轻质点阵超结构设计及多功能力学性能调控方法

随着先进制造技术、多学科交叉和人工智能科技的飞速发展, 高端装备呈现出轻量化、集成化、复合化、功能化、智能化、柔性化和仿生化等发展趋势. 传统结构研究存在结构设计和制造相互分离, 复杂结构制造效率低、实际制造结构的性能指标和使用可靠性大幅低于设计理论预测、结构多功能一体化程度不足、经济成本过高等问题. 此外, 先进工业装备对材料、结构的使用性能、使用环境要求越来越高, 亟需开展结构的设计、制造、功能、应用一体化研究, 为解决我国先进制造“卡脖子”技术难题提供理论依据和技术支持. 轻量化多功能点阵超结构具有轻质高强、抗冲击吸能、减振降噪等性能优势, 在航空航天、交通运输、国防、生物医疗、能源、机械等工业领域具有巨大的应用潜力. 有鉴于此, 受多晶体微结构的多尺度力学设计启发, 以“点阵超结构力学设计”为主题, 开展点阵超结构的节点、杆件组元, 胞元类型、双相结构、梯度结构、多层级结构等典型点阵超结构的几何构筑和力学设计, 并阐明多晶体多尺度微观结构启发的点阵超结构力学设计基本原理、多功能力学性能调控方法, 以及点阵超结构在不同类型载荷下的结构变形和失效物理机理.      

数值模拟油井射孔器作用过程方法研究及应用

提高射孔器性能是射孔弹厂家面临的和油田用户关心的主要问题。油井聚能射孔器的作用过程涉及爆轰波的形成、传播、爆轰波与其他介质的相互作用等爆轰问题,射流的形成、延展等界面碰撞问题,射流对靶的侵彻、靶的成坑和动态响应等侵彻问题,作用过程复杂。为了研究油井聚能射孔器的作用过程和机理,降低设计成本,缩短研制周期,本文介绍了模拟石油射孔器从炸药起爆,射流形成,射流侵彻钢靶、井液、混凝土靶的整个作用过程的欧拉数值方法,包括数学模型、离散方法、相应的本构模型,以及为节省计算机时采用的计算和理论分析耦合的模拟方法,并将数值模拟结果与实验进行了比较。研究结果表明,数值模拟结果与实验结果符合的较好,说明方法是有效的和可行的。     

关于极端力学

随着前沿科学和新技术不断发展,工程材料与结构的超常规尺度、密度、硬度、刚度等性能以及在超常规温度、速度、场强和恶劣天气等极端服役环境中的力学响应规律,需要力学提供更为有效的理论和方法. 本报告从极端力学的基本定义和科学内涵出发,结合重大工程问题和大科学问题,从极端性能、极端载荷、学科发展等三个方面系统介绍了极端力学的研究现状,并总结了极端力学的特点及其对力学理论、计算方法和实验技术的挑战,最后对极端力学未来的发展进行了展望.      

In Memory of Our Honorary Editor-in-Chief Editorial Board of Applied Mathematics and Mechanics

Chien Wei-zang,one of the founders of modern mechanics in China,a world renowned scientist,educator,outstanding social leader,prominent leader of the Chinese Democratic League and a close friend of the Communist Party of China,the Vice Chairman of the 6th,7th,8th,and 9th National Committee of Chinese People's Political Consultative Conference, the Vice Chairman of the 5th, 6th, and 7th Central Committee of Chinese Democratic League, the Honorary Chairman of the 7th, 8th, and 9th Central Committee of Chinese Democratic League, a senior member of Chinese Academy of Science, the President of Shanghai University, the Director of Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics, and the Honorary Editor-in Chief of Applied Mathematics and Mechanics, Passed away at the age of 98 in Shanghai at 6:20 AM on July 30,2010.     

