; 最后分析了透明陶瓷复合装甲抗冲击响应特性以及数值模拟技术的研究现状, 探讨了陶瓷材料抗冲击响应特性研究的发展趋势. 针对现今透明陶瓷冲击响应研究的不足, 提出了关于未来研究方向的建议.
透明陶瓷兼具有优秀的透光性能和抗冲击破坏性能, 是武器装备透明部分性能优异的防护材料之一, 在军事装备、航天等国防领域具有良好的应用前景. 冲击载荷下材料的加载响应特性对掌握材料破坏机制至关重要, 能为透明复合材料设计提供依据. 文章从透明陶瓷材料的抗冲击响应实验研究, 包括实验技术、应变率效应、裂纹扩展速度、材料破坏特征等方面, 对静、动态加载下透明陶瓷的冲击响应特性研究进行了较为系统地回顾; 同时结合陶瓷材料冲击破坏实验阐明了透明陶瓷材料的冲击破坏机制, 以此为基础阐述透明陶瓷冲击破坏的损伤模型、强度准则及冲击响应动态本构模型; 最后分析了透明陶瓷复合装甲抗冲击响应特性以及数值模拟技术的研究现状, 探讨了陶瓷材料抗冲击响应特性研究的发展趋势. 针对现今透明陶瓷冲击响应研究的不足, 提出了关于未来研究方向的建议.
, 最新更新时间 , doi: 10.6052/1000-0992-23-009
摘要:
介电高弹体的力−电耦合循环变形和疲劳失效行为目前在相关功能器件的设计和寿命评估中得到了越来越多的关注. 因此, 为了促进软体机器人等领域的发展, 文章对介电高弹体的力−电耦合循环变形和疲劳失效行为的实验和理论研究现状进行了较为全面地综述: 首先, 对介电高弹体VHBTM材料在单一力场和力−电耦合作用下的循环变形行为及其演化特征进行了评述, 重点总结了该材料在循环载荷作用下表现出的循环软化、棘轮行为和疲劳失效行为及其力−电耦合效应; 然后, 对已有的、描述介电高弹体单一力场和力−电耦合变形行为的本构模型进行综述, 评述了已有的超弹性、黏−超弹性和黏−超弹性−塑性本构模型对介电高弹体循环变形行为及其力−电耦合效应的描述能力; 最后, 对介电高弹体的力−电耦合失效行为研究现状进行了评述, 特别关注了介电高弹体在力−电耦合大变形作用下的低周疲劳失效行为. 基于已有研究现状的评述, 文章还对相关领域的未来研究方向进行了展望, 力求促进相关研究领域的发展.
介电高弹体的力−电耦合循环变形和疲劳失效行为目前在相关功能器件的设计和寿命评估中得到了越来越多的关注. 因此, 为了促进软体机器人等领域的发展, 文章对介电高弹体的力−电耦合循环变形和疲劳失效行为的实验和理论研究现状进行了较为全面地综述: 首先, 对介电高弹体VHBTM材料在单一力场和力−电耦合作用下的循环变形行为及其演化特征进行了评述, 重点总结了该材料在循环载荷作用下表现出的循环软化、棘轮行为和疲劳失效行为及其力−电耦合效应; 然后, 对已有的、描述介电高弹体单一力场和力−电耦合变形行为的本构模型进行综述, 评述了已有的超弹性、黏−超弹性和黏−超弹性−塑性本构模型对介电高弹体循环变形行为及其力−电耦合效应的描述能力; 最后, 对介电高弹体的力−电耦合失效行为研究现状进行了评述, 特别关注了介电高弹体在力−电耦合大变形作用下的低周疲劳失效行为. 基于已有研究现状的评述, 文章还对相关领域的未来研究方向进行了展望, 力求促进相关研究领域的发展.
