金属增材制造若干关键力学问题研究进展

金属增材制造是一种兼顾复杂结构和高性能构件成形需求的颠覆性制造技术, 在航空、航天、交通、核电等领域具有广阔的应用前景和发展空间. 该技术大规模推广应用所面临的制造效率和控形保性挑战是一个涉及力学、光学、材料、机械、控制等多学科交叉的难题. 本文针对其中涉及的若干关键力学问题, 阐述了近年来国内外在面向金属增材制造的结构拓扑优化设计、制造过程数值模拟、成形材料与结构的缺陷表征和性能评价方面的研究进展, 并对金属增材制造的结构设计?制造模拟?性能评价的发展趋势进行了展望.      

冰工程中的关键力学问题专题序

正我国大部分地区属于亚极区,北方的大部分河流、水库及海湾均存在冬季结冰现象.历史上,我国已发生多次比较严重的冰害,使人民生命和财产遭受巨大损失.如渤海海冰对近海结构作用及对航运的影响,河冰的凌汛、对桥墩的作用,水库冰对闸门、护坡及电站冬季运行的影响等,都是我国在寒区建设中不可回避的工程问题.近年来,由于我国在寒区的开发与建设速度加快,冰区海洋工程建设由渤海不断向北极拓展,北极航道趋于常态化通航,冰区核电和风能等新能源的开发,南水北调工程投入使用,这些均使冰工程问题变得更加突出,并对相关的科学研究和技术发展提出了更大的挑战.     

金属增材制造中的缺陷、组织形貌和成形材料力学性能

金属增材制造是近30年发展起来的一种新型制造技术, 不同于传统的减材制造过程, 它是基于离散-堆积原理, 根据设计的三维数据模型, 逐层加工获得立体实物的制造技术, 具有近净成形、快速制造、设计自由度高等优点, 特别适用于具有复杂几何结构的高熔点金属构件的直接成形, 在航天航空、核能工业、交通运输、生物医疗等领域具有巨大的技术优势和广阔的应用前景. 本文首先介绍了3种典型的金属增材制造技术原理, 包括选区激光熔化技术、激光金属沉积技术和选区电子束熔化技术. 随后对金属增材制造中的熔合不良、气孔、裂纹等缺陷的形成机理及其控制方法进行了综述, 以激光功率、扫描速度和扫描策略等工艺参数为例阐述了工艺参数对成形构件组织形貌的影响, 同时介绍了金属增材制造技术在传统合金、高熵合金以及非晶合金等材料中的应用及其力学性能. 最后对金属增材制造在扩充可打印的合金体系、量化缺陷与残余应力对材料性能的影响、发展可预测组织形貌的模拟方法、建立金属增材制造数据库和相关标准等方向进行了展望.      

海洋能源开发装备中关键力学问题专题序

海洋中石油、天然气及风能、潮汐能等能源储量丰富, 海洋能源的开发是当今世界各国竞相开发的关键领域. 海洋能源的开发离不开一系列的先进工业装备, 我国依托“海洋油气资源勘探开发技术”和“深海关键技术和装备”等科技专项对海洋能源开发装备和技术进行了长期研发, 使得我国已经基本具备了海洋能源开发装备设计、生产、测试和应用的关键技术. 同时由于我国海洋能源开发装备的研究起步较晚, 其设计、制造、测试及应用的部分技术仍未能实现完全自主可控, 成为制约我国海洋能源开发的瓶颈, 其中蕴含了丰富的关键力学问题的挑战. 随着海洋强国战略的实施, 我国的科研院所、高等学校和相关企业等单位积极开展了针对海洋能源开发装备中关键力学问题的研究. 部分工作已经取得了丰硕的成果, 实现了海洋能源开发装备和技术的突破, 为我国海洋能源开发装备的自主可控研发与创新奠定了扎实的力学基础.      

小浪底工程中的关键力学问题

黄河小浪底工程规模宏大，地理位置重要、地质条件复杂、运用要求严格、水沙条件特殊，被称为世界上最具挑战性的水利工程之一，坝址区复杂的地质和黄河高含沙水流是小浪底工程技术复杂的主导因素，在土力学和土动力学、岩石力学、结构力学和结构动力学、水工水力学等多个力学领域中解决了关键技术问题，在一定程度上推动了工程力学中的试验分析方法和分析手段的发展。     

