智能软材料热-电-化-力学耦合问题的研究进展

本文重点评述了自然界中的典型智能软材料:聚合物胶体和水凝胶以及关节软骨的多场耦合力学问题的国内外研究现状。基于唯象热力学理论和哈密顿原理,建立了一般性的热-电-化-力学多场耦合理论。重点针对等温过程的化学-力学耦合本构关系和控制方程,通过哈密顿原理,建立了化力耦合系统的有限元列式。证明了化学-力学耦合理论架构的封闭性。通过数值算例分析了水凝胶和关节软骨的多场耦合作用。最后展望了智能软材料多场耦合研究的未来发展趋势。      

低维碳和氮化硼材料的物理力学研究进展

碳纳米管、石墨烯和六方氮化硼等低维材料具有优异的力学和电学性质,已经引起广泛的科学兴趣。然而由电荷、分子轨道、电子结构和自旋态构成的低维材料的局域场与力学变形、机械运动和物理化学环境等外场间往往存在强烈耦合,这导致低维材料会呈现出新颖独特的物理力学性能。论文对近年来碳纳米管、石墨烯和六方氮化硼等低维材料的力学性能、力电耦合与器件原理、表面和界面结构性能调控、层间相互作用、能量耗散和摩擦等物理力学方面的研究进展进行了简要综述,并讨论了利用低维材料多场耦合特性和结构性能关联发展新型功能器件的方法和途径,以及纳米力学和纳尺度物理力学的前沿和发展趋势。     

智能软材料热""电-化-力学耦合问题的研究进展

正智能软材料是指具有较低模量,在外场(如热、电、磁、化、光等)作用下能够产生较大力学响应的材料。本文评述了聚合物胶体、水凝胶以及关节软骨等典型智能软材料的多场耦合力学问题的国内外研究现状,重点讨论了这类智能软材料以化学扩散为特征的热-电-化-力学耦合的基本理论和研宄方法。详细介绍了具有代表性的国内外主要研究团体的研究进展。阐述了基于热力学理论和哈密顿原理所建立的一般性热-电-化-力学多场耦合理论框架。针对等温过程的化学-力学耦合的本构关系和控制方程,证明了化学-力学耦合     

磁电复合材料的力学实验与理论研究进展

磁电复合材料同时具备铁磁、铁电性,并且具有磁电耦合效应,在新型磁电器件、自旋电子器件、高性能信息存储等领域有着广泛的应用前景,已成为目前功能材料领域新的研究热点。本文对磁电复合材料在力电磁多场耦合下的力学行为研究的最新进展进行总结和回顾。着重介绍磁电复合材料的磁电耦合效应实验以及多场耦合微纳米力学实验仪器的研制和表征方法。同时,也阐述了磁电复合材料在多场耦合本构理论、失效断裂理论以及多尺度计算方面的研究进展。最后,总结已有研究存在的不足,就目前有待解决科学问题的进一步研究提出建议。     

智柔超材料及其力学性能的研究进展

力学超材料(或超结构)因其独特的微观结构设计而展现超常的物理和力学特性.将力学超材料设计思想与智能柔性(简称智柔)材料相结合,可以制备出具有自感知和自驱动功能的智柔力学超材料(简称智柔超材料).本文对近年来智柔超材料的研究现状和进展进行了评述,分析了此类材料的基本设计思想、变形机理及力学特性,重点关注了基于形状记忆聚合物和水凝胶智柔超材料的设计原理和性能分析方法;阐释了先进制造技术为智柔超材料发展带来的机遇,并讨论了此类材料在设计和开发方面面临的关键问题以及未来发展趋势.     

数值模拟离子强度敏感水凝胶的多场特性

发展了多物理模型来研究溶液中离子强度敏感水凝胶电-力-化学多场耦合的特性. 模 型的主要控制方程包括：计算水凝胶内外离子浓度分布的Nernst-Planck化学场方程；描述 膨胀变形的力学场方程和描述电场的泊松方程. 无网格有限云团法和牛顿迭代法用来数值离 散和求解控制方程. 通过对比多场耦合的响应, 包括胶的膨胀率和胶内外离子浓度和电势的分布，探讨了影响胶体变形的主要因素. 对数值模拟结果和实验结果进行了对照.     

