小行星撞击地球的超高速问题

小行星撞击地球是人类生存面临的潜在威胁之一.在小行星进入地球大气与撞击地球表面过程中,存在烧蚀、解体、空中爆炸、火球、撞击成坑、反溅碎片云、地震以及海啸等一系列复杂的物理化学和力学现象.本文梳理和归纳了与这些现象相关的超高速空气动力学问题和超高速碰撞动力学问题.小行星进入地球大气的超高速空气动力学问题有:极高速($V = 12 ~ 20$km/s)进入条件下的气动力与轨迹,极高速进入条件下的小行星气动加热与烧蚀机理,极高速气动加热条件下的小行星结构传热与热响应,极高速进入条件下的高温气体效应,小行星进入过程的物理特征.小行星撞击地球的超高速碰撞动力学问题有:陆地撞击成坑与反溅碎片云,海洋撞击与海啸,撞击过程的地震效应.由于小行星撞击地球与超高速飞行器的再入过程在速度、材料和结构上存在较大差异,针对这些超高速问题,现有的研究手段在地面试验和数值计算两方面都存在不足.最后,从小行星进入地球大气的弹道方程、质量损失方程、解体判据和解体模型等出发,初步建立了小行星进入与撞击效应分析评估模型,并对Chelyabinsk和Tunguska两次流星事件进行了分析,重构了进入与爆炸解体过程,评估了空爆火球在地面所导致的超压和热辐射损伤.      

折纸结构和折纸超材料动力学研究进展

折纸结构和折纸超材料由于其无穷的设计空间,突出的变形状、变大小、变拓扑特性,以及由折叠诱发的超常规力学特性,在最近几年迅速成为数学、物理和工程学科的研究前沿和热点.折纸结构和折纸超材料在航天、医疗、材料、机器人等众多工程领域具有广泛的应用前景,其典型的代表包括大型空间可展开结构、自折叠可重构机器人、微型可折叠器械等.随...     

工程地质学发展趋势刍议

环境工程地质学是工程地质学发展的新阶段,它囊括并发展了工程地质学的所有问题。作为研究工程建设与地质环境相互作用的环境工程地质学,有待于进一步发展为工程环境灾害学──一方面,由于各种自然环境恶化和灾害间的相关性和因果性（环境恶化链、灾害链）,研究似宜不限于地质环境和灾害（当然后者仍是重点）,而适当扩大至土地环境、水环境和社会环境。作为一门应用地质学的环境工程地质学及其母学科工程环境灾害学将具有力学、地理、经济三大支柱,首先力求地质学与地理学的相互渗透和融合。另一方面,由于各种人类活动间的相关性和因果性（活动链）,所研究的人类活动似宜不限于工程建设和运行,而适当扩大至采矿和水事活动,包括开采地下水和排污。后者引起的环境恶化和灾害尤为严重,正酿成危机。其根本出路不仅在于科技进步,而且在于文化调节,力求科技与文化的相互渗透和融合。     

针尖的化学物理力学研究

扫描探针显微镜的发明, 使人们了解纳米、分子和原子尺度的超微结构, 探测原子、分子间的力、电、磁及其复杂的物理和化学性质, 以及进行单原子、单分子操纵 成为现实. 本文从探针技术与表面化学物理力学耦合的角度出发, 首先对针尖的化学物理力 学研究领域进行了概述, 接着介绍了针尖的几种重要的化学修饰方法, 包括金属薄膜、自组 装单分子膜、胶体粒子及碳纳米管修饰; 然后以理论与实验结合的方式介绍了几个研究活跃 的领域: 表面力及分子间力(主要包括Van der Waals力, 双电层力, 憎水亲合力, Casimir力和单键力等)的理论描述与测量, 针尖的化 学物理力学在化学力滴定和表面化学识别等研究中的应用. 讨论了针尖与基底材料对测量力 的影响. 而这些复杂的原子、分子相互作用和物理、化学、力学及生物特性的实现均发生于 小小针尖上, 由此我们提出了``针尖力学'的概念. 并且指出多场(如电场、磁场、超声、 微波等)作用下, 针尖的化学物理力学研究将成为力学交叉学科研究的重点和热点.     

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.     

低维碳和氮化硼材料的物理力学研究进展

碳纳米管、石墨烯和六方氮化硼等低维材料具有优异的力学和电学性质,已经引起广泛的科学兴趣。然而由电荷、分子轨道、电子结构和自旋态构成的低维材料的局域场与力学变形、机械运动和物理化学环境等外场间往往存在强烈耦合,这导致低维材料会呈现出新颖独特的物理力学性能。论文对近年来碳纳米管、石墨烯和六方氮化硼等低维材料的力学性能、力电耦合与器件原理、表面和界面结构性能调控、层间相互作用、能量耗散和摩擦等物理力学方面的研究进展进行了简要综述,并讨论了利用低维材料多场耦合特性和结构性能关联发展新型功能器件的方法和途径,以及纳米力学和纳尺度物理力学的前沿和发展趋势。     

人体生物摩擦学的研究现状与展望

介绍了人体生物摩擦学的概念,分析了头发、眼睛、皮肤、牙齿和关节等系统的生物摩擦学研究现状,就血液、人工心脏泵、人工心脏瓣膜和食品味觉的生物摩擦学研究方向进行了展望.指出当前人体生物摩擦学研究的关键科学问题主要包括人体摩擦副的特殊摩擦学行为及机理、模拟人体生物环境条件的人工器官摩擦磨损试验方法研究、人工材料在体内的生物摩擦学行为反应预测及磨粒在体内的生物反应和临床病症的评定.     

