人工智能在复合材料研究中的应用

复合材料以其轻质高强高模、可设计性强等优点成为结构轻量化的重要用材. 然而, 随着复合材料组分、结构以及性能需求的日益复杂化, 以实验观测、理论建模和数值模拟为主体的传统研究范式, 在复合材料力学性能分析、设计和制造等方面遇到了新的科学问题与技术瓶颈. 其中, 实验观测不足、理论模型缺乏、数值分析受限、结果验证困难等问题在一定程度上制约了先进复合材料在面向未来工程领域中应用的发展. 人工智能方法以数据驱动的模型替代传统研究中的数学力学模型, 直接由高维高通量数据建立变量间的复杂关系, 捕捉传统力学研究方法难以发现的规律, 在复杂系统的分析、预测、优化方面拥有与生俱来的优势. 而通过人工智能赋能来寻求复合材料中传统研究方法所面临难题的新的解决方案, 目前已成为复合材料研究领域的发展趋势. 本文综述并评价了人工智能方法在复合材料性能预测、优化设计、制造检测及健康监测等方面的研究进展, 并对未来发展方向进行了探讨和展望.      

面向流体力学的多范式融合研究展望

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...     

一类双层薄膜结构振动能量采集器的数据驱动建模方法及应用

随着工程研究对象日益复杂化、系统化,单纯依赖先验知识的力学建模手段难以满足日渐复杂的系统建模需求.相比而言,数据驱动通过大数据处理方法得到准确反映系统当前运动状态的数学模型,体现了数据科学融入基础与应用科学领域的发展趋势.特别是稀疏非线性动力系统辨识算法(SINDy)的出现,解决了直接构建非线性数学模型的难点问题,实现了由实验数据到非线性控制方程的直接过渡.然而,受制于噪声数据的影响显著以及奇异矩阵难以准确分析等因素, SINDy在实际应用中的可靠性仍有待加强.有鉴于此,文章在已有SINDy算法基础上提出增强型稀疏筛选辨识算法(ESINDy),改进了数据滤波模块以强化其对于含噪信号的处理能力,并且改变了原有算法的循环函数体,以提高其对于奇异问题的识别能力,使之更适于分析工程信号中常见的强噪声、高奇异性等问题.作为应用,研究了一类双层薄膜结构电磁式振动能量采集器(EMH),利用理论建模与ESINDy方法相结合的手段建立了采集器动力学方程,并通过实验和仿真对理论结果进行验证.结果表明:相比于SINDy算法, ESINDy算法能够更加准确地识别该动力学系统的信息,刻画系统蕴含的复杂振动行为....     

《人工智能计算力学》专辑序言

正近年来,机器学习、数据驱动等基于数据进行分析和预测的人工智能技术发展迅速,呈现出信息提取能力强、处理速度快等显著优势,目前已渗透到各个学科领域。另一方面,传统计算力学在模拟复杂工况、复杂模型和大变形等问题时,时常会面临物理模型不够完善、计算效率较低、计算精度不足等问题。因此,将知识驱动型的传统计算力学模型与数据驱动型的人工智能计算模型相融合,发展基于人工智能技术的计算力学理论和方法,成为当前计算力学领域的一个重要研究方向,也为解决复杂工程问题提供了新方案,具有非常广阔的应用前景。鉴于此,《固体力学学报》特别组织了《人工智能计算力学》专辑,希望通过该专辑展示国内计算力学工作者在人工智能计算力学这一新兴领域的最新研究成果,可供从事相关领域研究的人员参考。     

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...     

基于弹性力学第一性原理的数据驱动力学建模

提出了一种基于弹性力学第一性原理的数据驱动力学建模方法,其能够从基于弹性力学方程的数值计算结果建立简洁且能准确捕捉变形机制的力学模型。基于有限元计算得到的高精度数据和无监督数据驱动控制方程识别方法Seq-SVF,从梁的载荷和位移数据中自动识别出了Timoshenko梁形式的弯曲控制微分方程,得到了三种不同加载条件下剪切影响系数关于结构尺寸和力学参数的函数表达式。揭示了经典模型适用的加载条件,同时还给出了一种未发现的新模型。通过将基于弹性力学的第一性原理计算与数据驱动范式相结合,克服了传统建模方法的局限性和对人类经验的强依赖性,为建立简洁的力学模型提供了一种新途径。     

数据驱动计算力学研究进展

以数字孪生、人工智能为核心的大数据理念正深刻影响着第四次工业革4 命，数据驱动计算力学在此背景下应运而生并展现勃勃生机。与此同时，航5 空航天等尖端工业领域对高性能材料与结构的先进制造与安全评估提出了更6 严峻的挑战，经典计算力学已很难实现成倍缩短产品研发周期、实时跟踪产7 品信息并提供解决方案的目标。因此，发展面向高性能材料与结构的数据驱8 动计算力学正当其时且刻不容缓。本文拟通过梳理数据驱动计算力学的部分9 研究现状，探讨并浅析数据驱动计算力学的发展趋势.     