颅脑爆炸伤致伤机制及防护研究进展

颅脑爆炸伤是现代战争中士兵面临的主要伤害之一,近年来受到广泛关注。冲击波经由颅脑传播带来的直接伤害被称为初级爆炸伤。目前,初级颅脑爆炸伤致伤机制尚不明确,可能是应力波传播、颅骨弯曲变形、颅脑空化及躯干压缩等多种因素共同作用的结果。该研究是涉及多学科交叉、多物理场耦合及短时和长时效应共存的复杂问题,需要通过建立描述冲击波和颅脑相互作用的高精度、多尺度和多物理场数值模型,发展测量颅骨应变、颅内压力、加速度等力学指标的物理测试系统,结合人体和动物病理、生理、行为学等综合因素分析,最终揭示颅脑爆炸伤致伤机制。本文中介绍了初级颅脑爆炸伤致伤机制,给出了颅脑爆炸伤的行为学、生理学相关的医学评价指标,以及颅骨应变、颅内压力等关键力学评估指标,提出了基于致伤机制和评价指标的防护结构设计方法,包括基于新型防冲击波材料的头盔系统改进、头盔缓冲系统设计、增加头部保护系统的封闭性等,最后展望了在精细化建模、原位实验及防护系统设计等诸多方面的发展趋势。     

岩溶隧道突水灾害形成机理及发展趋势1）

岩溶隧道突水灾害具有“强突发、高水压、大流量、多类型”等显著特点,其灾变演化过程复杂、动力失稳规律尚不清楚.本文系统提出了不同类型突水灾害的发生条件、判据及安全厚度分析方法,剖析了近期研究进展及发展趋势.首先,给出了隧道突水灾害的概念、类型及构成三要素,从系统论角度分析了隧道突水的灾变过程;其次,总结了隧道突水灾害致灾机理、力学模型、失稳判据和最小安全厚度等方面的近期研究成果;最后,从构成三要素角度分析了隧道突水致灾机理方面的现状与问题,并提出了今后的发展趋势与方向,主要有：（1）灾害源固液气三相置换机制与释能模式,（2）突水通道多相物质迁移与流态演化规律,（3）隔水阻泥结构动力灾变演化机理,（4）突水通道破裂形成过程的模拟分析方法等.     

非线性流体弹性力学研究进展

流体弹性力学理论是用来描述液体、气体的运动与弹性结构相互作用的学科.由于其交叉性质, 涉及到人类日常生活中的方方面面,致使在许多学科和工程领域中都成了主要的研究内容,并得到了广泛地应用.本文在阐述研究流体与弹性体相互作用的非线性问题的重要意义及分类方法的基础上,介绍了非线性流体弹性力学的特征、研究现状和非线性问题的研究方法,如理论分析法、实验分析法、数值分析法和半解析法等的进展;介绍了描述介质相互作用的任意拉格朗日-欧拉(ALE)法、相容拉格朗日-欧拉(ULE)法、单一拉格朗日(SL)法和单一欧拉(SE)法之间的关系,并且对这些研究方法的优缺点进行了比较;介绍了非线性流体弹性力学研究的内容和在气动弹性力学、水弹性力学、环境流体弹性力学、微尺度流体弹性力学和涡激振动等领域中的应用;阐述了非线性流体弹性力学的发展前景和所面临的任务.      

汤屯高速公路路堑边坡土质特征与生态防护植物配置 研究

汤屯高速公路边坡土壤具有偏酸性、有机质低、磷缺乏、铜过量等土质特征。边坡生态防护具有边坡高陡、原生植被彻底破坏、土质贫瘠、缺水、缺肥、生物气候干热胁迫、水土流失严重等难点,遵循交通安全性、景观协调性、生态适应性、生物多样性、经济实用性的原则,提出了以草本植物为主,草、灌、藤有机结合的边坡生态防护植物配置方案,针对全岩质边坡、碎裂结构边坡、土质边坡及边坡的顶部、下沿、平台等部位提出了不同的植物群落配置原则及物种配比方案,对类似工程具有借鉴意义。     

2012 William M. Murray Lecture: Some Curious Unresolved Problems, Speculations, and Advances in Mechanical Fastening

Mechanical joining is one of the oldest, most important, and most neglected aspects of engineering design of machines and structures of all types and sizes. Approximately 250 U.S. companies manufacture fasteners worth over $8 billion per year. There are 18,000 fasteners in a common fighter jet airframe, and fasteners account for roughly one-third the cost of a typical airplane. Yet, most failures of structures, including aircraft, originate at fasteners, suggesting that improved understanding of fastener mechanics, better design criteria, and informed applications of fundamental knowledge are required. This issue is exacerbated by increased demands on systems, particularly in the transportation and military sectors, and by the growing use of composites, for which current fastening practice seems to be underdeveloped owing to the complexities of material structure and response. This lecture first traces a brief history of mechanical joining, its importance, and the problems faced by engineers in designing for fastening. Research and development of fasteners through analysis and experiment are complicated by the large array of variables involved, and investigators must have at hand an extensive array of experimental and analytical techniques as well as an appreciation of the practicalities of fastening. Verification and validation of findings are crucial, and extrapolation is fraught with pitfalls. Described subsequently are some examples of experimental results that generate speculation and that might provide points of entry for investigators who are willing to take on difficult challenges where progress would be valuable but is not easily realized. These cases include, among others, odd and perhaps dangerous behaviors resulting from coldworking holes in engines and structures, impact stresses caused by joint slippage in composites, the use of inserts to control stress concentrations, difficulties in applying sufficient clamping force in composites, merits of hole shaping, and unusual configurations of conical washers. Finally, some ideas for hybrid joining and for systems that allow quick field assembly/disassembly are briefly described.     