首届全国爆炸与冲击动力学青年学者学术研讨会

<正>爆炸与冲击动力学是一个交叉性的力学分支学科,主要研究爆炸、冲击和能量突然沉积等强动载荷下介质、材料与结构的力学响应、效应及工程技术应用。当前,爆炸与冲击动力学的发展重点和学科前沿主要有非平衡爆轰与爆轰波结构,复杂介质状态方程的本构理论与材料动态力学,复杂结构高速撞击与侵彻动力学,超高速碰撞新原理和新方法,多场耦合模型建立与多尺度高精度计算方法以及在武器装备、航空航天和民用安全等领域的应用研究等。爆炸与冲击动力     

恒磁场作用下压磁/压电半导体复合圆柱壳的耦合响应分析

本文针对由压磁材料和压电半导体材料组成的无限长复合圆柱壳结构,理论研究了其在径向恒磁场作用下结构内的多场耦合力学响应问题。为解析求解方便,文中分别采用单向耦合法和线性全耦合法,导出复合圆柱壳内位移场、电场、载流子等物理量的解析表达式。利用导出的解析表达式,数值分析了磁场大小和半导体层厚度比对结构内电势、电场和载流子的影响。计算结果表明：磁场和厚度比均可用来有效调控半导体层内的电学量,复合圆柱壳结构的厚度比有一个最优区间。     

混凝土材料损伤-自愈行为的湿化力多场耦合分析

荷载与环境共同工作下的混凝土损伤-愈合力学行为具有典型的内在湿化力多场耦合特征．本文以混凝土中CaCO3 沉淀自愈机制为例,建立了一种湿-化-力多场耦合分析模型．通过引入一组扩散和化学反应方程,对材料微观结构层次的物理化学过程进行数学建模．随后,基于连续损伤愈合力学理论,将自愈效应引入混凝土损伤本构关系,发展出混凝土湿化力耦合分析模型并进行模型验证．针对单轴拉伸混凝土试样进行多场耦合数值分析,考察了关键参数对愈合过程的作用规律以及自愈进程对混凝土材料力学行为的影响．本文的研究为混凝土在运行环境下的损伤-愈合行为以及性能演变提供了定量分析方法．     

恒磁场作用下压磁/压电半导体复合圆柱壳的耦合响应分析

本文针对由压磁材料和压电半导体材料组成的无限长复合圆柱壳结构，理论研究了其在径向恒磁场作用下结构内的多场耦合力学响应问题。为解析求解方便，文中分别采用单向耦合法和线性全耦合法，导出复合圆柱壳内位移场、电场、载流子等物理量的解析表达式。利用导出的解析表达式，数值分析了磁场大小和半导体层厚度比对结构内电势、电场和载流子的影响。计算结果表明：磁场和厚度比均可用来有效调控半导体层内的电学量，复合圆柱壳结构的厚度比有一个最优区间。     

A constitutive model of nanocomposite hydrogels with nanoparticle crosslinkers

Nanocomposite hydrogels with only nanoparticle crosslinkers exhibit extraordinarily higher stretchability and toughness than the conventional organically crosslinked hydrogels, thus showing great potential in the applications of artificial muscles and cartilages. Despite their potential, the microscopic mechanics details underlying their mechanical performance have remained largely elusive. Here, we develop a constitutive model of the nanoparticle hydrogels to elucidate the microscopic mechanics behaviors, including the microarchitecture and evolution of the nanoparticle crosslinked polymer chains during the mechanical deformation. The constitutive model enables us to understand the Mullins effect of the nanocomposite hydrogels, and the effects of nanoparticle concentrations and sizes on their cyclic stress–strain behaviors. The theory is quantitatively validated by the tensile tests on a nanocomposite hydrogel with nanosilica crosslinkers. The theory can also be extended to explain the mechanical behaviors of existing hydrogels with nanoclay crosslinkers, and the necking instability of the composite hydrogels with both nanoparticle crosslinkers and organic crosslinkers. We expect that this constitutive model can be further exploited to reveal mechanics behaviors of novel particle-polymer chain interactions, and to design unprecedented hydrogels with both high stretchability and toughness.     

高强度钢板热成形数值模拟-静力显式

在已建立的高强度钢热成形热、力、相变耦合本构方程的基础上,基于虚功率方程及持续平衡方程建立了热成形静力显式多场耦合有限元列武。将热成形过程中的相变潜热引入温度场,并进行了有限元分析;在自主开发的商业化金属成形CAE软件KMAS(King-Mesh Analysis System)基础上,开发了考虑多场耦合的非线性、大变...     

