2. 浙江大学工程力学系, 杭州310027;
3. 国家自然科学基金委员会数理科学部, 北京100085
固体力学作为一门兼具基础性和应用性的学科,已在机械、土木、航天、航空等传统领域中取得了令人瞩目的成就并仍将继续发挥基础性乃至关键性的作用. 然而进入21世纪以来,纳米、生物和信息的研究得到快速发展和先后崛起,现已成为世界上最具影响力的三大科技领域. 如何让作为传统学科的固体力学与这三大领域以及其他诸如复合材料等新兴战略方向有效地结合,如何让固体力学在国家重大科技计划中继续发挥重要乃至中坚作用,继而做出开拓性贡献,这既是固体力学发展所面临的新挑战,同时也是促进固体力学得到新一轮快速发展的重大契机. 只有通过与新兴学科方向与领域的交叉和融合,同时结合国家的重大科技战略,固体力学才能不断地拓宽研究领域和研究手段,才能进一步实现自身的发展和完善,最终提升国家科学技术的整体水平. 为把握当今科学技术发展的新趋势,应对国家重大需求所提出的新挑战,固体力学青年学者必须对学科的发展进行深入的思考和研讨,提炼出新的共性问题、开拓新领域、发展新方法,牢牢抓住新时期固体力学发展的新契机,从而促进这一传统学科快速而健康地发展. 同时,为保证固体力学学科的可持续发展,必须重视和促进青年学者们的成长,为学科的未来发展提供人才队伍支撑. 有鉴于此,国家自然科学基金委员会数理科学部发起,并联合中国力学学会青年工作委员会共同主办了``全国固体力学青年学者学术研讨会'',此系列研讨会旨在为活跃在固体力学研究第一线的40岁以下的优秀青年学者打造一个学术交流和合作的平台,并就固体力学发展的新趋势以及所面临的挑战性科学问题进行深层次的探讨,以此推动固体力学这一传统学科的快速发展和促进青年学者们的快速成长.
2014年8月26---28日,继在浙江大学、西南交通大学、西安交通大学、华中科技大学和大连理工大学先后成功举办了五届后,由兰州大学土木工程与力学学院和西部灾害与环境力学教育部重点实验室承办的``第六届全国固体力学青年学者学术研讨会''在甘肃兰州顺利召开. 中国力学学会青年工作委员会主任委员浙江大学陈伟球教授和兰州大学王记增教授共同担任会议主席,王记增教授具体负责会议组织,来自国家自然科学基金委员会以及全国30余所高校和科研院所的60余位优秀中青年专家学者参加了本次研讨会,其中包括1位中国科学院院士、14位国家杰出青年基金获得者,以及50余位获得过国家自然科学基金资助的40岁以下的优秀青年学者.
会议开幕式由王记增教授主持. 兰州大学副校长潘保田教授首先代表兰州大学向各位参会人员表示热烈欢迎,就国家自然科学基金委员会数理科学部以及兄弟院校对本次研讨会的大力支持表示感谢. 随后他简要介绍了兰州大学的基本情况以及兰州大学力学学科的发展历程和取得的成绩,勉励各位与会学者珍惜此次机会,深入、全面地加强交流与合作,促进力学学科的共同发展. 国家自然科学基金委员会数理科学部力学科学处詹世革处长在致辞中强调了召开此系列研讨会的目的和意义,希望青年力学工作者利用好学术研究的黄金时段,结合国家需求,把握固体力学发展新趋势,扎扎实实地深入开展科学研究. 中国力学学会秘书长清华大学冯西桥教授、陈伟球教授分别代表中国力学学会和青年工作委员会对此次研讨会的成功召开表示祝贺,就兰州大学对本次会议的支持以及会议承办单位的辛勤工作和出色组织表示感谢,希望参会的青年学者们能够借此机会,相互学习,加强合作,促进共同发展. 最后,中国科学院院士、发展中国家科学院院士、兰州大学力学学科带头人、现任西安电子科技大学校长郑晓静教授结合国家的重大需求和自身从事科学研究工作的经历,就固体力学发展的新趋势、所面临的挑战性科学问题以及青年学者们所面临的机遇和挑战,跟各位参会代表分享了自己的思考和看法,鼓励青年学者们着眼于国家的现实需求,勇于挑战、敢于担当,为促进固体力学学科的发展和国家科学技术水平的提高积极贡献力量.