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.      

实验数据反演识别分析方法与力学表征

本文给出了两类基于实验(实测)数据的反演识别方法,简述了其在界面力学性能及工程实测数据分析中的应用.在粘接界面力学性能的反演识别实验研究中,基于不同加载速率的实验曲线,结合参数化界面力学模型,通过反演识别给出粘接界面力学性能参数,并对识别结果的适定性进行独立的实验验证;在基于工程实测数据的反演识别与力学建模方面,在分析盾构装备载荷特点的基础上,对海量的实测数据统计分类,提出了力学量纲分析的建模方法,并应用于盾构掘进载荷的反演识别研究.     

块体金属玻璃力学行为有限元模拟研究进展

块体金属玻璃材料具有重要的科学和应用价值,受到国际学术界的广泛重视,针对其力学行为的有限元模拟也逐渐成为研究热点.本文综述了模拟块体金属玻璃力学行为的有限元方法研究现状,包括材料本构模型以及有限元建模等方面的发展,最后给出相关工作建议.     

PROMOTING TEACHING BY USING COMPETITION PROBLEMS IN ENGINEERING MECHANICS TEACHING1)

本文提出以课堂教学为载体,强化力学竞赛试题在培养学生创新思维能力和力学建模能力的作用,激发学生学习工程力学课程兴趣的教学改革思路和方法。通过调整教学例题内容、增加例题的趣味性、强化力学建模训练以及增强定性分析意识,有效解决了力学竞赛培训中遇到的问题。实践证明,"以赛促教"教学模式可有效激发学生学习工程力学的热情,有助于掌握课程的核心内容及其工程应用。     

针尖的分子生物物理力学研究进展

围绕包括扫描探针显微镜在内的各种探针技术下核酸、蛋白质等生物分子及生物材料的生物力学与力 - 电耦合实验研究, 较系统地总结了分子层次或纳米尺度下生物分子和材料的力学性能的扫描探针显微镜、光镊、磁镊等探针技术的实验研究方法和主要进展, 进而探讨了在``针尖'这个极小、极特殊环境下的分子生物物理力学研究状况.通过介绍借助探针技术研究相关生物物质的结构、力学、电学等性能以及提出的一些理论模型, 指出探针技术在生物分子（包括遗传物质和蛋白质）力学性能、纳米生物材料结构及分子仿生等研究中的广泛意义.提出多场耦合作用下的针尖的生物物理力学研究必定是将来研究的重点;将针尖的分子生物力学的物理实验研究与分子物理力学理论、计算科学相结合, 发展分子物理力学虚拟实验技术是本领域的一个重要发展方向.      

皮肤的力学性能概述

鉴于皮肤的力学性能对于临床和日用化妆品的重要性,人们已经对在体和离体皮肤的力学性能进行了长期的研究.本文对皮肤力学的近期发展进行了全面的回顾,总结了在体和离体实验的方法和仪器,概述了皮肤的主要力学性能,包括杨氏模量、泊松比、压缩系数、强度、韧性、初应力和初张力、热膨胀系数、约束力/层离能、摩擦系数,以及这些性能的各向异性,并以表格形式收集了现有文献中的有关数据.最后,讨论了有关皮肤力学的一些特殊领域中的未来研究方向.      

金属结构材料腐蚀疲劳寿命预测模型的研究进展

腐蚀疲劳是工业装备的主要失效模式之一.随着新技术的不断发展，航空航天、轨道交通、海洋设施等重大装备向着高可靠性、长寿命及智能化方向发展，亟需准确、高效的腐蚀疲劳寿命预测方法.论文对金属材料的腐蚀疲劳损伤机理进行了简要总结并对寿命预测模型进行了系统归纳与评述，提出未来的研究趋势与方向.具体地，首先介绍了腐蚀坑的萌生和生长、裂纹萌生及扩展的机理；其次总结了预腐蚀疲劳的断裂力学及损伤力学寿命预测模型，再次归纳了腐蚀疲劳的断裂力学、损伤力学及数据驱动寿命预测模型；进一步地，综合概括了现有寿命预测模型的优点和不足；最后，基于当前的研究指出未来可能的发展方向，一方面可以借助三维成像技术实现蚀坑向裂纹转变阶段和短裂纹扩展阶段的可视化研究，以改进现有的断裂力学模型；另一方面可以建立新型的多尺度多阶段寿命预测模型或利用新兴的数据驱动-物理融合方法实现腐蚀疲劳寿命预测.     

