Pentamode material for underwater acoustic wave control

五模材料是一种具有固体特征的复杂流体,可通过超材料技术由固体材料经过微结构精心设计近似得到.可调的模量各向异性和固体特征赋予五模材料优越的水声调控能力,在降低水下物体目标强度等领域有着重要潜在应用,因此受到了国内外工程和学术界关注.本文就五模材料基本概念、微结构设计、声波调控、加工制备等方面对该类材料的研究进展进行详细介绍,并对五模材料在工程中应用存在的问题进行了讨论,以期为后续相关研究者提供参考.     

DYNAMIC MODEL OF SELF-OSCILLATING GELS AND THE CONTROLLABILITY ANALYSIS

自振荡凝胶是一类在Belousov-Zhabotinsky化学反应（BZ反应）驱动下能够产生周期性收缩和膨胀大变形的智能软材料,简称为BZ凝胶,在微型激励器、传感器、药物释放、仿生材料等领域有着广泛的应用前景。基于BZ化学反应的Oregonator模型以及凝胶变形的力平衡方程,建立了由二阶微分方程表示的BZ凝胶的简化动力学模型,并通过对BZ凝胶的振荡动力学模型的分析,发现其在动力学相轨迹空间内呈现出稳定的周期性极限环振荡,进而利用改进的打靶法求得了BZ凝胶的振荡周期解,系统研究了反应物浓度、催化剂效率和链状高分子的亲水性等可控系统参数对其振荡形式、周期和幅值的影响。结果表明,只有在特定的系统参数取值下,BZ凝胶才能发生持续的周期性振荡;随着这些参数的改变,BZ凝胶的振荡形式、周期和幅值均产生规律性变化。证明了对自振荡凝胶实施周期性调控在理论上是可行的。     

The mesoscopic structures of dense granular materials

密集颗粒物质由大量颗粒组成的多体相互作用体系,在一定条件下,颗粒互相连接,形成相对稳定的介观尺度结构,其几何和动力学性质较大程度上决定了颗粒体系的宏观物理和力学性质,因此开展颗粒的介观结构研究具有重要的理论价值,是科学的前沿之一.自然界的堆石坝、堰塞体和碎屑流,以及工程中的高温气冷堆堆芯颗粒流和先进核裂变能系统（ADS嬗变）的颗粒散裂靶等都是典型的颗粒体系,研究颗粒体系宏观力学性质是灾害预测和调控技术的关键.本文首先介绍颗粒接触力理论和简化模型的研究进展,接着介绍介观尺度结构分析方法与测量技术,颗粒体系Jamming转变、软点和颗粒微位移测量技术等,最后列举了几个关键的科学问题.颗粒介质中很多基本力学问题的解决需要借鉴物理和数学等学科的最新成果,建立新的概念和范式,从新的角度、思路、理念去认识颗粒介质的基本问题.同时,颗粒介质的基础研究还要紧密结合工程应用领域的大量相关的核心技术,与工程领域专家共同合作,使得颗粒介质的研究有的放矢,更具生命力.     

软铁磁材料平面裂纹问题的耦合场

由磁弹性问题的线性化理论导出磁场下平面软铁磁体问题的控制方程和复势解。利用复势解和奇异积分方程方法,对面内磁场和远场载荷作用下的含裂纹无限大软铁磁平面问题进行了求解,得到耦合场的解。并对不同磁力模型的结果和磁场与机械载荷共同作用下的裂尖应力强度因子进行了讨论。     

功能铁磁材料的变形与断裂的研究进展

综述了近几十年, 特别是近十几年来铁磁材料的力磁耦合变形与断裂行为的研究概况. 传统铁磁弹性问题的研究已经有较长时间的积累, 文献中已有大量的研究结果发表. 近些年 来, 随着智能材料及结构应用与研究的兴起, 功能铁磁材料如稀土超磁致伸缩材料、铁磁相 变材料以及铁磁复合材料等的力学行为越来越受到重视, 人们在功能铁磁材料的变形与断裂 以及铁磁复合材料的有效性质等方面开展了大量的研究工作. 本文在简单介绍了经典铁磁弹 性和传统铁磁结构的力磁性能的研究背景基础上, 结合作者近年来在铁磁材料变形与断裂方 面所开展的工作, 着重评述了功能软铁磁材料在变形与断裂的实验研究,如实验设备和技术, 以及铁磁复合材料细观力学、软铁磁材料、铁磁功能材料的变形与断裂理论等方面的研究进 展, 并指出了需要进一步研究的方向.     