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.      

Extreme mechanics

With the development of cutting-edge sciences and new technologies, we have to consider the size, the density, the hardness, the stiffness and other properties of engineering materials and structures beyond the conventional ranges, as well as their mechanical behavior in extreme environments, such as ultra-conventional temperature, speed, physical and chemical fields, and severe weather, and more effective theories and methods of mechanics are required. This paper first gives the fundamental definition and the scientific connotation of extreme mechanics, then reviews the studies of extreme mechanics from three aspects: the extreme properties, the extreme loads, and the discipline development, as well as major engineering and scientific challenges. The characteristics of extreme mechanics and major challenges in the aspects of mechanical theory,computational methods and experimental techniques are discussed. Prospectivei developments of extreme mechanics are suggested.     

航天器动力学与控制的研究进展与展望

开展航天器动力学与控制的研究在航天技术的发展中起到举足轻重的作用, 其目的在于发展有效的方法促使航天器在各阶段平稳可靠地运行. 航天器技术发展迅速, 其形式日趋多样化, 功能与构造日趋复杂,已经向大型空间站、微小卫星、深空探测等方向发展. 航天器结构表现出多耦合、非线性、极端外界环境, 以及大尺度柔性结构等特征, 由此激发起航天器动力学与控制领域各方向的深入研究. 航天器动力学与控制的研究方法覆盖理论分析、数值仿真, 以及实验模拟等诸多方面, 研究内容十分丰富. 本文概括介绍了近年来航天器动力学与控制研究方面的发展状况, 综述了跨航天器动力学与控制、航天器系统级动力学与振动控制、航天器部件级动力学与振动控制等航天领域中的若干基础问题. 内容主要集中于航天领域中不同应用范围、不同层次结构的航天器动力学模型的建立和动力学响应与振动控制的研究方法及已取得的成果. 最后, 提出了该领域中值得进一步考虑的科学问题及未来的发展方向.      

微/纳米制造技术的摩擦学挑战

评述了国内外航天、信息和军事等高技术领域中微/纳米制造技术的研究现状和发展趋势,介绍了微/纳米制造技术特征及其关键技术问题,揭示了当器件的尺度由毫米量级减小到微米甚至纳米量级时,微器件材料表面和界面的摩擦学(摩擦磨损及润滑)、力学和化学等及其控制方法是微/纳米制造研究中急需解决的关键技术问题.这些问题的解决对摩擦学研究提出了严峻挑战,新的摩擦学理论和技术的出现将为微/纳米制造技术的发展以及相关问题的解决提供保障.     

城市地质图的特点·编图原则·方法

论述了城市地质图的主要特点、编图原则和方法, 其主要内容概括如下: (1)编制城市地质图的重要意义首先在于为不断完善和适应城市建设和发展的需要, 更好地使地质工作为城市建设总体规划和政府决策服务, 同时为具体工程设计和施工提供基础资料。其次为合理地开发利用城市土地资源、保护城市地质环境提供科学依据。(2)城市地质图是一个具有以专业地质规划目标与工程地质要求、城市发展总体效益评估为内容的系列图件, 是一个分别具有适应于地质专业人员、城市规划设计工程师和政府决策管理官员需要的多功能特点的系统性图件。(3)城市地质图编制原则, 第一在于客观性; 第二为评价性; 第三为预测性; 第四为实用性。前三项是前提和基础, 后者为目的。力求做到内容准确、明晰可读、易懂, 紧紧围绕城市规划设计和政府决策对地质技术的要求进行。(4)城市地质图包容了基础地质图类、分析评价图类、效益决策评估类三个等级的功能各异的图件, 在制图方法和程式上体现了图件的等级—内容—性质—用途的统一、技术性与管理决策的统一。     

石崆山Ⅱ段岩质高边坡稳定性的工程地质系统分析研究

岩质高边坡稳定性的分析评价涉及工程地质学、岩体力学、计算科学等多学科交汇的问题,是一较为复杂的系统工程问题。在系统分析岩质高边坡赋存的地质背景和环境条件的基础上,采用系统分析评价、综合集成的方法应是研究分析和解决该问题的有效和最佳方法。针对漳—龙高速公路石崆山Ⅱ段岩质高边坡工程,在系统分析边坡工程地质特性的基础上,采用赤平极射投影法和有限单元(FEM)法等,进行综合评价和系统分析,获得的稳定性结论,已正常运营使用若干年,反映了系统分析,综合评价方法是成功和有效的。它表明,综合评价、系统分析应是岩质高边坡稳定性评价分析的重要途径;它的综合内容和集成方式及其完善与工程实用性,有待进一步深入的研究和工程实践的运用及其经验的积累。     

