英国国家科研与创新署学科交叉研究资助机制及启示

Newly established in 2018, the UK Research and Innovation (UKRI) strengthens the strategic coordination of the UK research and innovation system by bringing together seven Research Councils, Research England, and Innovate UK. Through its nine organizations, UKRI funds multidisciplinary and interdisciplinary research in a number of priority areas. It also runs the Strategic Priorities Fund to support multidisciplinary and interdisciplinary research in strategic areas identified by government policies as well as the Global Challenges Research Fund to promote challenge-led interdisciplinary research needed by developing countries. The UKRI makes significant efforts to engage stakeholders in the development, design, and implementation of multidisciplinary and interdisciplinary programs. It has also developed a range of mechanisms to improve the evaluation of multidisciplinary and interdisciplinary projects. Chinese science and innovation funding agencies could draw upon the UKRI experience from four aspects to advance interdisciplinary research in China.     

含酰胺结构超低膨胀聚酰亚胺薄膜的热膨胀行为

采用联苯二酐与3种含酰胺结构二胺制备了具有不同取代基团的聚酰胺-酰亚胺薄膜, 考察了酰胺结构对薄膜力学、 耐热及尺寸稳定性的影响, 研究了聚集态结构与薄膜热膨胀行为的关系和规律. 该系列薄膜具有超高强度和优异的耐热性能, 拉伸强度高达280.5 MPa, 玻璃化转变温度在389~409 ℃, 并在30~300 ℃温度范围内表现出超低负膨胀, 热膨胀系数(CTE, ppm/℃, 即10 ⁶ cm·cm ^-1·℃ ^-1)在-3.05~-1.74 ppm/℃之间. 聚集态分析结果表明, 酰胺结构使分子链间形成了强氢键相互作用, 分子链在薄膜面内方向高度有序取向, 并在膜厚方向堆积更为紧密, 使薄膜表现出热收缩现象. 通过不同体积大小的取代基团进一步调控分子链间相互作用及排列堆积, 可实现薄膜在高温下近乎零尺寸形变, 为设计制备超低膨胀聚合物基板材料提供了新思路.     

波形钢板-UHPC组合桥面板结构截面优化

对实腹式波形顶板-UHPC(超高性能混凝土)组合桥面板进行了改进, 采用空腹式结构建立波形钢板-UHPC组合桥面板有限元模型, 研究UHPC层厚度、波形钢板厚度、波形长度、下缘板宽度和波形高度等截面参数变化对组合桥面板受力特性的影响, 并确定其合理取值范围. 在此基础上, 通过理想点法对参数组合进行优化, 得到合理的参数匹配. 研究结果表明 相较于实腹式组合桥面板, 优化后的组合桥面板自重减小35%, 钢板弯折处应力减小16%; 相较于正交异性钢桥面板, 桥面板用钢量减小7%, 顶板与U肋连接位置应力减小47%.     

秋千参数自激振动的数学模型与数值模拟

将秋千视为变长度单摆,基于归一化高斯函数构造了摆球相对摆杆的速度表达式.在此基础上建立了秋千的非线性动力学微分方程,并据此数学模型对秋千运动进行了数值模拟,得到了秋千的运动规律和功能转化的机制.     

铜铁镁三掺铌酸锂晶体的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理,研究了Cu:Fe:Mg:LiNbO3晶体及对比组的电子结构和光学特性.研究显示,单掺铜或铁铌酸锂晶体的杂质能级分别由Cu 3d轨道或Fe 3d轨道贡献,禁带宽度分别为3.45和3.42 eV;铜、铁共掺铌酸锂晶体杂质能级由Cu和Fe的3d轨道共同贡献,禁带宽度为3.24 eV,吸收峰分别在3.01,2.53和1.36 eV处;Cu:Fe:Mg:LiNbO3晶体中Mg^2+浓度低于阈值或高于阈值(阈值约为6.0 mol%)的禁带宽度分别为2.89 eV或3.30 eV,吸收峰分别位于2.45 eV,1.89 eV或2.89 eV,2.59 eV,2.24 eV.Mg^2+浓度高于阈值,会使吸收边较低于阈值情况红移;并使得部分Fe^3+占Nb位,引起晶体场改变,从而改变吸收峰位置和强度.双光存储应用中可选取2.9 eV作为擦除光,2.5 eV作为读取和写入光,选取Mg^2+浓度达到阈值的三掺晶体在增加动态范围和灵敏度等参量以及优化再现图像的质量等方面更具优势.     