中国21世纪若干重大工程地质与环境问题

21世纪中国的大规模的国家建设不可避免地导致大量的工程地质与环境问题。 2 1世纪中国西部高山峡谷地区主要工程地质问题有: 构造活动带岩土体动力稳定性, 高地应力下岩体应变储能与岩体性质, 高陡边坡的变形及尺寸效应和动力稳定性, 深埋长大隧洞的地温与地压, 深埋隧洞岩体结构探测与施工地质超前预报, 大跨度复杂洞群变形与稳定性的群洞效应, 冻土的冻融变形、稳定性及其处理技术, 可溶岩岩溶规律与岩体利用问题, 河床深厚覆盖层的处理与利用等问题; 中国东部及沿海地区工程地质问题包括: 高速交通网建设中软土地基变形与稳定性及处理技术, 深井采矿中软岩巷道大变形与处理技术, 深厚松散堆积层上大型桥梁桥基变形与稳定性, 海底隧道围岩工程地质与水文地质问题, 城市多层地下空间开发中的工程地质问题等; 此外, 水土流失与北方大规模荒漠化问题, 黄河下游地上悬河与长江下游塌岸和堤防稳定性问题, 黄河断流引起的下游地区环境问题, 我国北方干旱地区水资源长期匮乏问题, 城市化中的环境破坏与污染控制等问题, 将是中国 2 1世纪突出的环境问题。中国工程地质工作者应当在结构土力学与岩体结构力学、工程地质学的基本理论与工程地质动力学、人 地相互作用机制与环境工程地质学、地质工程理论与方法。     

中国高速列车研发与展望

十几年来, 以高速列车为代表的高速铁路装备在长期技术积累和自主研发的基础上,经过引进消化吸收再创新、自主提升创新、全面创新和持续创新,成功研制了多代先进的高速列车产品. 通过不断的技术创新,突破了高速列车系列关键技术, 形成了自主研发能力,不断提升高速列车的安全性、可靠性、经济性、环保性及智能化.我国高速列车的运行速度、综合舒适度、安全性、可靠性、节能环保等各项综合性能指标优良,部分指标达到国际领先水平.论文系统回顾了我国和谐号动车组、复兴号动车组、城际动车组、前沿动车组产品的发展成就及主要技术突破,分析了高速列车研发过程中面临的复杂环境适应性、大系统复杂耦合作用、安全可靠设计、智能化应用等关键技术挑战,系统概述了高速列车故障预测与健康管理技术、车体轻量化技术、被动安全防护技术、碳纤维复合材料应用、气动外形设计技术、高速转向架技术、噪声控制技术、牵引制动技术等关键技术的研究进展及主要技术突破, 并展望了高速列车动力学技术、结构安全技术、被动安全防护技术、流固耦合技术、牵引制动技术、智能控制安全技术、故障预测与健康管理技术、综合节能技术等关键技术的未来发展方向.      

Research progresses and prospects of unsteady hydrodynamics characteristics for cavitation

空化作为一种重要的复杂水动力学现象,具有明显的三维流动特征与剧烈的非定常特性,在水力机械、船舶推进器、水利工程中广泛存在,且通常会带来不利的影响,长期以来一直是水动力学领域研究的重点与难点课题之一.本文首先从实验测量和数值模拟两个角度,综述了空化水动力学非定常特性研究的发展概况, 分析了当前存在的问题.在空化实验研究中,主要介绍了空化水洞、空化流场测量以及多物理场同步测量等方面所取得的进展.在数值模拟方法中, 对目前的空化模型和湍流模型进行了分类介绍,并重点讨论了大涡模拟、验证和确认等在空化流模拟中的应用.之后以附着型空化为主, 同时兼顾云状空泡、空蚀、涡空化等,梳理了其研究中存在的几个关键科学问题,包括空化演变、空化流动的三维结构、失稳机制、空化不稳定性及其与低频压力脉动的联系、空化与旋涡的相互作用、空化与弹性水翼的流固耦合、空化对尾流场影响等.最后展望了空化水动力学的研究方向和未来发展趋势.     