, 最新更新时间 , doi: 10.6052/1000-0992-22-051
摘要:
高性能计算流体力学 (computational fluid dynamic, CFD) 模拟可以与高超飞行试验、高焓地面设备实验研究相互印证, 在热化学非平衡效应研究以及未来高超声速飞行器研制中将发挥更重要的作用. 本文回顾了国内外在热化学非平衡流动CFD研究方面的进展, 概述了相关热化学模型、数值格式研究以及CFD软件研制方面的现状和发展趋势, 最后指出了今后在基础研究、软件开发、模拟应用等方面需要关注的问题. (1) 在热化学模型方面, 常用温度模型并不完全精确, 多振动温度模型具有发展潜力但工程应用受限, 态−态模型更精确但模拟技术尚不成熟, 更为精确的热力学输运模型、有限速率化学反应模型、振动−离解耦合模型以及表面效应模型等是提升热化学非平衡模拟精度的重要物理模型, 值得深入研究; (2) 在数值方法方面, 多物理场耦合模拟是高超热化学非平衡流动CFD研究的热点和趋势, 对CFD方法的鲁棒性和收敛性提出了更高的要求, 值得重点关注和研究, 此外常用数值格式需要针对热化学非平衡流动特征进行适应性改造, RANS方法在热化学非平衡湍流模拟中的计算可靠性仍有待验证; (3) 在数值软件方面, 基于结构/非结构混合网格的数值求解器更加符合工业应用需求, 未来高超数值软件需要具备稳定、鲁棒的多学科、多物理场耦合求解功能, 且能够适应更大网格规模大尺度复杂外形的模拟需求; (4) 可综合应用多种加速技术手段提升热化学非平衡流动数值模拟的计算效率, 计算刚性是热化学非平衡流动数值模拟方法研究的共性基础问题, 刚性消除方法仍需进一步研究和发展.
高性能计算流体力学 (computational fluid dynamic, CFD) 模拟可以与高超飞行试验、高焓地面设备实验研究相互印证, 在热化学非平衡效应研究以及未来高超声速飞行器研制中将发挥更重要的作用. 本文回顾了国内外在热化学非平衡流动CFD研究方面的进展, 概述了相关热化学模型、数值格式研究以及CFD软件研制方面的现状和发展趋势, 最后指出了今后在基础研究、软件开发、模拟应用等方面需要关注的问题. (1) 在热化学模型方面, 常用温度模型并不完全精确, 多振动温度模型具有发展潜力但工程应用受限, 态−态模型更精确但模拟技术尚不成熟, 更为精确的热力学输运模型、有限速率化学反应模型、振动−离解耦合模型以及表面效应模型等是提升热化学非平衡模拟精度的重要物理模型, 值得深入研究; (2) 在数值方法方面, 多物理场耦合模拟是高超热化学非平衡流动CFD研究的热点和趋势, 对CFD方法的鲁棒性和收敛性提出了更高的要求, 值得重点关注和研究, 此外常用数值格式需要针对热化学非平衡流动特征进行适应性改造, RANS方法在热化学非平衡湍流模拟中的计算可靠性仍有待验证; (3) 在数值软件方面, 基于结构/非结构混合网格的数值求解器更加符合工业应用需求, 未来高超数值软件需要具备稳定、鲁棒的多学科、多物理场耦合求解功能, 且能够适应更大网格规模大尺度复杂外形的模拟需求; (4) 可综合应用多种加速技术手段提升热化学非平衡流动数值模拟的计算效率, 计算刚性是热化学非平衡流动数值模拟方法研究的共性基础问题, 刚性消除方法仍需进一步研究和发展.
, 最新更新时间 , doi: 10.6052/1000-0992-22-045
摘要:
湍流控制涉及流体力学和控制理论, 对航空航天、运载工具、风力发电等众多领域具有重要的科学意义和应用价值. 由于湍流的复杂性, 传统控制方法在湍流控制领域面临很多瓶颈, 人工智能技术的发展为突破这些瓶颈提供了工具. 本文简要综述了文献报道的有模型和无模型的人工智能控制湍流的进展, 总结了研究中采用的典型的人工智能控制系统、算法、在不同湍流控制应用中取得的突出成果. 作者所在团队在国际上首次尝试对人工智能控制系统产生的海量数据进行分析, 从而挖掘出重要的信息乃至发现控制相似律. 对面临的挑战和未来的展望进行了分析.
