基于仿真和数据驱动的先进结构材料设计

先进结构材料近年来受到材料和结构设计领域的广泛关注, 这些材料一般通过多个尺度的结构设计实现各种卓越的性能. 在早期的材料设计中, 有的基于设计者的丰富经验, 从天然拓扑结构中抽象出合理的数学力学模型; 有的基于生物系统的结构和功能特点提取出仿生力学模型. 然而, 仅依靠经验性的巧妙设计很难得到最优的设计方案, 通过反复迭代设计和试验来遍历设计空间也不切实际. 为此, 拓扑优化方法被成功应用于声子晶体、元胞材料等先进结构材料的优化设计中, 但现有的拓扑优化方法在实现精准的反向设计方面尚存挑战. 基于数据驱动的机器学习方法擅长建立数据空间多维变量复杂关系, 能够揭示传统力学研究方法难以发现的更深层次的力学机理和规律, 成为力学领域崭新的研究热点. 本文系统地回顾先进结构材料设计方法的发展历程, 对比阐述各种主流设计方法, 结合本课题组的相关工作介绍数值仿真和数据驱动在先进结构材料的智能化设计方面的应用现状, 并对该领域的未来研究趋势进行探讨和展望.      

能量吸收研究60年——来自何处？走向何方？

本文论述能量吸收这个研究领域的诞生背景、简要历史和发展方向。第二次世界大战之后,以防护结构和运载工具的耐撞性为工程背景,加上塑性力学和结构冲击动力学学科发展的内生动力,结构和材料的能量吸收作为一个新兴研究领域在1960年代初萌生,到1970年代已经基本成形。在期刊和会议平台的支持下,这个新领域的研究在1980年代迎来了第一波热潮,聚焦于薄壁管件塑性大变形时的能量吸收机理。随着蜂窝、泡沫、格栅等多胞材料的兴起,研究和开发它们在能量吸收领域的应用,激发起2000年后的第二波热潮。其间不但揭示出了各种多胞材料的能量吸收机理,而且迅速地同电动车的电池组和新型防护结构等场景的应用结合起来。受生物启发的概念成为设计和开发新型超材料的灵感的源泉。增材制造、结构智能化,以及环保节能的概念,正在深度融入能量吸收系统的原理、设计和优化之中。     

第21届材料磨损国际会议的总结评述

本文作者总结了第21届材料磨损国际会议概况,对研究最为活跃的滑动磨损、磨粒磨损、腐蚀、润滑、磨损建模与模拟、生物摩擦学以及高分子及高分子基复合材料磨损等研究领域的最新进展进行了评述.基于对本次会议报告的总结和概括,本文作者提出未来可能的研究重点:在生物摩擦学方面与人体疾病相关的组织、器官摩擦学性能值得重点关注;传统摩擦学研究在重现试验现象与总结试验规律的同时,更应深入地分析、归纳和总结其中包含的摩擦学机理;鉴于摩擦学模型对摩擦机理的深入揭示以及对摩擦学实际工程应用的指导,摩擦学建模值得大力发展.     

轻质多孔夹芯结构的弹道侵彻行为研究进展

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.     

颗粒材料计算力学专题序

颗粒材料广泛地存在于自然环境、工业生产和日常生活等诸多领域, 其受加载速率、约束条件等因素的影响具有复杂的力学行为. 颗粒材料常与流体介质、工程结构物耦合作用并共同组成复杂的颗粒系统, 并呈现出非连续性、非均质性的复杂力学特性. 目前, 离散元方法已成为解决不同工程领域颗粒材料问题的有力工具, 然而其在真实颗粒形态的构造、接触算法、颗粒与流体及工程结构的耦合模型、多介质和多尺度问题, 以及高性能大规模计算等方面仍面临着诸多亟待解决的问题.《力学学报》组织了“颗粒材料计算力学”专题的7篇综述或研究论文, 分别从研究进展、理论模型及工程应用方面反映了颗粒材料计算力学研究领域上的最新研究进展, 为颗粒材料计算力学交叉领域的研究提供参考.      