本次研讨会上,西安交通大学王铁军教授、大连理工大学郭旭教授和兰州大学周又和教授做了大会特邀报告. 王铁军教授在题为《高端装备制造的基础科学问题与国家重大需求》的报告中,就大飞机、燃气轮机以及深海平台等国家重大科技计划中存在的诸如新型材料的制备与应用、热防护技术以及流固耦合等关键性基础力学问题进行了深入的阐述,鼓励青年学者们从国家的重大需求中寻找研究课题,在从事基础研究工作的同时为解决国家的现实需求贡献力量. 郭旭教授以《结构优化理论、方法与应用的若干新进展》为题系统地介绍了其研究团队所建立的多物理场耦合系统拓扑优化理论和相关的算法,并具体展示了这一理论在航天航空材料轻量化以及其他诸多领域中的重要应用. 周又和教授与合作者王记增教授在题为《求解强非线性问题的小波封闭解法及其应用》的报告中,系统地阐述了他们所建立的定量求解强非线性问题的小波封闭解法,展示了其在力学、物理等领域中的应用. 这三个大会特邀报告内容丰富精彩,既涉及大飞机专项等国家重大需求以及结构优化等学科研究前沿,也包含有强非线性系统的高精度定量求解等学科发展中遗留的共性难题,同时3位教授还在报告中毫无保留地跟大家分享自己从事科学研究工作的经验和心得体会以及对新时期固体力学发展的思考. 这些均使青年学者们受益匪浅,为解决青年学者在科研起步阶段所面临的困惑,帮助他们确定合适的研究方向提供了一些非常有益的指引和建议.
在本次研讨会上还有50位从事固体力学研究的40岁以下的青年学者报告了他们的最新研究进展. 这些报告内容丰富精彩,涵盖了新型材料的分析与设计、纳米力学与生物力学、多物理场耦合力学以及计算力学和工程应用等众多领域. 下面就这四个方面进行简单的介绍.
1 新型材料与结构材料是人类赖以生存和发展的物质基础,是人类用于制造物品、器件、结构、机器或其他产品的基本要素. 自20世纪80年代以来,新型材料或结构、信息技术和生物技术已并列成为新技术革命的重要标志. 这主要是因为材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关,故而新型材料的开发、制备与应用水平已成为衡量一个国家科技水平与工业水平的一个重要指标. 正因如此,国内外一大批力学工作者在新型材料的研究上倾注了极大的精力. 在参与本次研讨会的青年学者中,就有30余位的研究与新材料相关.
裴永茂在报告《复合材料与结构的热膨胀调制设计方法》中介绍了一套调节复合材料热弹性特性的技术方案,并详细研究了基本材料、几何尺寸以及构成方式对复合材料或结构热弹性性能的影响,据此给出了可有效减小复合材料内部热应力的方法. 这一研究为复合材料在复杂热环境中的应用奠定了基础,同时也为设计具有特殊热弹性性质的材料提供了理论指引.
姚海民在题为《断裂控制:一种基于仿生学的阻止裂纹扩展的策略》的报告中,介绍了其受贝壳启发设计出来的一种新型复合材料. 他通过实验和仿真研究发现,在拉伸、弯曲以及冲击工况下,参照贝壳的材料组份与微观结构制备出来的复合材料由于具有一种自我阻碍裂纹扩展的能力,所以较之常规材料能够承受更大的载荷,尤其是冲击载荷和交变载荷. 因其具有优良的抗冲击和抗疲劳损伤性能,这一新型仿生材料在航天航空等诸多领域中具有广阔的应用前景.
张雄在报告《轴压多胞薄壁结构能量吸收研究进展》中,介绍了其基于对多胞薄壁结构的能量吸收性能进行实验,理论和数值研究,所建立的轴压条件下复杂截面多胞薄壁结构的理论分析方法. 并通过将复杂截面分解为基本结构单元,详细研究了角度、宽度和厚度等因素对基本单元的变形模式和能量吸收性能的影响,进一步完善了相关理论. 这一研究目前已在基本板壳单元和变厚度板壳单元方面取得进展,且通过实验进行了验证. 这些理论研究有望为设计轻质高效具有良好抗撞性能的多胞薄壁结构提供了相关依据和指导.