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。      

软体智能机器人的系统设计与力学建模

机器人或机电装备通常由电机模组、液压元件、齿轮和铰链等硬质部件构成,具有动力足、精度高等优点,但在实现低噪声、高安全系数与亲和性等方面存在挑战.受自然界生物体的柔软特性与高环境适应性的启发,设计制造软体机器人是近年来机器人领域的研究热点.作为软体机器人的核心构成部分,智能软材料可在外界不同刺激下产生不同响应,具有材料柔韧、生物相容性好、易于制备、价格低廉等优点,可广泛应用于机器人的设计与制造.几类典型的具备驱动功能的智能软材料与结构获得广泛的研究,包括气动软体肌肉、形状记忆合金/聚合物、离子交换聚合物、介电高弹体、响应水凝胶等.本文介绍了多种驱动类型的软体智能机器人研究成果,并从软体智能机器人的系统设计与力学建模两个方面进行了归纳分析与讨论.      

一种冲击动应力的实验系统与结果分析

为探究以材料力学理论为基础的冲击动应力问题实际与理论结果的差别程度,设计开发了冲击动应力实验装置,并测量了重锤在不同冲击高度下冲击悬臂梁的动荷系数. 同时利用ANSYS/LS-DYNA 软件对同一问题进行了数值模拟. 动荷系数模拟结果与实验值的相对差不超过3.1%,与理论值相对差在14%～23%之间. 实验和数值模拟起到相互印证的作用. 这一结论加强了对冲击动应力问题的模型、理论和误差范围的理解,在实际应用中有助于对误差范围的判断.     

一类功能梯度材料表面接触力学研究进展

针对一类杨氏模量梯度变化的功能梯度材料, 考虑摩擦、微动磨损和黏附等因素, 综述了梯度材料有限尺寸、梯度变化规律、梯度涂层厚度、界面摩擦热、压头形状等对表面接触力学性能的影响; 根据不同接触模型中接触界面应力场分布, 分析多种因素影响下功能梯度材料表面抵抗磨损的能力; 最后给出了功能梯度材料接触力学研究中仍存在的主要科学问题及进一步研究展望.      

自主泳动弹性绳的轨迹模拟

研究柔性结构与流体间耦合作用,可以促进软体机器人的发展.通过速度快、精度高的数值模拟方法模拟水下机器人的实时运动轨迹,可以为真实实验提供测试方向与理论牵引,增大实验成功的可能性.本文研究有自主运动趋势的弹性绳在二维流场中的运动轨迹.首先,对弹性绳离散化建模并同时考虑拉压与扭转弹性力,从能量角度建立动力学方程,此模型可以较为真实地反映弹性绳内力对其运动产生的作用.然后基于半拉格朗日法建立流体求解器. 最后,提出简化的基于动量方程的浸入边界法作为耦合算法,通过直接修正网格速度代替浸入边界力法中力源项的作用.使用这种算法求解耦合作用兼具简便性与快速性.对弹性绳模型、流体模型与简化耦合模型依次解算,模拟了正弦形式波动弹性绳在水中的运动轨迹.结果显示,弹性绳在弹性内力与流固相互作用力共同影响下,该种新的浸入边界法可以实现对水下弹性绳运动轨迹的模拟.数值实验显示弹性绳的自主运动参考模型的初相位改变时,其前进方向会发生改变.该仿真模拟算法与平台可以为细长形软体水生机器人的研发提供参考.      