基于等几何分析的结构优化设计研究进展

结构等几何分析是计算固体力学领域一种新兴的数值方法,致力于将CAD（计算机辅助设计）和CAE（计算机辅助工程）纳入到统一的数学表达框架。等几何分析紧密联系几何信息,采用相同的数学表达将几何精确建模、结构分析和设计过程结合,为结构优化设计提供了新的选择和机会。相比基于有限元的结构优化方法,等几何优化设计方法可在一定程度上提高结构优化的精度、效率和便利性。本文针对具有代表性的结构等几何优化设计,包括形状优化、尺寸优化和拓扑优化等问题,系统梳理和综述了主要的等几何优化方法及其在结构优化设计中的应用。比较分析和评述了结构等几何优化设计方法的算法特点及计算优势与劣势,探讨了基于等几何分析的结构优化研究的前沿问题,并展望了未来的发展方向,包括：基于复杂剪裁CAD几何的高效等几何分析与优化设计、基于实体几何构造的结构等几何分析和优化设计、等几何分析与其他力学分析方法结合的结构优化、基于等几何分析的壳体优化设计、基于等几何分析的材料和结构一体化优化设计以及考虑不确定性的结构等几何优化设计等。     

基于NPLS技术的可压缩湍流机理实验研究新进展

可压缩湍流机理的实验研究是一件难度很大的工作, 其主要的难度在于高时空分辨率的可压缩湍流结构非接触精细测试技术和低噪声的高速风洞设备技术. 近几年来, 由于在低噪声的超声速、高超声速风洞研究和可压缩流动精细结构测量技术研究方面取得的重要进展及其在可压缩湍流机理研究方面的应用, 超声速流动转捩与湍流的机理研究取得了较大的进展. 本文介绍了最近几年高速流动非接触精细测试技术, 尤其是基于纳米粒子的平面激光散射技术(nano-tracer planar laser scattering, NPLS)、背景导向纹影技术(background oriented schlieren, BOS) 和超声速流场的粒子图像测速技术(particle image velocimetry, PIV)的研究进展和发展前景, 以及基于这些技术, 在可压缩湍流机理实验研究方面的进展和发展前景, 其中包括在超声速混合层转捩、超声速绕流与尾流结构、超声速边界层转捩、激波边界层干扰等典型流场的机理研究方面, 以及气动光学机理研究方面的研究进展. 最后, 展望了目前湍流机理实验研究对湍流工程模型研究的可能贡献.      

基于应力波传播机理的混凝土无损检测研究综述

混凝土结构在基础设施中应用广泛,但环境与荷载导致材料和结构的老化损伤问题,势必影响材料性能及耐久性和结构完整性及安全性．构建有效的混凝土材料性能评估和结构损伤识别体系是当前研究热点．现有研究因对应力波传播机理不深入理解、损伤定位定量模型理想化、损伤形式简化等问题仍存在局限性．因此,开发普适全面、稳定可靠的无损检测系统,对在建或既有混凝土结构服役状况进行长期、实时跟踪,具有重要学术意义和工程应用价值．本文结合混凝土无损检测领域的国内外研究现状及进展,从智能压电材料振动机理研究、混凝土无损检测方法发展、基于应力波的无损检测研究进展这三个逻辑层面,即按照研究手段到研究方法再到具体研究方案的顺序,循序渐进地对混凝土材料性能评估和结构损伤识别的研究进行了成果总结和方法提炼;基于此进一步概述了该领域所存在的瓶颈问题、研究重难点,最后提出了针对这些局限性的混凝土无损检测研究展望．     

连接组合结构协同动力学拓扑优化设计

工程实际结构通常是由多个部件组合而成, 且各部件通过连接构件传递彼此间的载荷和振动能量. 连接构件的布局设计与约束状况对整个结构的拓扑构型、动态性能以及承载能力等均有较大的影响. 本文研究连接组合结构构型与部件间连接构件布局的协同动力学优化问题, 使整体结构在简谐激励作用下动柔顺度达到最小. 以弹簧连接单元模拟连接构件的约束及承载状况, 将承力构件材料的相对密度与弹簧连接单元的相对刚度同时作为设计变量. 在材料体积约束以及连接构件数量约束的条件下, 采用基于梯度的优化算法开展组合结构的拓扑构型与连接构件的布局协同优化设计. 通过与无连接约束构件的单体式结构拓扑优化结果进行对比, 展示了组合结构拓扑构型的变化, 以及连接约束的布局设计对整体材料分布和结构动力性能的影响. 数值结果表明, 虽然组合结构协同优化设计的动柔顺度总是大于单体式结构的结果, 但结构固有频率的变化却具有一定的偶然性, 即可提供更加优越的结构构型与连接布局设计.      