马力在题为《基于点阵结构的功能结构一体化设计》的报告中介绍了一种针对让现有复合材料点阵夹芯结构具备若干特殊功能的一体化设计方案. 如将电子元器件集成于复合材料点阵夹芯结构中,可设计制备出兼具电气功能和结构承载功能的轻质多功能结构. 另外基于全复合材料点阵夹芯结构优异的比刚度和比强度性能,再结合黏弹性阻尼材料的高阻尼特性,可设计制备出兼具结构承载功能和减振降噪功能的多功能结构. 这些研究表明,通过利用点阵夹芯结构的开放空间,开发出工程所需的其他功能是切实可行的.
阚前华在报告《NiTi形状记忆合金循环相变的实验和本构模型》中,详细介绍了其基于广义塑性理论框架,并通过考虑循环相变诱发塑性和马氏体的不完全逆相变,建立的能够合理描述循环相变行为的宏观唯象本构模型. 在此基础上结合形状记忆合金在循环相变过程中的塑性耗散生热和相变潜热,进一步给出了热力耦合的循环相变本构模型. 通过与实验对比研究证实,该模型能够合理预测多晶形状记忆合金在不同加载路径和不同应变率下的循环相变行为.
李翔宇在题为《二维准晶的轴对称接触问题》的报告中介绍了其在准晶材料的接触问题研究中的最新进展. 他从二维准晶弹性力学的基本方程出发,利用半空间的格林函数和势理论方法,系统地研究了平底圆柱、锥形和球形这3类典型压头的接触问题,为利用压痕法测定准晶的材料参数提供了理论模型.
李卫国在报告《陶瓷材料高温强度理论与抗热冲击性能研究》中,介绍了其针对脆性材料及单晶材料建立的温度相关性强度模型. 该模型给出了不同温度下强度与弹性模量间的定量关系,且预测结果与试验结果取得了非常好的一致性. 同时这一模型中不包含任何拟合参数,基于此模型可实现现有条件下难以进行的材料高温强度预报,进而为陶瓷材料的工程应用提供基本的依据.
卢同庆的报告《介电弹性体的稳定性及其应用》研究了介电弹性体的失稳特性,发现机械载荷形式与边界条件对屈曲临界载荷具有显著的影响,据此给出了提高介电弹性体稳定性的方法,同时还研究了通过控制介电弹性体失稳来实现结构大范围运动的控制策略.
刘广彦在报告《纤维增强复合材料的破坏分析》中讨论了复合材料的失效问题. 他利用实验与仿真技术系统地研究了复合材料的基体断裂、增强纤维断裂以及界面脱离这3种典型的破坏模式,并详细讨论了具有不同材料组合、空间结构以及粘合方式的复合材料的失效模式.
宋吉舟在题为《可延展柔性电子力学》中,讨论了兼顾集成度和可延展性的可延展柔性结构的设计方案,并详细研究了此类可延展柔性电子器件的的动力学性能、可靠性以及其热-力-电耦合性能. 研究揭示了可延展柔性无机电子结构的变形机理、控制结构柔性以及延展性的各种因素. 如通过使用预应变方法可将脆性硅带和功能器件-互联导线结构的延展性分别扩大至30%和100%,并探讨了其中的变形机理,从而为可延展柔性无机电子技术的发展应用奠定了理论基础.
谢淑红在报告《多铁复合纳米纤维的力学性能测试》中,介绍了其分别采用纳米压痕技术和原子力显微技术测得的PZT和CFO以及具有不同摩尔比的PZT-CFO纤维这3种材料的力学参数. 通过分析实验所得的加载-卸载曲线,分别得到了3种材料的杨氏模量和硬度. 结果表明PZT纳米纤维的杨氏模量和硬度最大,CFO纳米纤维的杨氏模量和硬度最小,PZT-CFO复合纳米纤维的杨氏模量和硬度随着其摩尔比的增加而降低. 同时实验还发现样品的形貌对测试的结果具有显著的影响,基于不同平整度的测试样品获得的实验数据分散度很高,实验结果的可靠性需要进一步深入研究.
