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.      

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.      

A review of autonomous agricultural vehicles (The experience of Hokkaido University)

Robotic farming will play an undeniably significant role in future sustainable agriculture. Autonomous agricultural vehicles for arable crops and their components are reviewed herein, and their differing possible components, advantages and disadvantages are discussed. The autonomous agricultural vehicles are qualified from technical points of view, including each vehicle's hardware unit (platform development, platform, transporter system, operation functions, communication, sensors [positional sensor, attitude sensor, and safety sensor], and control unit), the physical environment, and the control algorithm. The development process for different vehicles is described. As an operational case study, all investigations conducted at Hokkaido University between 1990 and 2018 are discussed and evaluated based on the described classification. The development procedure, the process of component selection, developmental challenges, and the performance indicators of the vehicles are discussed in detail. The development process and applicability of each component are then presented, and recommendations for future studies are noted. Finally, the most important experiences and lessons, and some recommendations are outlined.     

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.      

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。     

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。     

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.      

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。     

敦煌莫高窟北区岩体变异变形及修复对策

敦煌莫高窟北区岩体长期以来在特殊的地形地貌、气象水文、岩土性质、地质构造条件下,受人工开挖、重力、风蚀、雨蚀和洪水冲刷等共同作用,岩体发生风化、卸荷等变异以及崩塌、坍塌和危岩、开裂与裂隙(构造裂隙、卸荷裂隙)等多种变形,严重影响岩体的稳定和洞窟的安全。针对上述变异、变形破坏情况,采用PS材料加粉煤灰浆液灌浆封闭裂隙和岩面喷浆加固相结合的修复方法,有效地防止了岩体变异的进一步扩展和表面风化的加剧,减少了岩体变形和表面风化程度,使石窟得以保护和修复。该方法对黄土及干旱地区石窟保护具有良好的借鉴作用。     

复杂网络研究的一些统计物理学方法及其背景

介绍近年来复杂网络研究中常用的几种统计物理学方法（平均场理论、主方程、率方程、生成函数）的物理背景、发展历史、观点、思想和方法.回顾了物理学在研究连续相变、自组织临界现象、流行病传播等问题时是如何发展、运用平均场理论,以及平均场理论的思想、方法在从平衡态向非平衡态研究的延伸过程中的演化过程.简介了主方程、率方程和生成函数的相关物理思想和概念.在最后一节介绍了一些运用这些方法研究复杂网络的成果,包括一些最著名以及值得注意的网络演化模型的平均场方法、主方程和率方程方法求解,一些网络统计性质的解析求解,以及一些网络上物理过程特征描述的解析分析等.      

Breaking paradigms

To remain relevant, experimental mechanics must continuously renew itself through the development of new tools and new methods for gaining improved insights into complex phenomena and for performing both old and new tasks under ever more challenging and previously unexplored circumstances. To do this, practitioners of the art, teachers and students alike, must learn how to innovate efficiently and effectively. The history of the Society for Experimental Stress Analysis (SESA) and the Society for Experimental Mechanics (SEM) provides many examples of successful innovation by its members. However, since most of us innovate intuitively, we are not efficient at passing our experience and skills at innovation to the next generation of experimentalists. This paper outlines a methodology, originally developed for engineering design, which when applied to our field enables practicing and aspiring experimentalists to be effective and efficient in recognizing and defining new needs, and also in creating innovative devices, methods, and systems for meeting those needs. The key to this methodology is the conscious and careful nurturing of specific cognitive habits and skills that will enable effective and efficient innovation. SEM William M. Murray Lecture, June 4, 2003, Charlotte, NC, USA.     

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.     

海洋地震工程流固耦合问题统一计算框架

海底地震动的模拟以及海洋工程结构的地震反应分析中,涉及到海水、饱和海床、弹性基岩、结构之间的相互耦合.传统的方法分别采用声波方程描述理想流体、Biot方程描述饱和海床、弹性波方程描述基岩和结构,分别考虑相互之间的耦合,十分不便.本文基于理想流体、固体分别为饱和多孔介质的特殊情形(孔隙率分别为1和0),由饱和多孔介质的Biot方程可退化得到理想流体的声波方程和固体的弹性波方程.然后,以饱和多孔介质方程为基础,经集中质量有限元离散,考虑不同孔隙率的饱和多孔介质之间耦合的一般情形,建立了该耦合情形的求解方法.进一步论证了该一般情形的耦合计算方法可分别退化到流体与固体、流体与饱和多孔介质、固体与饱和多孔介质之间的耦合计算,从而将流体、固体、饱和多孔介质间的耦合问题纳入到统一计算框架,并编制了相应的三维并行分析程序.以P-SV波垂直入射时,半无限层状海水-饱和海床、海水-弹性基岩、海水-饱和海床-弹性基岩三种情形的动力分析为例,采用统一计算框架结合透射边界条件进行求解,并与传递矩阵方法得到的解进行对比,验证了该统一计算框架的有效性以及并行计算的可行性.      

形状记忆聚合物力学行为及其物理机制

形状记忆聚合物是一类环境响应主动形变智能软材料,是智能材料与结构领域的新兴研究内容之一。宏观概括其物理和力学行为的研究热点,主要包括三个方面：材料与环境之间的信息交换（如热量、能量等）,主动形变控制（如驱动方法、形变行为本构建模等）,软材料及其结构力学（如相变/转变热力学、复合材料设计等）。形状记忆聚合物的记忆效应源于分子链段本征结构的热运动,受外场激励影响,是分子链段结构（包括构型和构象）松弛行为的宏观表象,遵循Arrhenius定律。本文从物理和力学两方面讨论了形状记忆聚合物的分子链段热力学行为及其熵弹效应、分子结构松弛力学行为、环境效应记忆行为的物理和力学机制,系统地对形状记忆聚合物分子结构本征属性及其物理机理、记忆效应转变机制及其力学内涵、温度记忆效应、多场耦合效应响应行为等热点和难点问题进行了分析和讨论。最后,论文展望了形状记忆聚合物力学行为研究的未来发展方向。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

Bios data analyzer

The Bios Data Analyzer (BDA) is a set of computer programs (CD-ROM, in Sabelli et al., Bios. A Study of Creation, 2005) for new time series analyses that detects and measures creative phenomena, namely diversification, novelty, complexes, nonrandom complexity. We define a process as creative when its time series displays these properties. They are found in heartbeat interval series, the exemplar of bios .just as turbulence is the exemplar of chaos, in many other empirical series (galactic distributions, meteorological, economic and physiological series), in biotic series generated mathematically by the bipolar feedback, and in stochastic noise, but not in chaotic attractors. Differencing, consecutive recurrence and partial autocorrelation indicate nonrandom causation, thereby distinguishing chaos and bios from random and random walk. Embedding plots distinguish causal creative processes (e.g. bios) that include both simple and complex components of variation from stochastic processes (e.g. Brownian noise) that include only complex components, and from chaotic processes that decay from order to randomness as the number of dimensions is increased. Varying bin and dimensionality show that entropy measures symmetry and variety, and that complexity is associated with asymmetry. Trigonometric transformations measure coexisting opposites in time series and demonstrate bipolar, partial, and uncorrelated opposites in empirical processes and bios, supporting the hypothesis that bios is generated by bipolar feedback, a concept which is at variance with standard concepts of polar and complementary opposites.