湍流控制涉及流体力学和控制理论, 对航空航天、运载工具、风力发电等众多领域具有重要的科学意义和应用价值. 由于湍流的复杂性, 传统控制方法在湍流控制领域面临很多瓶颈, 人工智能技术的发展为突破这些瓶颈提供了工具. 本文简要综述了文献报道的有模型和无模型的人工智能控制湍流的进展, 总结了研究中采用的典型的人工智能控制系统、算法、在不同湍流控制应用中取得的突出成果. 作者所在团队在国际上首次尝试对人工智能控制系统产生的海量数据进行分析, 从而挖掘出重要的信息乃至发现控制相似律. 对面临的挑战和未来的展望进行了分析.
, 最新更新时间 , doi: 10.6052/1000-0992-22-050
摘要:
实验观测、理论研究以及数值模拟是包括流体力学在内很多学科的基本研究范式. 21世纪以来, 大数据驱动下的人工智能成为引领新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力, 也被称为数据密集型科学研究范式, 即第四范式. 同样, 数据驱动的机器学习方法也成为流体力学的新兴方向, 并助推智能流体力学方向的发展. 然而, 与面向社会依赖“互联网 + 大数据”的数据密集型范式相比, 流体力学智能化研究有其特有的背景. 例如有限工程样本中产生的海量流动数据, 与流动状态、几何边界条件的高维度以及复杂流动固有的高维、跨尺度、随机、非线性特征相比, 数据驱动的流体力学研究面临着大数据小样本问题. 经典流体力学虽然有三大研究范式, 但融合度很低, 工程设计师通常只能对不同来源的数据进行拼凑使用或简单修正. 多源数据融合一定程度上可缓解单一样本量来源少、建模难, 以及低精度样本利用不充分等困境, 但仍未能实现基本范式中的理论模型或者专家知识和经验的充分利用. 因此, 在人工智能技术支撑的第四范式架构下, 有机融合实验、理论模型以及数值模拟三大手段, 发展“数据 + 知识”双驱动的流体力学多范式融合方法, 成为解决重大实际工程研制问题的迫切需求, 也是新时代流体力学学科内涵、特色发展的迫切需求.
实验观测、理论研究以及数值模拟是包括流体力学在内很多学科的基本研究范式. 21世纪以来, 大数据驱动下的人工智能成为引领新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力, 也被称为数据密集型科学研究范式, 即第四范式. 同样, 数据驱动的机器学习方法也成为流体力学的新兴方向, 并助推智能流体力学方向的发展. 然而, 与面向社会依赖“互联网 + 大数据”的数据密集型范式相比, 流体力学智能化研究有其特有的背景. 例如有限工程样本中产生的海量流动数据, 与流动状态、几何边界条件的高维度以及复杂流动固有的高维、跨尺度、随机、非线性特征相比, 数据驱动的流体力学研究面临着大数据小样本问题. 经典流体力学虽然有三大研究范式, 但融合度很低, 工程设计师通常只能对不同来源的数据进行拼凑使用或简单修正. 多源数据融合一定程度上可缓解单一样本量来源少、建模难, 以及低精度样本利用不充分等困境, 但仍未能实现基本范式中的理论模型或者专家知识和经验的充分利用. 因此, 在人工智能技术支撑的第四范式架构下, 有机融合实验、理论模型以及数值模拟三大手段, 发展“数据 + 知识”双驱动的流体力学多范式融合方法, 成为解决重大实际工程研制问题的迫切需求, 也是新时代流体力学学科内涵、特色发展的迫切需求.
, 最新更新时间 , doi: 10.6052/1000-0992-22-043
摘要:
现代工程系统往往是以复杂结构/机械系统为主体, 融合热、流、电磁等若干子系统的多场耦合系统. 此类系统动力学建模复杂、计算难度大, 给系统动态特性高效精确评估与设计优化带来前所未有的挑战, 有关其高效精确动力学仿真方法的研究愈发受到关注. 本文详细回顾了复杂工程系统多场耦合动力学仿真方法研究成果和进展, 包括: 多场耦合动力学建模与数值求解基本策略、网格变形处理方法、耦合数据交换技术、数值计算效率等问题, 在此基础上详细讨论了单一和混合不确定性条件下多场耦合系统不确定性分析及可靠性评估方法, 以期为相关研究提供有益的借鉴和参考.