许向红在题为《陶瓷热震条件下的多裂纹扩展机制》的报告中,通过数值仿真技术研究了陶瓷在热载荷作用下的裂纹扩展规律. 仿真结果表明在热震作用下,初始时刻材料表面几乎同时产生了许多裂纹,并且还有向内部扩展的趋势. 随着时间的推进,部分裂纹首先发生止裂,且这些已经止裂的裂纹在材料里均匀分布,而没有止裂的裂纹则继续保持原有状态继续向内部扩展直至所有裂纹都止裂,最终形成长短交替分布的裂纹斑图. 进一步深入研究发现出现这一现象的原因在于热震开始后,裂纹在弹性应变能的驱动下开始扩展. 此时弹性应变能过剩,裂纹处于非稳态扩展阶段,扩展速度不稳定,裂纹长度之间略有差异. 但随着时间的推进,弹性应变能已不足以驱动所有裂纹同时扩展时,所以部分裂纹发生止裂. 同时研究还表明多裂纹同时扩展时存在相互影响,长裂纹对其周围的短裂纹的扩展有抑制作用.
周萧明的报告《声波超材料理论与应用》介绍了其在超材料这一类可改变声传播轨迹的复合材料,在声波突破衍射极限成像和声隐身方面的最新研究进展,并重点展示了一种固体基声波聚焦透镜模型. 同时,他还介绍了薄板型超材料的动态等效理论,以及此类材料在声波隐身方面的应用.
蒋晗在报告《高分子材料刮擦实验及机理研究》中介绍了一套测定高分子材料弹性模量、硬度和抗弯刚度等基本力学参数的实验方案,并展示了具体实验装置的架构以及一些初步取得的实验结果. 对比研究表明,此种测试手段相对简单易行,实验装置投入较少,而实验精度也比较好.
上述学者的研究一部分注重于新型材料和结构的开发设计或现有材料的优化,力求开发出具有更为优异的力学性能或能兼顾平衡各种性质的新材料来满足工程实践中的需求. 同时也有部分学者专注于现有新材料力学性能的研究,从而为这些材料进一步走向工程应用奠定基础.
2 微纳米与生物力学生物和微纳米科技正迅速且广泛地影响到我们日常生活的工程化方向发展,在这一进程中,具有``工程科学''特征的力学正扮演着越来越重要的角色. 由此,生物力学和微纳米力学已成为当前力学的最活跃的两个研究领域,是当今力学学科发展的新的驱动力和生长点,是力学与生命科学、材料科学以及工程技术进行结合的最前沿. 有鉴于此,目前国内有一大批中青年学者活跃在微纳米力学和生物力学研究的前沿,并已取得了许多令国际同行认可和赞赏的成果. 在本次研讨会上共有10余位青年学者介绍了他们近年来的最新研究进展.
方棋洪在报告《纳米晶体材料晶界变形对裂纹尖端场的影响机制》中介绍了其在纳晶材料断裂破坏研究中的最新进展. 相关结果表明纳晶材料裂纹尖端特殊的旋转变形对其断裂韧度有着显著的影响,对于部分纳米晶体材料,如镍纳米晶,存在一个临界晶粒尺寸对应着最大的断裂韧性. 这一研究成果为纳晶材料的制备和应用提供了非常有益的理论依据和指导.
徐志平在题为《低维材料力学中的拓扑缺陷与几何效应》的报告中,研究了存在缺陷的一维和二维纳米材料的力学性能. 研究表明由于缺陷的存在会显著地降低纳米材料的力学性能,并且缺陷的几何尺寸对材料的力学性能也有着非常明显的影响. 由于在材料制备过程中、尤其是批生产过程中,不可避免的会存在各种各样的缺陷,故而这一研究对于纳米材料的真正应用具有非常重要的理论参考价值.
李群仰的报告《纳米尺度摩擦:温度、速度及表面吸附的影响》介绍了近些年对不同材料接触界面纳米尺度摩擦的实验和理论研究. 相关结果表明以石墨烯为典型代表的二维纳米材料具有独特的摩擦性能,即摩擦力的大小与样品的分子层数及其褶皱状态紧密相关,同时材料表面分子的官能化对其摩擦行为也有显著的影响,并在实验中首次观测到了经过氟化修饰后的石墨烯的纳米尺度摩擦力随着压力增加而减小的``反常''摩擦行为. 而对于压电/铁电材料的表面摩擦行为,初步实验结果表明,可通过对导电压头施加特殊的交变电压激励,实现材料表面摩擦近乎为零的状态,这或将为固---固超润滑的实现提供一种全新的思路.