脱细胞真皮基质在角膜中植入性的生物力学研究

对脱细胞真皮基质（acellular dermal matrix, ADM）囊袋植入兔角膜后的生物相容性、生物学转归及组织结构改变进行生物力学研究,以探讨其作为组织工程角膜支架材料的可行性. 对ADM 进行了系统的组织微观结构观察和植入性实验研究,组织结构观察包括HE 染色、胶原染色、免疫荧光染色和透射电镜观察. 在植入实验中,将ADM 按不同预处理方法分为无干预组、脱水组和复水组,将3 组ADM 囊袋植入兔角膜,观察其术后不同时期在体和离体的生物相容性和组织学特性. 结果发现:ADM 由横纵交替、排列疏松的Ⅰ和Ⅲ型胶原纤维束构成,未见细胞结构;囊袋植入角膜后有不同程度的炎症反应,部分植片透明;组织学观察显示3 组ADM植入角膜后均有细胞长入,并进行了胶原纤维重塑. 研究工作表明,经适当预处理且结构致密的脱细胞真皮基质植入后可以长期稳定存留于角膜内,是一种比较理想的组织工程角膜支架.      

用于振动、冲击和噪声控制的SMA智能复合材料结构

本文简要叙述SMA智能复合材料结构的基本概念,介绍其分析和求解的基本力学原理和方法,重点展示其在三个主要应用研究领域,包括振动控制、噪声控制及抗低速冲击的最新进展,并对存在问题和未来的发展给予评述．     

轻质夹层材料的制备和振动声学性能

轻质夹层材料被广泛地用来制备动车组车体和飞机的机身,其结构设计面临着一系列挑战:即同时要求质量轻、力学强度高、散热性能好、动力学性能和隔声性能可调等多功能特性.针对动车组高速运行和飞机飞行过程中经常面临的振动及噪声问题,以及如何在现有的材料和结构基础上进一步减轻重量并获得更优良的综合性能是材料制备、固体力学、流体力学、声学、智能材料和结构、优化设计等诸多领域工作者面临的共同挑战.结合近年来围绕"超轻多孔结构创新构型的多功能化基础研究"国家基础研究计划项目所开展的一系列工作,综述了有关轻质三明治材料及结构振动和声学特性的国内外研究进展及现状,以及相应的主被动控制技术;针对目前存在的问题,讨论并展望了有关轻质材料和结构动力学性能及隔声性能的研究发展趋势.     

MULTISCALE MECHANICS OF BIOLOGICAL AND BIOLOGICALLY INSPIRED MATERIALS AND STRUCTURES

The world of natural materials and structures provides an abundance of applications in which mechanics is a critical issue for our understanding of functional material properties. In particular, the mechanical properties of biological materials and structures play an important role in virtually all physiological processes and at all scales, from the molecular and nanoscale to the macroscale, linking research fields as diverse as genetics to structural mechanics in an approach referred to as materiomics. Example cases that illustrate the importance of mechanics in biology include mechanical support provided by materials like bone, the facilitation of locomotion capabilities by muscle and tendon, or the protection against environmental impact by materials as the skin or armors. In this article we review recent progress and case studies, relevant for a variety of applications that range from medicine to civil engineering. We demonstrate the importance of fundamental mechanistic insight at multiple time- and length-scales to arrive at a systematic understanding of materials and structures in biology, in the context of both physiological and disease states and for the development of de novo biomaterials. Three particularly intriguing issues that will be discussed here include： First, the capacity of biological systems to turn weakness to strength through the utilization of multiple structural levels within the universality-diversity paradigm. Second, material breakdown in extreme and disease conditions. And third, we review an example where the hierarchical design paradigm found in natural protein materials has been applied in the development of a novel hiomaterial based on amyloid protein.     

多胞材料的力学行为

多胞材料具有独特的力学性质,其工程应用日益增加.人造多胞材料可以分为蜂窝材料和泡沫材料两类.本文介绍了这两类材料在不同载荷条件下力学行为的研究概况.对于某些天然材料(木材和松质骨)的多胞结构及其模型也作了简要介绍.      

多胞材料的力学行为

多胞材料具有独特的力学性质,其工程应用日益增加.人造多胞材料可以分为蜂窝材料和泡沫材料两类.本文介绍了这两类材料在不同载荷条件下力学行为的研究概况.对于某些天然材料(木材和松质骨)的多胞结构及其模型也作了简要介绍.     