现代工程系统往往是以复杂结构/机械系统为主体, 融合热、流、电磁等若干子系统的多场耦合系统. 此类系统动力学建模复杂、计算难度大, 给系统动态特性高效精确评估与设计优化带来前所未有的挑战, 有关其高效精确动力学仿真方法的研究愈发受到关注. 本文详细回顾了复杂工程系统多场耦合动力学仿真方法研究成果和进展, 包括: 多场耦合动力学建模与数值求解基本策略、网格变形处理方法、耦合数据交换技术、数值计算效率等问题, 在此基础上详细讨论了单一和混合不确定性条件下多场耦合系统不确定性分析及可靠性评估方法, 以期为相关研究提供有益的借鉴和参考.
, 最新更新时间 , doi: 10.6052/1000-0992-22-047
摘要:
非线性随机动力学是力学、数学、工程等多个领域关注的热点, 在航空航天、机械工程、生物生态等领域有广泛的应用. 多稳态动力系统作为其最重要的研究对象, 在随机扰动下具有丰富的动力学行为, 如随机分岔、随机共振等, 尤其是随机共振, 已经被应用于机械故障诊断、微弱信号检测和振动能量俘获等工程实际问题中. 本文主要综述了多稳态动力系统中的随机共振理论、方法及工程应用. 首先, 通过几类典型的非线性随机动力学系统, 介绍了随机共振的经典理论和度量指标; 其次, 重点阐述了多稳态动力学系统, 尤其是三稳态和周期势系统, 在各类噪声激励下的随机共振现象, 分析了其诱发机理、演化规律和研究方法; 最后, 介绍了多稳态动力系统中随机共振的几类应用实例, 并进一步给出了随机共振当前面临的难题和未来的发展趋势等开放性问题.
非线性随机动力学是力学、数学、工程等多个领域关注的热点, 在航空航天、机械工程、生物生态等领域有广泛的应用. 多稳态动力系统作为其最重要的研究对象, 在随机扰动下具有丰富的动力学行为, 如随机分岔、随机共振等, 尤其是随机共振, 已经被应用于机械故障诊断、微弱信号检测和振动能量俘获等工程实际问题中. 本文主要综述了多稳态动力系统中的随机共振理论、方法及工程应用. 首先, 通过几类典型的非线性随机动力学系统, 介绍了随机共振的经典理论和度量指标; 其次, 重点阐述了多稳态动力学系统, 尤其是三稳态和周期势系统, 在各类噪声激励下的随机共振现象, 分析了其诱发机理、演化规律和研究方法; 最后, 介绍了多稳态动力系统中随机共振的几类应用实例, 并进一步给出了随机共振当前面临的难题和未来的发展趋势等开放性问题.
, 最新更新时间 , doi: 10.6052/1000-0992-23-002
摘要:
多孔夹芯结构是一类由薄而刚硬的面板和多孔材料芯材构成的复合结构, 具有高比刚度、高比强度、缓冲吸能效果优异、可设计性强等特性, 在航空航天、交通运输、结构防护等诸多领域引起了广泛关注, 且已有诸多成功的工程应用案例, 是一类极具潜力的先进轻质高强多功能一体化结构. 为阐明轻质多孔夹芯结构的抗侵彻特性与耗能机理, 进一步拓展轻质多孔夹芯结构的工程应用范围, 对轻质多孔夹芯结构弹道侵彻行为的研究成果进行了系统的综述和展望, 依据轻质多孔夹芯结构的结构特征及类型, 分别评述了不同类型多孔夹芯结构的抗弹道侵彻破坏机制、能量耗散机理及轻量化设计等方面的研究, 展望了未来多孔夹芯结构在抗弹道侵彻研究领域面临的问题和挑战.
多孔夹芯结构是一类由薄而刚硬的面板和多孔材料芯材构成的复合结构, 具有高比刚度、高比强度、缓冲吸能效果优异、可设计性强等特性, 在航空航天、交通运输、结构防护等诸多领域引起了广泛关注, 且已有诸多成功的工程应用案例, 是一类极具潜力的先进轻质高强多功能一体化结构. 为阐明轻质多孔夹芯结构的抗侵彻特性与耗能机理, 进一步拓展轻质多孔夹芯结构的工程应用范围, 对轻质多孔夹芯结构弹道侵彻行为的研究成果进行了系统的综述和展望, 依据轻质多孔夹芯结构的结构特征及类型, 分别评述了不同类型多孔夹芯结构的抗弹道侵彻破坏机制、能量耗散机理及轻量化设计等方面的研究, 展望了未来多孔夹芯结构在抗弹道侵彻研究领域面临的问题和挑战.