李晓雁在报告《纳米孪晶金属中的一种新的位错强化机制:割接位错运动》中揭示了纳米孪晶金属的一种新的割接位错运动,并且进一步具体研究表明通过合理地控制此种位错运动可显著地提高材料的力学性能,如抗拉强度、断裂韧性等. 这一理论研究为设计制备新型纳米孪晶金属提供了非常有益的理论依据和指导.
钱劲在题为《纳米颗粒-表面黏附:统计的JKR接触模型》的报告中介绍了其建立的考虑了分子键随机结合断开过程的描述纳米颗粒与表面黏附过程的动力学模型. 这一模型全面考虑了纳米颗粒与基体的弹性,以及分子键的力化耦合特性和随机性,较之原有模型能够更为精细的描述纳米颗粒与基体的黏附行为,从而可以更准确地理解和认识纳米颗粒与基体的相互作用.
施兴华的报告《纳米颗粒/细胞交互作用中的力学问题》通过实验研究了纳米颗粒刚度对其进入细胞的影响. 相关结果表明刚度较大的纳米颗粒能够通过受体介导的方式快速进入细胞体内,而刚度较小的颗粒则附着于细胞膜表面. 进一步通过小鼠实验,发现携带药物的较硬的颗粒比较软的颗粒能够更加有效地遏制肿瘤的生长,证实了颗粒刚度在药物载体的设计中是一个非常重要的因素.
王建山在题为《螺旋的手性和反常旋转》的报告结合实验、微结构观测和理论模型,揭示了丝瓜卷须和纸条扭转带的多级手性传递的机制,分析了生物材料生长或组装过程中其内在扭率的来源及其形貌的尺寸效应. 并通过DNA单分子拉伸实验,从手性的变化阐释了DNA的非线性拉伸-扭转耦合现象,发现可通过微尺度手性和宏观手性的相互作用来调控材料的手性行为. 这些研究成果将有助于理解自然界中普遍存在的``手性生长之谜'',同时对于手性仿生材料的设计组装、性能和功能调控等也具有一定启发意义.
吴恒安在报告《石油工程中的关键力学问题:从微观机理到宏观设计》中介绍了其在石墨烯材料力学行为和设计、纳尺度流动和纳米流体力学行为、石油工程中的多尺度力学问题方面的进展. 其研究组采用数值模拟方法研究了石墨烯金属复合材料的抗冲击行为和机理,高频横波在石墨烯材料中传播的各向异性,非均质表面液滴的蒸发行为,含纳米颗粒液滴的铺展规律,含纳米颗粒液体增强驱油的机理等等. 同时他们还针对氧化石墨烯薄膜的离子输运、石墨烯包裹纳米线、石墨烯通过起皱实现自适应保护体积变化的纳米颗粒等开展了一系列的理论和模拟工作,有效地对一些现有实验结果进行了解释并揭示了一些新的机理.
杨洋的报告《考虑非局部剪切效应的碳纳米管弯曲特性研究》介绍了其基于哈密顿变分原理和非局部连续介质弹性理论建立的新型非局部铁木辛柯梁模型,并具体给出了碳纳米管的弯曲平衡方程以及常见边界条件的表达式,讨论了剪切变形效应和非局部微观尺度效应对碳纳米管弯曲特性的影响. 相关结果表明,碳纳米管的弯曲刚度随着小尺度效应的增强而升高,并且发现小尺度效应对自由端受集中力的悬臂梁碳纳米管也存在明显的影响,其刚度变化规律和其它约束条件的碳纳米管一样,而基于普通的非局部纳米梁模型则无法揭示出这一规律.
吴坚在报告《皮肤电子中元件与皮肤的接触研究》中研究了皮肤电子中电子元件与皮肤的接触问题. 通过理论建模及计算发现界面粘附性能和软基体的弹性模量对元件表面端部的压力影响较大,而对中部压力的影响较弱,同时多个元件之间的间距对其表面压力也存在显著的影响. 最后,他还研究了表皮的粗糙度对压力的影响,初步的结果表明这一因素必须加以考虑.