高熵合金强韧化理论建模与模拟研究进展

高熵合金因其优异的性能受到广泛关注,如高强度、高硬度、高韧性、高耐磨、高耐辐照、高耐腐蚀、高电阻、高耐热等,有望应用于核能、航天航空等重要领域和重大装备。从高熵合金制备、组织结构以及性能表征等方面开展的实验研究表明其独特的性质依赖于高熵合金高熵效应、晶格畸变和扩散迟滞。在微观尺度以及宏观尺度, 理论模型和数值模拟为研究高熵合金微观机理和力学特性提供了一种方法。建立从高熵合金的微观结构与变形机理到宏观独特力学性能的联系是一个多尺度的科学问题。最近,基于实验观察结果,采用多尺度的理论与模拟方法（第一性原理、分子动力学、离散位错动力学、晶体塑性有限元、微结构依赖的理论模型）,研究了高熵合金层错能、弹性模量、扩散系数以及相稳定性,揭示了高熵合金变形与强韧化机制。本文综述多尺度计算在高熵合金力学性能和变形行为方面的研究进展,并对高熵合金在原位变形实验、高通量技术以及机器学习方面的研究进行简要展望。     

温压炸药的特性及发展现状

温压炸药的爆炸涉及到起爆、爆轰、冲击波的传播与反射、多相湍流和多模化学反应等, 是一个多尺度、多物质、多因素、多物理场耦合过程, 深化温压炸药高效释能的关键基础理论, 揭示温压爆炸的反应机理并有效控制和利用是温压武器创新发展的关键科学问题, 对高威力温压炸药的配方设计、温压武器的研制和使用具有重要指导意义. 本文描述了温压爆炸的基本原理, 讨论了温压炸药的概念和内涵, 从炸药种类、释能特点、能量构成、爆炸反应机制、爆炸效应增强机理、杀伤机制等方面阐述了温压炸药的特征, 分析了温压炸药有限空间内部爆炸威力的评估方法以及温压炸药的研发状况, 并提出了相关发展建议, 以期为高威力温压炸药的设计、温压弹的研制及毁伤评估提供指导.      

轴向运动弦线的纵向振动及其控制

综述轴向运动弦线纵向振动及其控制问题的研究进展.多种工程 系统如动力传送带、磁带、纸带、纺织纤维、带锯、空中缆车索道等均 涉及轴向运动弦线的纵向振动.对线性模型而言,除早期结果外,总结了 运动弦线的模态分析、具有复杂约束和耦合的运动弦线振动和运动弦线 参数振动的近期研究.对非线性模型而言,提出了轴向运动弦线大幅纵向 振动的运动微分方程,概述了离散化和直接近似解析分析、用黏弹性材 料模型化阻尼机制和动力传输系统的耦合振动研究的新进展.讨论了轴 向运动弦线振动主动控制的研究现状,包括能控性和能观性,控制分析的 频域方法和能量方法,振动的自适应控制和非线性振动的控制.最后指出 该研究方向今后需要研究的若干重要问题,包括运动弦线的非线性动力学 行为、黏弹性运动弦线的振动、含运动弦线的混杂系统的控制和轴向运 动弦线非线性振动的控制.     

Contact stresses: a short survey of models and methods of computations

Contact stresses are identified as normal and tangential forces between contacting solids. The normal stresses are modeled using unilateral and complementary conditions, elastic response and normal compliance. Friction laws describe the tangential traction. Friction of materials depends on pressure, sliding velocity, surface temperature, time of contact, surface roughness and presence of wear debris. Phenomenological, micro-mechanical and atomic-scale models as well as non-classical models of anisotropic and heterogeneous friction are important steps in the development of friction modeling. Sophisticated friction models are desirable in vibrating systems, materials processing, rolling contacts, rubber and polymers, geomechanics, bioengineering and living systems. Main numerical methods in contact mechanics are: finite element method, boundary element method and discrete element method. To include specific contact constraints, the following computing techniques are applied: Lagrange multipliers, penalty function, perturbated and augmented Lagrangian methods, mathematical programming methods. The advances of adhesion and impact modeling are outlined in this paper.     

论混合式惯性导航系统

惯性导航系统是当代空、天、海、陆各类先进运载器所不可或缺的一项自主导航定位装备。简要回顾了平台式、捷联式以及旋转式惯导系统的发展历程和各自优缺点,在此基础上提出了集平台式、捷联式和旋转式惯导系统优点于一体的混合式惯导系统新技术途径。介绍了这种新型惯导系统的概念、原理、特点、关键技术,样机实验结果验证了该技术途径的优越性和可行性,为该系统的未来研发和应用提供了技术基础并指出了研究方向。     

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.