物理增强的流场深度学习建模与模拟方法

流体运动理论上可用Navier?Stokes方程描述, 但由于对流项带来的非线性, 仅在少数情况可求得方程解析解. 对于复杂工程流动问题, 数值模拟难以高效精准计算高雷诺数流场, 实验或现场测量难以获得流场丰富细节. 近年来, 人工智能技术快速发展, 深度学习等数据驱动技术可利用灵活网络结构, 借助高效优化算法, 获得对高维、非线性问题的强大逼近能力, 为研究流体力学计算方法带来新机遇. 有别于传统图像识别、自然语言处理等典型人工智能任务, 深度学习模型预测的流场需满足流体物理规律, 如Navier?Stokes方程、典型能谱等. 近期, 物理增强的流场深度学习建模与模拟方法快速发展, 正逐渐成为流体力学全新研究范式: 根据流体物理规律选取网络输入特征或设计网络架构的方法称为物理启发的深度学习方法, 直接将流体物理规律显式融入网络损失函数或网络架构的方法称为物理融合的深度学习方法. 研究内容涵盖流体力学降阶模型、流动控制方程求解领域.      

The prospect of modern thermomechanics in structural integrity calculations of large-scale pressure vessels

Structural integrity calculations play a crucial role in designing large-scale pressure vessels. Used in the electric power generation industry, these kinds of vessels undergo extensive safety analyses and certification procedures before deemed feasible for future long-term operation. The calculations are nowadays directed and supported by international standards and guides based on state-of-the-art results of applied research and technical development. However, their ability to predict a vessel’s behavior under accidental circumstances after long-term operation is largely limited by the strong dependence of the analysis methodology on empirical models that are correlated to the behavior of structural materials and their changes during material aging. Recently a new scientific engineering paradigm, structural integrity has been developing that is essentially a synergistic collaboration between a number of scientific and engineering disciplines, modeling, experiments and numerics. Although the application of the structural integrity paradigm highly contributed to improving the accuracy of safety evaluations of large-scale pressure vessels, the predictive power of the analysis methodology has not yet improved significantly. This is due to the fact that already existing structural integrity calculation methodologies are based on the widespread and commonly accepted ’traditional’ engineering thermal stress approach, which is essentially based on the weakly coupled model of thermomechanics and fracture mechanics. Recently, a research has been initiated in MTA EK with the aim to review and evaluate current methodologies and models applied in structural integrity calculations, including their scope of validity. The research intends to come to a better understanding of the physical problems that are inherently present in the pool of structural integrity problems of reactor pressure vessels, and to ultimately find a theoretical framework that could serve as a well-grounded theoretical foundation for a new modeling framework of structural integrity. This paper presents the first findings of the research project.     

NANO SCIENCE AND ENGINEERING IN SOLID MECHANICS

According to National Science Foundation （NSF） Director A. Bement, ‘Transformative research is... research driven by ideas that stand a reasonable chance of radically changing our understanding of an important existing scientific concept or leading to the creation of a new paradigm or field of science is also characterized by its challenge to current understanding or its pathway to new frontiers.＇ Nanotechnology is one of such frontiers. It is the creation of new materials, devices and systems at the molecular level--phenomena associated with atomic and molecular interactions strongly influence macroscopic material properties with significantly improved mechanical, optical, chemical, electrical... properties. Former NSF Director Rita Colwell in 2002 declared, ‘nanoscale technology will have an impact equal to the Industrial Revolution＇. The transcendent technologies include nanotechnology, microelectronics, information technology and biotechnology as well as the enabling and supporting mechanical and civil infrastructure systems and materials. These technologies are the primary drivers of the twenty first century and the new economy. Mechanics is an essential eleraent in all of the transcendent technologies. Research opportunities, education and challenges in mechanics, including experimental, numerical and analytical methods in nanomechanics, carbon nano-tubes, bio-inspired materials, fuel cells, as well as improved engineering and design of materials are presented and discussed in this paper.     

中国古建筑结构力学研究进展

中国古代建筑是中国古代文化的宝贵遗产. 力学的多样性也反映在古建筑 结构力学研究. 西安交通大学从1982年开始, 对以西安明代箭楼、城楼和宁波宋代保国寺 等国家重点保护文物为代表的木结构建筑, 以唐代大雁塔、小雁塔等国家重点保护文物为代 表的古代高层建筑, 和以国家重点保护文物西安古城墙为代表的砖-土结构以及钟楼、鼓楼 等中国城市的代表性古建筑的结构力学特性进行了一系列研究. 得到关于古建筑结构(如斗 拱、结构非线性、榫卯节点的接触力学特性、地宫、古代夯土、古塔基础、古城墙等)力学 特性的新认识. 本文对此进行小结, 同时也介绍近年来的其它学者的一些研究.