页岩气开采中的若干力学前沿问题

页岩气的开采涉及破裂和收集输运两个关键过程.如何实现2000,m以下、复杂地应力作用下、多相复杂介质组分的页岩层内网状裂纹的形成,同时将孔洞、缝隙中的游离、吸附气体进行高效收集,涉及到诸多的核心力学问题.这一工程过程涵盖了力学前沿研究的诸多领域:介质和裂纹从纳米尺度到千米尺度的空间跨越,游离、吸附气体输运过程中微秒以下的时间尺度事件到历经数年开采的时间尺度跨越,不同尺度上流体固体的相互作用,以及压裂过程中通过监测信息反演内部破坏状态等.针对近年来我们国家页岩气勘探开发工作所取得的成就及后续发展中面临的前沿力学问题,在综合介绍页岩气藏的基本特征和开发技术的基础上,以页岩气开采中的若干力学前沿问题为主线,从页岩力学性质及其表征方法、页岩气藏实验模拟技术、页岩气微观流动机制及流固耦合特征、水力压裂过程数值模拟方法、水力压裂过程微地震监测技术、高效环保的无水压裂技术等6个方面的最新研究进展进行了总结和展望,结合页岩气藏开发的工程实践, 深入探究了其中力学关键问题,以期对从事页岩气领域的开发和研究的从业人员提供理论基础, 同时,该方面的内容对力学学科、尤其是岩土力学领域的科研工作也具有重要指导价值.      

金属增材制造过程中材料微观组织演化的模拟研究

金属增材制造是集设计、制造一体化的一种新型金属构件制造技术, 在航天航空、交通运输、生物医疗等领域具有广阔的应用前景. 金属增材制造材料的力学性能与其材料微观组织密切相关. 因此, 发展金属增材制造过程中材料微观组织的模拟方法, 有助于指导和优化金属增材制造的工艺参数和流程, 从而制备出性能优异的金属材料. 本文发展了基于连续体假设的热传导模型与元胞自动机相结合的模拟方法, 并利用生死单元方法, 考虑晶粒的重熔和再生长过程, 解决了金属增材制造中多层粉末制造的数值模拟问题. 本文采用该方法模拟了镍基合金IN718、不锈钢316L和高熵合金FeCoCrNiMn的增材制造过程, 并获得了这些增材制造合金的典型材料微观组织, 其模拟结果与实验结果相吻合. 同时, 将该方法拓展到三维尺度的模拟, 研究了镍基合金IN718增材制造过程中三维晶粒的形核和生长. 最后, 对金属增材制造过程中材料微观组织演化的模拟研究中的主要问题进行了总结和展望.      

高速列车设计和服役关键力学问题专题序

我国高速铁路运营里程及高速动车组保有量均占世界2/3以上,稳居世界第一.我国高速铁路“四纵四横”干线网已建设完成,并正在以形成“八纵八横”主通道为骨架、区域连接线衔接、城际铁路补充的高速铁路网方向发展。高速列车作为高速铁路核心装备,是当代多种尖端科技在交通领域上的充分运用,其运行速度、综合舒适度、安全性、可靠性、节能环保等性能指标代表了高速铁路的科技水平.《力学学报》组织了《高速列车设计和服役关键力学问题》9篇研究或综述论文,旨在反映我国高速列车骨干制造企业、研究机构、高等院校的科技人员在高速列车设计和服役关键力学问题的最新研究进展,以促进学术交流,供从事该行业和领域的读者参考。     

颗粒材料计算力学专题序

正颗粒材料及相关问题广泛存在于地质灾害、岩土工程、化学工程、环境科学和交通运输等诸多领域.这些问题的解决都直接涉及到对颗粒材料基本力学性质的认知程度.颗粒材料计算力学的理论和分析方法为这种集随机性、非线性、多尺度和非平衡等特征于一体的典型复杂系统的定量化研究及其在环境和工程中     

颗粒材料计算力学专题序

颗粒材料广泛地存在于自然环境、工业生产和日常生活等诸多领域, 其受加载速率、约束条件等因素的影响具有复杂的力学行为. 颗粒材料常与流体介质、工程结构物耦合作用并共同组成复杂的颗粒系统, 并呈现出非连续性、非均质性的复杂力学特性. 目前, 离散元方法已成为解决不同工程领域颗粒材料问题的有力工具, 然而其在真实颗粒形态的构造、接触算法、颗粒与流体及工程结构的耦合模型、多介质和多尺度问题, 以及高性能大规模计算等方面仍面临着诸多亟待解决的问题.《力学学报》组织了“颗粒材料计算力学”专题的7篇综述或研究论文, 分别从研究进展、理论模型及工程应用方面反映了颗粒材料计算力学研究领域上的最新研究进展, 为颗粒材料计算力学交叉领域的研究提供参考.      