风与柔性结构流固耦合作用的预处理方法研究

针对强耦合方法求解风与柔性结构流固耦合作用时,大量计算资源都耗费在对强耦合方程求解中这一弊端,本文研究了强耦合方程的预处理求解方法。在风与柔性结构流固耦合作用的强耦合整体方程的基础上,将时空离散和线性化后的类似结构方程看成是鞍点问题,首先推导得到了类似结构方程的预处理矩阵;再基于此推导出了强耦合整体方程的预处理矩阵。首先采用预处理方法对经典二维流固耦合问题进行了计算,验证了提出的预处理矩阵的正确性;然后对风与三维膜结构的流固耦合作用进行了分析,评估了所提出预处理方法的相关计算参数。计算结果表明,所提出的预处理方法可使强耦合整体方程的求解在计算精度和计算效率上都得到较大提升,证明本文提出的预处理方法适用于风与柔性结构的流固耦合分析。     

数智流体力学的发展及油气渗流领域应用

大数据及人工智能技术的崛起推动了数智流体力学的快速发展.数智流体力学是将流体力学、大数据和人工智能相结合,以流体力学场景需求为导向,形成以“数”为基础,以“智”为核心,以算力为支撑的新研究范式.核心内涵是要以数据驱动为主,融合物理信息、专家经验等先验知识,利用智能化手段构建“数据+物理”双驱动的数智模型,解决场景需求问题.数智流体力学在建模灵活性、运算效率、计算精度方面具有十分明显的优势,其应用潜力已经在多尺度流动、多场耦合以及流场建模等方面得到验证.数智流体力学研究范式包括数据治理和智能算法构建,其中数据治理工作尤为重要,治理后的数据质量是智能算法能否发挥其价值的关键.智能算法中“数据+物理”协同驱动主要存在四种引入机制,分别是基于输入数据的嵌入机制、基于模型架构的嵌入机制、基于损失函数的嵌入机制和基于模型优化的嵌入机制.以油气领域应用为例,介绍了数智流体力学在储层物性参数预测、压裂效果评价以及注采参数优化等方面的一系列研究进展.数智流体力学是流体力学未来的重要发展方向之一,以场景需求为导向、深度融合物理信息等先验知识的新一代智能理论与方法是数智流体力学发展的必然趋势,能够从崭新的角...     

压电智能桁架的灵敏度分析与优化设计

在压电桁架结构的有限元分析方法基础上，考虑电荷载和机械荷载联合作用的机电耦合效应，给出了压电智能桁架的位移和自振频率对常规尺寸设计变量和形状设计变量的灵敏度计算公式，增加了电压这一类新的设计变量，给出了位移对电压的灵敏度计算方法。在此基础上实现了通过优化压电主动桁架的电压进行变形控制的方法，并在JIFEX软件中实现了压电桁架的灵敏度分析与优化设计。文中给出的数值算例验证了算法和程序的有效性。     

土建结构中的计算力学

简要地回顾了计算力学在土建结构工程领域中取得的主要进展,并结合土建结构的特殊性,对计算力学在未来的十年中可能取得的发展作一展望。     

固体力学边界元分析程序包BESMAP——基本结构功能

要使边界元法象有限元法那样得到广泛应用，必须开发与有限元法相媲美的大型边界元法程序包。国外虽出现少数几个边界元法程序包，但由于结构、功能等方面的原因，还不能成为边界元法广泛应用的工具。针对这种情况，本文借鉴现有的先进的有限元法程序包，研制了大型固体力学边界元法程序包ＢＥＳＭＡＰ，ＢＥＳＭＡＰ在总体设计、计算能力、使用方便和功能齐全等方面作了研究和改进。     

两性pH敏感凝胶瞬态溶胀问题的基本方程和数值解

聚电解质两性凝胶的侧链有可电离的酸性和碱性基团,因其能对所处溶液环境的pH值产生响应,又可称作两性pH敏感凝胶．两性pH敏感凝胶属于超弹性材料,其变形问题涉及力学-化学耦合．同时,由于凝胶的变形伴随着溶剂分子的迁移,导致变形不能瞬间完成,故应研究两性pH敏感凝胶变形发展的全过程．由于其实用价值高,研究难度大,两性pH敏感凝胶的瞬态溶胀问题近年来引起了国内外众多研究人员的关注．本文以非线性连续介质力学理论和孔隙弹性理论为基础,结合电离平衡、唐南平衡等条件,获得了能描述两性pH敏感凝胶材料在外界激励下形变发展全过程的基本方程,探究了外加载荷、溶液pH值、盐溶液浓度等因素对两性pH敏感凝胶瞬态溶胀的影响,所得结果对该材料的应用有一定参考价值．