复杂流动中的智能颗粒游动策略研究进展

智能颗粒定义为可以根据环境的变化而主动调整自身在流场中运动的颗粒, 一般用于描述微小的游动物体, 如微生物、浮游生物和微纳机器人. 由于颗粒运动学特性和流场环境的复杂性, 探索智能颗粒的运动策略是一项具有现实意义与挑战性的研究. 近期强化学习算法被应用于智能颗粒的运动策略研究, 并取得一定进展. 本文将讨论强化学习在智能颗粒研究中的应用, 并介绍浮游生物运动策略的相关研究进展, 包括适用于海洋浮游生物的游动颗粒模型, 以及强化学习的基本原理和此类问题的研究框架. 海洋浮游生物的昼夜垂直迁移对其生存和繁衍至关重要, 生物学研究表明某些浮游生物可感知周围的流场信息, 但能否利用这些信息提高垂直方向游动效率仍是一个未知的问题. 基于这一背景, 相关研究考虑了重力沉降和颗粒形状对浮游生物垂直游动策略的影响. 研究发现细长的颗粒能够更加高效地垂直向上运动, 而重力沉降则导致智能游动策略发生较大变化. 在此基础上, 后续研究进一步考虑了局部流体信号的作用, 并讨论了基于局部信息在全局坐标系中定向运动的可能性. 当颗粒只能感受到局部流体信号时, 必须破坏动力学系统的对称性, 否则颗粒无法学到有效的垂向游动策略. 此外, 研究还发现强化学习能够利用流体信号背后的机制, 得到颗粒在二维定常流动和三维非定常湍流中高效垂直运动的策略. 这些智能游动策略依赖于本质的物理规律, 因此这些策略在更加复杂或真实的流动中也可能有优秀的表现.      

剪切作用下Cu(100)扭转晶界塑性行为研究

本文采用分子动力学方法研究了在剪切载荷作用下,Cu(100)扭转晶界对Cu柱屈服强度的影响.模拟结果发现,在加载过程中,低角度扭转晶界形成的位错网发生位错形核与扩展,位错之间的塞积作用提高了Cu柱的屈服强度;对于高角度扭转晶界,晶界发生滑动降低了Cu柱的屈服强度.同时发现,随着扭转角度的增加,Cu柱的屈服强度先增大,当扭转角度大于临界角度时,Cu柱的屈服应力逐渐减小.这表明剪切载荷作用下,两种不同的机理主导Cu柱的屈服,对于小于临界角度的扭转晶界,Cu柱的屈服由晶界位错形核和扩展机理主导,对于大于临界角度 关键词： 扭转晶界 分子动力学 位错形核 晶界滑移     

FAST ALGORITHMS FOR DETERMINING POSITIVE DEFINITENESS OF LARGE SCALE MATRICES IN SOLID STRUCTURE ANALYSIS

对于结构稳定性分析中超大规模矩阵正定性判定，必须采用并行计算方法，传统方法如计算特征值、主子式行列式及LDLT等直接方法难以实现.本文提出了一些可适用于并行的迭代判定算法.借鉴力学系统中能量下降的思想，发展了一种判定矩阵正定性的新思路，即将矩阵的正定性判定问题转化为一个优化问题，并基于优化算法来判定矩阵的正定性.提出了基于最速下降法和共轭梯度法来进行矩阵正定性判定的算法.然后考虑到力学系统刚度矩阵的稀疏性和结构刚失稳状态的弱非正定性，提出可以先截超平面后解方程求驻值点的方法来判定弱非正定矩阵的正定性.为了保证对强非正定矩阵判定的准确性，本文提出可以高效混杂使用截平面法和共轭梯度法.数值实验结果表明，本文提出的算法具有准确性和高效性.对于强非正定矩阵而言，共轭梯度算法更加高效；而对于弱非正定矩阵，则是截平面法和混杂算法更加高效.这些算法都容易在机群上实现并行计算，能够快速判定大规模矩阵的正定性.     

基于点缺陷扩散理论与离散位错动力学耦合的位错攀移模型研究

位错的攀移运动对高温下晶体材料的塑性行为有重要影响,为了能够有效揭示攀移的物理本质及其对塑性行为的作用,本文基于点缺陷扩散理论,通过将体扩散和管扩散机理的共同作用与三维离散位错动力学耦合,建立了适用条件更广的位错攀移模型. 利用此模型我们模拟了单个及多个棱柱型位错环的收缩变形过程,发现影响位错攀移速率的决定因素不是传统理论认为的机械攀移力,而是位错周围(体扩散)及位错段上(管扩散)的空位浓度梯度. 该模型也能够完全重现棱柱型位错环群的粗化过程中不同位错环半径及晶体内平均空位浓度随时间变化的三个阶段. 关键词： 位错攀移 点缺陷扩散理论 位错动力学 棱柱位错环     