张作启在题为《多层级多功能生物材料与仿生》的报告中展示了其在生物材料力学和仿生方面的一些代表性研究成果,包括描述生物材料交错微结构的统一理论框架、超强仿胶原纤维碳纳米管纤维、生物材料的最优多层级设计、可通过机械应变调控的多层级多功能仿生表面等.
姜洪源的报告《受限空间中水渗透对细胞迁移的影响》介绍了其针对细胞迁移的理论与实验研究成果. 通过具体研究一个置于纳米管道之内的细胞迁移运动,发现细胞单独通过细胞膜渗透吸水和排水即可实现细胞的迁移. 这一研究成果有助于研究人员更为全面地认识影响细胞迁移的因素,对深入理解各种生理活动尤其是癌细胞的扩散过程以及癌症的治疗方面具有非常重要的意义.
以上学者在向与会同行展示其在微纳米科学、生物力学方面的最新研究成果的同时,还深入探讨了这两大前沿领域的发展趋势以及其中还需解决的一些基础性力学问题. 这次深层次的交流为实现他们之间的进一步合作提供了契机,尤其是其中既有专门从事实验研究的,也有擅长于理论分析或仿真技术的,相信通过促进理论、实验和仿真这三者之间的紧密合作必将会进一步提升我国在微纳米力学和生物力学领域的整体水平.
3 多物理场耦合力学多物理场耦合现象几乎存在于自然科学与工程技术中的各个领域,从最经典的热力耦合现象到智能结构中普遍存在的力电磁耦合直至目前 处于研究前沿的力化耦合问题. 随着自然科学和工程技术的不断发展,日益精细化和高效化,要求对自然界与工程系统中的各种多物理场耦合现象有一个深层次的 理解,掌握其中的基本规律,继而进一步指导人类的生产生活. 然而多物理场耦合问题的研究又有着自身的复杂性,从基础实验设计到理论建模以及求解技术都存在着各种各样的难题亟待解决,可 以说多物理场耦合力学既是目前基础理论研究的前沿阵地同时也是许多国家重大 需求中的关键性力学问题. 在本次研讨会上,共有10余位青年学者介绍了他们在多物理场耦合力学方面的最新进展.
郑跃在题为《铁电涡流态结构相变的力学响应及复合铁电结构电阻开关特性的力学效应研究》的报告中介绍了热电耦合作用下铁电材 料的相变规律以及对其力学性质的影响. 通过具体研究一铁电梁在不同电场和热环境下的力学响应规律,详细探讨了此类材料的热-电-力耦合特性,并就材料的应用给出了一些建议. 同时他还讨论了复合铁电结构电阻开关的机理以及控制策略,并就其设计给出了一些优化方案.
柯燎亮的报告《功能梯度材料的热弹性接触力学》针对功能梯度涂层结构的摩擦滑动热弹性接触问题开展理论研究,以探讨利用梯 度涂层改进热弹性摩擦接触损伤和滑移动态稳定性的可能性,并具体研究了平面应变状态下功能梯度涂层半平面在刚性绝热压头作 用下的摩擦滑动热弹性接触问题. 相关结果表明,通过调整涂层材料的梯度分布形式可改变表面接触应力和表面温度的分布,进而实现对表面热弹性接触损伤的抑制, 同时还发现通过适当调节涂层材料梯度变化类型可有效地减小表面张拉应力和表面温度.
李法新在报告《结合自身经历浅谈固体力学发展新机遇》中首先介绍了其课题组在铁电单晶和无损检测领域的最近研究成果,随后他结合自身从事多物理场耦合问题研究的经历就固体力学发展的趋势提出了自己的思考. 他认为当前固体力学的主要增长点之一在于多学科交叉以及与其他行业结合,诸如工艺力学、检测与计量力学都将有望成为今后固体力学发展的新方向.
刘建林在题为《弹塑性毛细问题研究的最新进展》的报告中展示了展示了其近几年来在毛细弹性耦合领域的一些新成果. 研究内容包括水黾腿部与液面毛细力相互作用的毛细屈曲研究、液滴在毛细力作用下的自发运动机理分析、基于液滴毛细力作用的微梁与微板传感器的力学建模、以及考虑可动边界条件的统一黏附模型等. 这些研究成果对于仿生机械的研发、驱油机理的分析、微型传感器的设计、黏附机理的澄清均有一定的理论参考价值和指导意义.