颗粒材料计算力学专题序

<正>颗粒材料是由大量不同形状、尺寸的离散颗粒及其孔隙介质组成,具体表现为自然界中的滑坡、沙尘、工程结构中的土体、混凝土、工业生产中的矿石、谷物等,是自然环境、工程应用和日常生活中出现最广泛的材料之一.由于颗粒材料在微尺度下的形态复杂性、非均质性和随机性,其在宏观尺度上也呈现出复杂的力学行为.当颗粒材料与其周围流体、工程结构发生耦合作用时,则会呈现出更加复杂的多尺度、多介质力学特性.采用数值方法对颗粒材料中的力学问题进行深入     

发动机中的关键流体力学问题专题序

化学燃料发动机通过燃料与氧化剂燃烧, 将化学能转换为工质动能, 使机械结构运动或形成高速射流产生冲量而产生动力. 其中, 吸气式发动机利用稠密大气中的氧气, 大幅降低氧化剂携带需求, 具有较高的能源转换效率; 增压式发动机依靠自身增压系统实现燃料和/或氧化剂增压输运, 具有较强的环境适应性. 针对多种天地活动需求, 不同的动力循环方式有效支撑了各类运载任务, 是运载系统的关键技术之一.      

计算智能与力学反问题中的若干问题

计算智能是生物智能的计算模拟,包括人工神经网络、模糊系统和进化计算三个主要部分．参考国内外有关计算智能与力学反问题研究中的某些问题,并结合作者的研究工作,介绍了有关课题的研究状况以及目前的研究进展．     

反问题与计算力学

从系统科学的观点,介绍了反问题的概念、提法和分类,并阐述了解反问题的困难及其与解正问题的区别,最后一节综合地分析了反问题与计算力学的关系和相互影响。     

页岩油气高效开发中的基础理论与关键力学问题

我国页岩油气开发刚刚起步,许多基础理论和关键科学（力学）问题亟需明确和解决．本文按页岩油气开发的全过程自然地将其分为四个相互关联的科学问题展开介绍和讨论,包括：页岩工程地质力学特征与预测理论,地质力学找到气;多重耦合下的页岩油气安全钻井完井理论,钻井完井够到气;页岩地层动态随机裂缝控制机理与新概念压裂理论,体积压裂释放气;页岩油气多尺度渗流特征与开采理论,解吸运移产出气．本文提出用水力压裂创造页岩传气能力,用气体二次压裂页岩基质来解决气源问题,实现水力压裂创造的页岩传气能力与页岩基质气体供应能力相匹配,避免“断气”现象发生,最终达到页岩气可持续性开采．解决这些关键科学（力学）问题可以为页岩油气高效开发奠定可靠的基础,具有重要的理论意义和应用前景．     

弥散核燃料燃烧演化过程中的关键力学问题

为了实现核能的可持续发展,需要研发第四代先进核能系统,其同时具有高安全性、高经济性、核废料最小化和防核扩散的特点．加速器驱动的次临界系统（Accelerator-driven Subcritical System, 简称ADS）是具有上述特点的一种先进核能系统,弥散核燃料在其中具有良好的应用前景．弥散核燃料是一种非均质核燃料,在结构上类似于颗粒复合材料,也称为惰性基体燃料．本文主要针对ADS用弥散核燃料,给出其在反应堆高温、高压和辐照环境中的关键力学问题,阐述其所具有的多尺度和多场耦合特征,介绍在理论建模和数值求解等方面的相关研究进展,并提出研究展望．     

风沙运动研究中的若干关键力学问题

针对沙漠化（严重时导致沙尘暴发生）这一国家关注的重大环境的问题,在简要介绍风沙运动力学机理研究的主要发展阶段和部分最新研究进展的基础上,提出了风沙运动研究中值得关注的若干关键力学问题。     

水利水电工程中的一些力学计算问题

水力学是历史悠久的学科。国民经济建设的很多方面皆和水力学有密切关系,提出了很多新的研究课题,所以水力学的内容不断扩大。研究水力学的方法不外三类,即实地观测、室内试验和数学分析。用数学方法分析水力学的学科常被称为水动力学。以往用数学分析方法的缺点是,不从基本微分方程中略去某些项就不容易得出解答,而略去后解答又很难反映实际流动。近20年来计算技术发展很快,为数学方法的发展和应用创造了条件,水力学领域中也逐渐广泛应用了数值计算方法。