基于增材制造空心点阵结构的压缩变形研究

点阵结构具有质量轻、承压性能好、比刚度大等特点,广泛应用于轻量化部件与承压结构。采用选区激光熔覆技术制备了316L不锈钢空心点阵结构,通过准静态压缩实验和有限元数值模拟,研究了含不同尺寸空心微柱的点阵结构在压缩变形时的失效和变形模式及其成因。结果表明:316L不锈钢材料的空心管状结构在点阵压缩过程中无明显压溃失稳,其结构失效模式是由节点失效诱发微柱变形,进而造成整体失效;结构的变形模式为整体均匀变形,但是当壁厚和外径较小时,边界层将因刚度不足而率先变形;增大空心微柱尺寸可使结构刚度增大。     

船舶与海洋平台结构冰载荷的高性能扩展多面体离散元方法

船舶与海洋平台结构的冰载荷是寒区海洋工程结构物设计中的关键参数,而离散元方法是有效计算结构冰载荷的重要手段. 本文采用基于闵可夫斯基和原理的扩展多面体离散元方法模拟船舶与海洋平台结构的相互作用过程. 其中,构造扩展多面体的近似包络函数并建立了基于优化模型的快速接触搜索算法;考虑单元间粘结作用的刚度软化过程建标识码元间的粘结-破碎模型. 同时,发展了 CPU-GPU 协同异构环境下的高性能并行算法. 为分析海冰与海洋结构作用中的冰载荷,采用ISO标准验证了扩展多面体离散元分析结构冰载荷的准确性. 采用离散元方法计算了船舶结构的冰载荷,研究了船舶结构表明的线载荷分布特点,并采用船舶结构冰阻力经验公式验证了计算结果的合理性. 采用离散元方法计算了平整冰区与多桩腿平台结构的相互作用,分析各桩腿上的冰载荷特点. 针对碎冰区的海冰管理过程,采用离散元方法分析了船舶结构绕行过程中的船舶和海洋平台结构冰载荷. 本文方法可有效应用于海洋结构冰载荷分析,能为极地船舶与海洋平台结构的设计和安全运行提供科学的分析手段.      

平头锥型回转体高速入水结构强度数值分析

为探究回转体在高速入水过程中的结构强度，基于非线性有限元LS-DYNA软件中流固耦合任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian-Eulerian, ALE)方法，分析了不同壁厚的回转体以100 m/s的初速度入水过程中的冲击力特性和结构强度。结果表明:数值计算得到的入水冲击压强峰值和速度衰减曲线与相应的理论值吻合较好，从而验证了数值方法的有效性；入水冲击载荷峰值出现在结构入水瞬间，结构入水后冲击载荷急剧变小且微小震荡；回转体的结构形式对其在高速入水过程中的结构强度有重要影响，尤其回转体头部厚度影响回转体结构强度，当回转体头部厚度为8 mm、后体壁厚大于2.5 mm时，可以保证回转体强度要求。     

约束端面对管内甲烷爆炸特性的影响

为研究不同约束端面下甲烷的爆炸特性，利用自行搭建的实验平台完成了多种约束端面下不同浓度甲烷的爆炸实验。研究表明:约束端面的性质对甲烷的爆炸特性有显著影响，约束端面的承压强度越高，甲烷的爆炸超压越大。单层PVC薄膜作用下，薄膜破裂，不会引起火焰与超压的振荡；而纸膜破裂后，管道内外气流的高速泄放和回流则会引起超压振荡，使火焰前锋波动并发生扭曲变形；两者共同作用时，PVC薄膜会阻碍气流的泄放与回流，加速超压衰减，抑制火焰和超压的振荡。然而，随着纸膜层数增加，破膜时管道内外形成的巨大压差会使约束端面完全破裂，降低PVC薄膜的抑制作用。当破膜难度达到一定程度时，约束端面作用下的泄压峰值成为不同浓度甲烷爆炸的最大超压峰值，且泄爆压力并不随甲烷浓度的改变而改变，因此不同浓度甲烷的爆炸超压在较高的泄爆压力下相同；此时，相同约束端面下不同浓度甲烷的压力振荡曲线在压力衰减的前半个周期内完全重合，管道内外的压差成为主导超压振荡的重要因素，而不同浓度甲烷的燃烧速率对超压振荡的影响则可以忽略不计。     

爆炸荷载下基于细观建模的素/钢筋混凝土板破坏模式

为了获得爆炸荷载下细观结构对素/钢筋混凝土板的影响，采用随机骨料投放建立了素/钢筋混凝土板细观模型。利用LS-DYNA对基于细观建模的钢筋混凝土板进行爆炸荷载作用下的数值模拟，通过与实验以及均质建模方法进行比较，验证了细观建模方法的准确性。进而研究了基于细观建模的素/钢筋混凝土板在不同爆炸荷载下的结构响应，获得了素/钢筋混凝土板的响应过程和破坏模式。结果表明:在低药量（1、2 kg）爆炸荷载下，细观结构对素/钢筋混凝土板的影响较小，其破坏模式以纵横塑性铰线破坏为主，药量越大，铰线越多；在高药量（5、10和15 kg）爆炸荷载下，细观结构对素/钢筋混凝土板的影响较大，与均质模型相比存在较大差异，细观素/钢筋混凝土板以爆坑为中心，产生环向与径向裂纹，药量越大，圆坑越大，裂纹越多，板局部破坏越严重。