, 最新更新时间 , doi: 10.6052/1000-0992-22-048
摘要:
振动问题与人类日常生活和科技发展紧密相关. 振动不但会干扰人类的生活、影响人类健康, 也会造成建筑物、机械设备和精密仪器无法正常使用甚至损坏. 于是, 在航空航天、汽车工程、船舶工程、大型结构及精密仪器加工等领域, 人们利用弹性元件或控制装置形成有效的振动隔离或消除装备, 有效的隔振能够提高人员和装备的安全性、稳定性、可控性和舒适性. 现代结构的大型化和复杂化发展, 对隔振和消振器的宽频抑振效果提出了新挑战. 然而, 基于线性理论的设计优化方法在分析和应用中出现了无法调和的矛盾, 即, 如果要拓宽隔振频带, 就必须降低隔振结构的刚度, 这导致结构承载能力下降. 本文对典型的非线性隔振器高静低动设计方法、动力学建模、动力学分析进行了详细的综述, 阐明不同机理下呈现的恢复力本构和准零刚度设计准则, 在面向航空航天、精密加工、汽车船舶等领域的不同需求时, 能够从动力学特征上进行选型; 另外, 关注到基于仿生和超结构的隔振和消振设计方法, 在非线性恢复力本构的力学机理解释和调控上产生了新的问题和挑战, 引发出变刚度、大变形动力学分析及其控制新方法、新策略和实验新技术的研究; 最后, 随着结构零部件向着轻质化和柔性化的方向发展, 运动部件末端的隔振效果受限于部件的柔性, 即使通过耦合多层准零刚度结构也难以实现被隔结构在空间上的快速定位, 关注到时滞控制的调幅调频机理, 本文对时滞抑振原理及设计方法进行讨论, 提供时滞抑制柔性低频振动成功案例, 为极端工况下的有效、简单、快速的主动隔振消振提供了可能性. 未来, 基于大数据时代的数据密集型研究范式, 非线性隔振和消振技术将面向复杂工况实现更精确、更智能的控制效果, 在精密仪器、航空航天等国家重大需求领域实现泛化应用.
振动问题与人类日常生活和科技发展紧密相关. 振动不但会干扰人类的生活、影响人类健康, 也会造成建筑物、机械设备和精密仪器无法正常使用甚至损坏. 于是, 在航空航天、汽车工程、船舶工程、大型结构及精密仪器加工等领域, 人们利用弹性元件或控制装置形成有效的振动隔离或消除装备, 有效的隔振能够提高人员和装备的安全性、稳定性、可控性和舒适性. 现代结构的大型化和复杂化发展, 对隔振和消振器的宽频抑振效果提出了新挑战. 然而, 基于线性理论的设计优化方法在分析和应用中出现了无法调和的矛盾, 即, 如果要拓宽隔振频带, 就必须降低隔振结构的刚度, 这导致结构承载能力下降. 本文对典型的非线性隔振器高静低动设计方法、动力学建模、动力学分析进行了详细的综述, 阐明不同机理下呈现的恢复力本构和准零刚度设计准则, 在面向航空航天、精密加工、汽车船舶等领域的不同需求时, 能够从动力学特征上进行选型; 另外, 关注到基于仿生和超结构的隔振和消振设计方法, 在非线性恢复力本构的力学机理解释和调控上产生了新的问题和挑战, 引发出变刚度、大变形动力学分析及其控制新方法、新策略和实验新技术的研究; 最后, 随着结构零部件向着轻质化和柔性化的方向发展, 运动部件末端的隔振效果受限于部件的柔性, 即使通过耦合多层准零刚度结构也难以实现被隔结构在空间上的快速定位, 关注到时滞控制的调幅调频机理, 本文对时滞抑振原理及设计方法进行讨论, 提供时滞抑制柔性低频振动成功案例, 为极端工况下的有效、简单、快速的主动隔振消振提供了可能性. 未来, 基于大数据时代的数据密集型研究范式, 非线性隔振和消振技术将面向复杂工况实现更精确、更智能的控制效果, 在精密仪器、航空航天等国家重大需求领域实现泛化应用.
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