刘运牙的报告《铁电材料PFM纳米尺度力电耦合分析》给出了一种通过失配应变调控铁电材料准同型相界,进而增强薄膜压电响应的方法. 同时还发展了一种基于特征函数的相场模拟方法,并结合SPM实验技术,实现了BiFeO$_{3}$薄膜纳米尺度磁电耦合特性的调控. 最后他还介绍了其所建立的分析PFM探测铁电材料纳米尺度力电耦合性能的方法. 这些研究成果一方面给出了一些调节纳米铁电材料性能的策略,同时也为分析此类材料提供了一些新的研究手段.
吕朝锋在报告《一种压电薄膜式集能装置》中介绍了一种利用生物器官自然周期变形的压电薄膜能量收集新技术,通过理论分析给出生物器官低频周期变形条件下的压电薄膜力电转换关系,揭示基于低频周期屈曲变形的压电薄膜能量收集原理,建立压电薄膜输出功率与变形程度及周期的相关率. 这些研究成果为此类生物微能量收集装置的结构设计奠定理论基础.
吕海宝在题为《形状记忆聚合物力-化耦合唯象本构建模》的报告就形状记忆聚合物的本构模型、环境耦合驱动方法以及多功能驱动器的设计方法进行了深入的研究工作. 通过细致具体地研究,他建立了形状记忆聚合物的具有温度记忆效应的热-力耦合本构关系,以及力-化学-热多场耦合本构模型. 基于这些基本的力学模型,他进一步分析了形状记忆铰链结构纤维的屈曲、破坏等特性,建立了研究铰链结构设计以及电驱动展开动力学的模型,为分析形状记忆铰链结构的力学强度和大变形问题奠定了理论基础.
雍华东的报告《超导体磁通涡旋行为的研究》首先研究了预应变作用下超导体中磁通涡旋行为的变化. 通过修正朗道自由能并求解相关方程,发现应变会改变磁通涡旋的自由能和磁通涡旋的分布规律. 同时,还研究了超导薄膜铁磁基底结构中的涡旋行为,相关研究结果表明在磁场作用下由于铁磁材料自身的磁化,铁磁会阻碍超导体中涡旋的运动,并发现在铁磁材料自发磁化的磁场作用下,当超导体中的上临界磁场与铁磁体的饱和磁化的比值为某一特定值时超导体中会同时出现涡旋和反涡旋.
张伟旭在报告《热障涂层强度理论面临的若干挑战》中首先介绍其课题组在热防护涂层的热力耦合研究中取得的最新进展,随后他介绍了在热防护涂层研究中还面临的一些关键性的基础力学问题. 由于热障涂层的工作环境往往存在非常剧烈的温度变化,如燃气轮机叶片上的涂层在停机与运行两种工况下,温度相差近两千度,由此将会导致热障涂层内部产生非常大的热应力,进而引发涂层的破裂或剥离. 因此如何来分析涂层在不同工况中的力学响应,进而提出有针对性的改进方案,都是其中需要深入研究的问题.
张兴义在题为《高温超导材料物理力学测试系统研究进展》的报告中介绍了他所在课题组在若干高温超导材料物理力学性能测试以及相关实验设备研发方面的进展. 他首先介绍了其团队正在研发和制造的在低温环境下实现测试超导材料多场耦合性能的实验系统,并详细介绍其中的温度调控系统、励磁装置和测量装置等关键子系统. 随后他展示了最近测得的部分超导材料物理力学参数以及观察到的一些新的实验现象,并就其中的一些内在机理与参会代表进行了讨论.
钱征华在报告《石英谐振器和滤波器的厚度振动分析》中研究了板状石英谐振器和滤波器的振动问题. 石英谐振器是一种通过利用电信号频率等于石英晶片固有频率时晶片因压电效应而产生谐振现象的原理制成的器件,是晶体振荡器和窄带滤波器等的关键元件. 他详细研究分析了其谐振频率与几何尺寸及空间构型等方面的规律,并提出了一些改进石英谐振器性能的技术路线.