Research progress in degradation mechanism of silicon anode materials for lithium-ion batteries

硅负极材料由于具有非常高的理论比容量,使之成为锂离子电池极具前景的负极替代材料,然而,硅负极材料在充放电过程中会发生非常大的体积变形,这会引起活性材料的破坏失效,严重影响其电化学循环性能,成为制约其在锂离子电池领域广泛应用的最大瓶颈,本文介绍了硅负极材料的不同结构形态及其在充放电过程中电化学性能的退化机理,并综述了充放电过程中的力学性能演化、相关理论分析、数值模拟计算等方面的最新国际研究进展,展望了硅负极材料力学失效方面的研究重点,     

2-dof non-linear dynamics of a rotor suspended in the magneto-hydrodynamic field in the case of soft and rigid magnetic materials

Non-linear dynamics of a high-speed rotor symmetrically supported on the magneto-hydrodynamic bearing is analyzed. In the case of soft magnetic materials the method of multiple scales [1] is applied. Non-resonant and primary resonance cases with and without internal resonance are illustrated and discussed. In the case of rigid magnetic materials the hysteretic properties are taken into consideration by means of the Bouc-Wen hysteretic model. In order to characterize the hysteretic close-loop control of the rotor motion, instability regions as well as the amplitude level contours of vertical and horizontal vibrations of the rotor are obtained in the form suitable for engineering applications, i.e. in the ‘frequency-amplitude’ parametric plane.     

磁敏弹性膜的研制、性能表征及应用研究进展

磁敏弹性膜是一种新型的智能材料,其力学、电学、磁学、声学等性质能够受外加磁场的控制,从而在多个领域展现在广泛的应用前景。本文首先从材料设计、制备工艺、结构设计等方面综述了磁敏弹性膜的研制方法,随后详细阐述了磁敏弹性膜的力学、电磁、声学等性能表征及内部机理,最后介绍了磁敏弹性膜在传感器、执行器、柔性机器人等领域的应用,在上述基础上,展望了磁敏弹性膜的发展,也提出了面临的问题及挑战。     

机敏材料和机敏结构的力学分析

机敏材料是一种具有传感和执行的双重功能的功能材料，它无需外界的帮助，而本身就可以在电、磁、热、机械运动、光、声、化学、流变等等性能中的几项之间产生耦合行为，当机敏材料和具体结构形式结合在一起时便构成了机敏结构。本文重点介绍了比压电体更为一般化的线性电磁热弹性固体的一些基本理论，综述了压电体的材料力学分析以及压电体在机敏结构控制中的力学行为分析。最后则简略讨论了其它机敏材料中的力学分析。     

纯引力轨道检验质量的相对测量技术

纯引力轨道是物体在太空仅受引力作用的运行轨道, 通过构造纯引 力轨道, 可实现超高精度的空间引力探测, 也可为科学实验提供超稳定卫星 平台. 作为纯引力轨道构造的核心, 检验质量的相对测量不仅提供了部分任 务科学数据, 还为航天器平台的跟踪控制提供输入. 首先, 描述了纯引力轨道 的概念内涵, 总结了它在卫星重力测量、引力波探测等方面的应用情况. 其 次, 综述了不同任务对相对测量的需求, 给出了电容式测量、磁感应测量和 光学测量的原理, 总结了各自的优缺点. 根据检验质量的姿态运动, 将检验质 量质心相对状态解算问题分为3 类, 给出了基于检验质量姿态动力学与表面 建模的典型解算模型和质心速度估计方法. 最后分析了非引力干扰的理论计 算、地面实验验证和在轨实验验证问题.      

金属材料力学性能的辐照硬化效应

开展金属材料力学性能的辐照硬化研究对抗辐照材料的设计及工程应用具有重要意义. 材料辐照损伤效应主要包括材料原子移位产生的辐照缺陷以及由核反应产生的氢、氦等气体杂质对材料性能的影响. 金属材料的辐照效应主要包括辐照硬化、辐照脆化和辐照蠕变等. 该文主要综述在低温(T < 0.3 T_m, T_m 是材料的熔点温度) 和低辐照剂量下, 由原子移位损伤产生的辐照缺陷所导致的辐照硬化行为, 即受辐照缺陷的影响, 材料的强度会升高. 材料的晶粒尺寸、晶界以及温度等因素对多晶材料的辐照硬化具有重要影响. 金属材料力学性能的辐照硬化研究是个多尺度问题, 其宏观力学性能既取决于微观尺度上辐照缺陷导致晶粒内部结构的变化, 也取决于细观尺度上晶粒间的相互作用. 该文从实验结果、数值模拟和理论模型三方面综述金属材料力学性能的辐照硬化研究进展. 在此基础上, 展望了该领域中存在的主要科学问题.      