天然纤维增强复合材料力学性能及其应用

本文介绍了天然纤维的化学成分、结构以及力学性能;综述了天然纤维的表面处理方式,分析了其作用机理,并讨论了表面处理对其复合材料力学性能的影响;从增强体形式出发,介绍了短纤维、纤维毡、纤维织物以及单向纤维增强复合材料,并研究了成型工艺、纤维含量和表面处理等对其拉伸、弯曲、界面性能和冲击强度以及断裂韧性的影响;最后总结了天然纤维增强复合材料在汽车、建筑土木等领域的应用现状,并展望了其发展和应用前景。     

ON TEACHING SYSTEM INVESTIGATION TO THE TEXTBOOKS OF ELEMENTARY MECHANICS(I)—A BRIEF INTRODUCTION ON THE ELEMENTARY MECHANICS TEXTBOOKS PUBILISHED WITHIN CHINA1)

对力学基础教材,着重在理论力学与材料力学教材与教学体系等进行了分析研究。对国内力学课程与教材建设历史概况、国内力学课程教材建设的成绩与问题、国内力学教材使用情况、引进的国外基础力学原版教材情况、国外理论力学教材体系、国外材料力学教材体系、国外力学相关课程网络资源及教学技术应用与质量评价等多方面进行了阐述。最后,通过对国外教材的研究,发现其所具有的诸多特点与特色,可为国内力学基础课程教材和课程改革提供思路和方向。本文为之一,主要阐述国内基础力学教材基本情况等内容。     

螺旋波动力学及其控制

螺旋波是时空斑图结构演化的一个典型研究对象,无论从理论研究意义还是从应用价 值来看都是非常重要的,它可涉及到的领域包括:数学、物理、力学、天文、化学、生物、 医学等学科. 本文较为详细地讨论了螺旋波的动力学行为, 主要包含以下几方面: 螺旋波的 形成、螺旋波的几种常见的形式、螺旋波波头的运动、螺旋波失稳方式等. 由于螺旋波及其 破碎后的行为在许多具体的系统中的有害作用, 本文也介绍了螺旋波的几种控制方案: 反馈 控制方案、外力控制方案、调整参数控制方案等.     

广东沿海陆地地质环境质量定量评价研究

广东沿海陆地不仅是我国经济较为发达的地区 ,而且也是地震、水土流失、崩塌、滑坡、地裂缝、地面沉降、岩溶塌陷、软土地基形变等地质灾害较为频发的地区。基于对广东沿海陆地主要物理地质灾害形成条件与影响因素调查、统计与分析 ,将广东沿海陆地地质环境质量划分 :构造稳定性、斜坡稳定性和地基稳定性三个质量层面 ,进而构造了隶属三个层面的指标体系 ,该指标体系包括活动断裂、地震活动、地形起伏度、斜坡坡地、冲沟切割密度、水土流失程度、崩滑面密度、土体承载力和地裂缝面密度 9个指标。基于地质环境质量五值逻辑等级取值 :优等、良好、中等、较差和差等 ,对评价指标进行了相应地量化分级取值和标准化处理 ,在建立指标专家权重体系和线性隶属函数的基础上 ,构造了模糊数学综合评价模型。基于 Fortran程序对 190个剖分单元指标数据进行了模型运算 ,将广东沿海陆地地质环境划分为五个质量级共 17个地质环境质量单元。     

A CONSTITUTIVE MODEL FOR TRANSFORMATION, REORIENTATION AND PLASTIC DEFORMATION OF SHAPE MEMORY ALLOYS

A constitutive model is developed for the transformation, reorientation and plastic deformation of shape memory alloys (SMAs). It is based on the concept that an SMA is a mixture composed of austenite and martensite, the volume fraction of each phase is transformable with the change of applied thermal-mechanical loading, and the constitutive behavior of the SMA is the combination of the individual behavior of its two phases. The deformation of the martensite is separated into elastic, thermal, reorientation and plastic parts, and that of the austenite is separated into elastic, thermal and plastic parts. Making use of the Tanaka’s transformation rule modified by taking into account the effect of plastic deformation, the constitutive model of the SMA is obtained. The ferroelasticity, pseudoelasticity and shape memory effect of SMA Au-47.5 at.%Cd, and the pseudoelasticity and shape memory effect as well as plastic deformation and its effect of an NiTi SMA, are analyzed and compared with experimental results.     