Mechanics of bioinspired imaging systems

Imaging systems in nature have attracted a lot of research interest due to their superior optical and imaging characteristics. Recent advancements in materials science, mechanics, and stretchable electronics have led to successful development of bioinspired cameras that resemble the structures and functions of biological light-sensing organs. In this review, we discuss some recent progresses in mechanics of bioinspired imaging systems, including tunable hemispherical eyeball camera and artificial compound eye camera. The mechanics models and results reviewed in this article can provide efficient tools for design and optimization of such systems, as well as other related optoelectronic systems that combine rigid elements with soft substrates.     

NANOSCALE PROCESS ENGINEERING

The research of nanoscale process engineering (NPE) is based on the interdisciplinary nature of nanoscale science and technology. It mainly deals with transformation of materials and energy into nanostructured materials and nanodevices, and synergizes the multidisciplinary convergence between materials science and technology, biotechnology, and information technology. The core technologies of NPE concern all aspects of nanodevice construction and operation, such as manufacture of nanomaterials “by design“, concepts and design of nanoarchitectures, and manufacture and control of customizable nanodevices. Two main targets of NPE at present are focused on nanoscale manufacture and concept design of nanodevices. The research progress of nanoscale manufacturing processes focused on creating nanostructures and assembling them into nanosystems and larger scale architectures has built the interdiscipline of NPE. The concepts and design of smart, multi-functional, environmentally compatible and customizable nanodevice prototypes built from the nanostructured systems of nanocrystalline, nanoporous and microemulsion systems are most challenging tasks of NPE. The development of NPE may also impel us to consider the curriculum and educational reform of chemical engineering in universities.     

天然生物材料及其摩擦学

评述了几种天然生物材料的特性及其摩擦学研究现状,分析了天然生物复合材料、角蛋白材料、土壤动物体表、植物叶的结构和表面形态及性能,介绍了天然生物材料的摩擦与磨损性能及生物防粘减阻和生物润滑技术,并探索性地提出了摩擦学仿生概念。     

固体结构损伤破坏统一相场理论、算法和应用

固体开裂引起的损伤和断裂是工程材料和结构最为普遍的破坏形式. 为了防止这种破坏, 结构设计首先必须了解裂缝在固体内如何萌生、扩展、分叉、汇聚甚至破碎; 更重要的是, 还需要准确量化这些裂缝演化过程对于结构完整性和安全性降低的不利影响. 针对上述固体结构损伤破坏问题, 本工作系统地介绍了笔者提出的统一相场理论、算法及其应用. 作为一种裂缝正则化变分方法, 统一相场理论将基于强度的裂缝起裂准则、基于能量的裂缝扩展准则以及满足变分原理的裂缝路径判据纳入同一框架内. 不仅常用的脆性断裂相场模型是该理论的特例, 还自然地给出了一类同时适用于脆性断裂和准脆性破坏的相场正则化内聚裂缝模型即 PF-CZM. 该模型非常便于通过有限元等方法加以数值实现; 为了求解有限元空间离散后得到的非线性方程组, 还介绍了几种常用的数值算法, 其中整体BFGS拟牛顿迭代算法的计算效率最高. 静力、动力和多场耦合条件下若干二维和三维代表性算例表明: 相场正则化内聚裂缝模型 PF-CZM能够高精度地再现复杂裂缝演化导致的脆性和准脆性固体损伤破坏; 特别是, 所有情况下, 模型的数值结果不依赖于裂缝尺度参数和有限元网格. 因此, 该模型具有相当好的预测能力, 有望在工程结构的损伤破坏分析方面发挥重要作用. 最后建议了若干值得进一步开展的研究课题.      

Frontiers in growth and remodeling

Unlike common engineering materials, living matter can autonomously respond to environmental changes. Living structures can grow stronger, weaker, larger, or smaller within months, weeks, or days as a result of a continuous microstructural turnover and renewal. Hard tissues can adapt by increasing their density and grow strong. Soft tissues can adapt by increasing their volume and grow large. For more than three decades, the mechanics community has actively contributed to understand the phenomena of growth and remodeling from a mechanistic point of view. However, to date, there is no single, unified characterization of growth, which is equally accepted by all scientists in the field. Here we shed light on the continuum modeling of growth and remodeling of living matter, and give a comprehensive overview of historical developments and trends. We provide a state-of-the-art review of current research highlights, and discuss challenges and potential future directions. Using the example of volumetric growth, we illustrate how we can establish and utilize growth theories to characterize the functional adaptation of soft living matter. We anticipate this review to be the starting point for critical discussions and future research in growth and remodeling, with a potential impact on life science and medicine.