Theory of electroelasticity accounting for biasing fields: Retrospect,comparison and perspective

力电耦合固体的非线性连续介质理论最早出现于20世纪50年代,而成熟于70年代.80年代末、90年代初则因智能材料与结构的兴起而又得到了新的发展,引起了较为广泛的关注,但应用上以线性分析为主.21世纪初以来,力电耦合软材料因其潜在的应用前景激发了众多的研究兴趣.由于牵涉到大变形,必须在一般非线性连续介质力学的框架内进行问题的建模和开展定量分析,因此力电耦合固体的非线性理论重新得到了大家的重视,出现了很多新版本.本文旨在阐述力电耦合固体非线性连续介质理论一般框架的基础上,采用3个构型的表述方式,较为详细地给出拉格朗日描述和更新拉格朗日描述下的力电耦合偏场理论,甄别不同理论表述版本之间的异同,以廓清目前文献中的混乱现象,为今后的相关研究提供理论指导.最后,本文讨论和展望了力电耦合偏场理论在不同研究领域的若干研究重点及其未来发展趋势.     

Experimental investigation of the coupled magneto-mechanical response in magnetorheological elastomers

Magnetorheological elastomers (MREs) are materials made of a soft elastomer matrix filled with magnetizable particles. These flexible composites that deform in response to an externally applied magnetic field are of special interest in advanced engineering applications such as actuators, artificial muscles or shape control. However, no systematic characterization of their coupled response has been undertaken so far, thus limiting the efficient design of MRE-based devices. In this study, we propose a framework—relying on both specially designed samples and a dedicated experimental setup—to characterize experimentally the coupled magneto-mechanical response of MREs since magnetization within the sample is nearly uniform and structural-dependent effects are minimized. The influence of particle content and arrangement within the composite are particularly studied and the corresponding experimental results give some insight into the underlying microstructural mechanisms that are responsible for the macroscopic deformation of MREs under combined magnetic and mechanical loading conditions. Such data is crucial for the design of new MRE composite materials in which the microstructure is optimized (to have the largest coupling effect with minimal energy input).     

微流控器件中的多相流动

微流控技术及微流控器件是近年来发展迅速的多学科交叉研究领域.相比于传统方法, 微流控技术能够实现对微量多相流体的精准操控, 可应用于化学分析、先进材料合成、蛋白质结晶、单细胞培育及检测、信息处理等领域. 该文回顾微流控器件中的多相流动现象, 概述其所涉及的流体力学机理,阐述实现多相微流控的各种方法, 并分析多相微流控技术的应用现状及面临的挑战, 最后总结针对多相微流动问题的数值模拟方法和实验测量技术, 展望多相微流控器件的研究方向及应用前景.      

页岩气井组分比例变化规律研究

页岩气开发过程中,生产井产出气的组分比例会随时间发生变化.本文基于组分模型数值模拟研究了生产井中甲烷组分比例变化的规律.研究表明,吸附气、渗透率与孔隙度影响页岩气组分比例的瞬态响应特征. 吸附气显著影响组分比例的变化规律,吸附量的大小决定组分比例的变化值及组分比例导数曲线的上下位置. 渗透率影响组分比例初期变化规律,但在后期,不同渗透率对瞬态组分比例规律的影响基本一致.孔隙度对组分比例变化及其导数曲线的影响与吸附气的影响类似,但在生产初期,孔隙度对组分比例的影响要小于吸附气对组分比例的影响. 本文的研究提供了一种进行页岩地层参数评价的新方法.