硬质陶瓷薄膜涂层力学特性研究进展

制造和加工业的迅猛发展对刀具和模具材料提出了超硬、耐磨、耐热、强韧、寿命等要求。硬质陶瓷涂层以满足上述要求的优良力学性能和可设计性使其作为最富前景的刀具涂层材料受到广泛关注。实验、数值模拟和理论模型是研究硬质陶瓷涂层力学特性的主要方法,它们的结合可更好地揭示硬质陶瓷的力学特性、致硬机理及主要影响因素。本文从实验、数值模拟和理论模型三个方面综述了硬质陶瓷涂层及其力学特性的国内外研究进展,包括不同硬质陶瓷涂层的制备、力学特性测试与分析、硬质陶瓷涂层生长与界面研究、硬质陶瓷涂层的变形机制、分析模型与方法等。     

自然冷却和遇水冷却后高温花岗岩力-声特性试验研究

以松辽盆地露天花岗岩为研究对象，对自然冷却和遇水冷却后高温花岗岩进行单轴压、拉和声波测定试验。研究不同方式冷却后花岗岩温度（100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃，以下简称100℃-800℃）与表观形态、纵、横波波速、弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度间关系，并将纵、横波波速与抗压强度、弹性模量建立联系。同时考虑遇水冷却后静置过程对花岗岩力-声性质影响。研究表明：（1）静置0h-2h是质量损失、纵波波速下降主要时段，静置6h后变化率可以忽略；自由水损失量与力-声特性损失量存在一定线性关系；（2）温度升高，自然冷却后花岗岩纵、横波波速、弹性模量、抗压强度、抗拉强度呈线型下降，遇水冷却后呈凹线型下降；高于300℃，自然冷却后花岗岩力-声参数均大于遇水冷却，泊松比变化率与其相反，600℃时冷却方式不同对花岗岩纵、横波波速、弹性模量、抗压强度影响达到最大，遇水冷却比自然冷却分别低33.33%、31.88%、53.33%、31.74%，700℃-800℃时冷却方式对花岗岩力声特性影响减小；（3）温度变化，花岗岩纵、横波波速与抗压强度、弹性模量呈良好相关性。所得结论可以提高花岗岩力-声特性测量准确性，为力学特性预测提供一个可行方法，并为岩体工程安全稳定性评估提供依据。     

基于非结构/混合网格的高阶精度格式研究进展

尽管以二阶精度格式为基础的计算流体力学(CFD) 方法和软件已经在航空航天飞行器设计中发挥了重要的作用, 但是由于二阶精度格式的耗散和色散较大, 对于湍流、分离等多尺度流动现象的模拟, 现有成熟的CFD 软件仍难以给出满意的结果, 为此CFD 工作者发展了众多的高阶精度计算格式. 如果以适应的计算网格来分类, 一般可以分为基于结构网格的有限差分格式、基于非结构/混合网格的有限体积法和有限元方法,以及各种类型的混合方法. 由于非结构/混合网格具有良好的几何适应性, 基于非结构/混合网格的高阶精度格式近年来备受关注. 本文综述了近年来基于非结构/混合网格的高阶精度格式研究进展, 重点介绍了空间离散方法, 主要包括k-Exact 和ENO/WENO 等有限体积方法, 间断伽辽金(DG) 有限元方法, 有限谱体积(SV) 和有限谱差分(SD) 方法, 以及近来发展的各种DG/FV 混合算法和将各种方法统一在一个框架内的CPR (correctionprocedure via reconstruction) 方法等. 随后简要介绍了高阶精度格式应用于复杂外形流动数值模拟的一些需要关注的问题, 包括曲边界的处理方法、间断侦测和限制器、各种加速收敛技术等. 在综述过程中, 介绍了各种方法的优势与不足, 其间介绍了作者发展的基于"静动态混合重构" 的DG/FV 混合算法. 最后展望了基于非结构/混合网格的高阶精度格式的未来发展趋势及应用前景.