基于数据驱动模型求解热传导反问题

热传导反问题求解在工程领域具有重要的应用价值.本文发展数据驱动模型识别了管道内壁几何形状和皮肤肿瘤生长参数等热传导反问题.在管道内壁几何形状识别问题中,首先采用随机生成模型结合有限元法求解热传导正问题,并采用有效导热系数转化的思想,建立机器学习模型,求解了测点温度与有效导热系数之间的抽象映射关系,进而实现管道内壁几何形状的识别.然后,应用数据驱动模型识别了皮肤肿瘤的生长参数,分别讨论了不同测量误差对计算结果的影响.数值算例表明,本文提出的数据驱动模型能够准确估算肿瘤的生热率和血液灌注率.这些工作显示了数据驱动模型在求解热传导反问题方面具有广阔的应用前景.     

页岩气高效开采的力学问题与挑战

页岩气是指赋存于富含有机质泥页岩中以吸附和游离状态为主要存在方式的天然气,中国资源量丰富,地域分布广泛.页岩气开采能缓解我国常规油气产量不足、煤化石燃料引起环境污染等问题,已成为中国绿色能源开发的重要领域.尽管北美页岩气"革命"取得了成功,目前也仅有预期产量5%～15%的采收率.与北美地区相比,中国页岩气埋藏深,赋存条件差,自然丰度低,因此,高效开采面临更多的困难和挑战.近年来,围绕国家重大能源战略需求,瞄准技术发展前沿,学术界和工业界联合对页岩气高效开采的关键科学和技术问题展开研究.本文结合近三年四川、重庆地区的页岩气试验区块遇到的新问题,针对中国未来3 500 m以下深部开采的新挑战,如地质沉积、裂缝发育构造不同、上覆压力增加、水平应力场变化等新问题,介绍和总结了目前中国页岩气高效开采面临的力学科学问题,主要包括多重耦合下的安全优质钻完井力学理论和方法、水力压裂体积改造和多尺度缝网形成机制、多尺度渗流力学特性与解吸附机理等."深部页岩气高效开采"的研究面向国家重大能源需求,科学意义重大,工程背景明确,需要工程力学、石油工程、地球物理、化学工程和环境工程等多学科专家合作,开展理论研究、物理模拟、数值模拟及现场试验等综合应用基础研究,取得高效开采页岩油气理论与技术的突破.学科交叉是研究页岩气高效开采问题、突破技术瓶颈的桥梁,只有力学与石油工程、地球科学等学科实现深度交叉融合,才能更加有效地推动页岩油气等非常规油气资源的开发.     

高温SHPB实验温度修正的差分方法

将波在具有温度梯度的波导杆中运动的控制方程离散,利用差分格式编写程序,根据杆上任意一点的应变信号,计算出当波传到杆上其它任意点处的应变信号。设计实验,验证了该方法的正确性。此方法可应用于高温Hopkinson实验中,即:在波导杆上处于室温的某处粘贴应变片,由该应变片采集的应变信号,计算出试件与波导杆接触处的高温区的应变信号,利用此应变信号即可获得高温Hopkinson实验中试件的应力-应变关系。     

一种求三维弹性力学基本解析解的特征方程解法

提出了一种简单的推导各向同性材料,三维弹性力学问题基本解析解的特征方程解法.应用三维问题控制微分方程的算子矩阵,通过计算其行列式可得到问题特征通解所需满足的特征方程.将满足各种不同简化特征方程的特征通解,代入到微分方程算子矩阵所对应的不同的缩减伴随矩阵,可推导得出相应的三维弹性力学问题的基本解析解,包括B-G解、修正的P-N(P-N-W)解和类胡海昌解.进一步对各类多项式形式的基本解析解的独立性进行了讨论.这些工作为构造数值方法中所需的完备独立的解析试函数奠定了基础.     

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.      

可延展柔性无机微纳电子器件原理与研究进展

为适应下一代电子产品便携性、形状可变性、人体适用性等方面的进一步需求,近年来基于无机电子材料的可延展柔性电子技术成为全球电子产业界与学术界关注的新焦点.与有机柔性电子学器件不同,可延展柔性无机电子器件指的是建立在柔性基底上的无机电子组件.这种具有柔性的集成电路利用力学设计提供大变形,在保持无机脆性电子器件高性能和高可靠性的同时,具备形状可弯曲、可伸缩等柔性性能.本文综述了近年来无机柔性电子器件的进展,包括力学设计原理、基于界面黏附的转印集成方法以及柔性大变形下的失效机理等,并展望了未来的应用和发展.