郑勇刚的报告《多场多相耦合问题分析的物质点方法》介绍了其基于物质点方法的基本框架,通过采用广义插值物质点方法和对流粒子域插值技术,发展建立的饱和多孔介质大变形耦合动力接触分析的修正对流粒子域插值物质点方法,并提出了在物质点统一框架下的热结构耦合物质点列式以及准确施加温度边界条件的局部自适应处理方法.
上述研究既包括了多物理场系统的实验测试技术,同时也有理论建模和仿真技术方面的研究,研究对象不但有传统的热力耦合问题, 也有热-电-磁-力-化耦合系统. 这说明以多场耦合力学为典型代表的多学科交叉已经逐步发展成为了固体力学中的一个非常重要且前沿的分支. 同时上述这些年轻学者们的报告也表明我国在这一领域的研究中已具一定规模,储备了一支极具活力的研究队伍.
4 计算力学与工程应用计算力学是固体力学的一个非常重要的分支,是定量研究众多科学和工程问题的重要基础,是与理论和实验并列的独立的科学研 究方法之一. 随着自然科学和工程技术水平的发展,越来越多的新问题需要新方法来解决,而同时更高计算精度与计算效率的求解方法也是科技 工作者和工程师的永恒追求. 另一方面,力学作为一门具有``工程科学''特征的基础学科,其在解决许多工程实践难题中也发挥着关键性作用. 故而在计算力学与工程应用方面也吸引着许多力学工作者的注意力,本次研讨会上就有10余位青年学者的研究课题与此相关.
黄敏生在报告《包含位错攀移的有限元---离散位错耦合算法及其应用》中介绍其发展的二维/三维离散位错动力学---有限元耦合多尺度算法. 该算法将微观尺度与宏观尺度通过特征塑性应变有机地结合了起来,并通过引入了位错攀移机制,成功地考虑了高温条件下材料的蠕变和位错结构演化,解决了传统离散位错动力学算法的时空局限以及经典有限元描述微观机理的不足. 并进一步提出了位错---镍基高温合金微结构/界面相互作用模型,建立了考虑位错分解的位错源形核理论表征,揭示了镍基高温合金裂尖棘轮效应的内在机制.
胡德安的报告《无网格与有限元耦合方法及其应用》介绍了其发展的无网格法和有限元的耦合算法,通过在初始时刻采用有限元计算,计算过程中将大变形区域自动转化为无网格计算,综合了无网格法和有限元法的优点,而克服了他们的弱点. 而在SPH方法研究方面,其通过引入人工应力,有效地消除了SPH方法中存在的拉伸不稳定性问题,同时还发展了SPH粒子接触算法,克服了虚假的粒子间拉力和剪切力作用. 在此基础上结合SPH与有限元法,发展了单元-粒子接触算法,建立了新单元-粒子耦合算法和单元转化SPH粒子技术. 目前这些新算法已成功应用于多层间隔金属靶、陶瓷/金属复合靶、混凝土、钢筋混凝土等目标的侵彻问题模拟,以及水下爆炸、混凝土中爆炸等问题模拟.
张蕊在研究《数值实验混合方法测量透明件的应力场》中提出了一种测量透明件的应力场的数值-实验混合方法,其局部有限元模型的边界条件由实验获得的值数字梯度敏感方法反向确定. 在这一方法中,首先通过DGS直接测量笛卡尔坐标下的应力和梯度,并计算出表面所有感兴趣点在笛卡尔坐标下的应力. 继而将所得应力值作为计算局部模型的边界条件,从而最终解得整个区域内的应力. 相关的计算结果通过与解析解比较后,证实了该技术的有效性和准确性.
张桂勇的报告《无网格光滑点插值法:理论及工程应用》介绍了其课题组在无网格法研究中的最新进展. 他着重介绍了其建立的广义梯度光滑和应变场构造的理论和方法和一种新颖高效的无网格光滑点插值法. 前者显著改善了应变场连续性,提高了应力计算精度,后者则解决了长久困扰有限元等传统方法的由于模型刚度过硬带来的一系列瓶颈问题. 最后他还介绍了光滑点插值法在科学工程领域中的应用,如板壳结构的非线性分析、误差估计和自适应、声学问题、裂纹扩展、接触问题、流固耦合和生物软组织的破坏模拟等.
侯淑娟在报告《车身及吸能结构的抗撞性优化》中介绍了其在冲击载荷作用下车身被动安全性设计方面的最新进展. 研究中通过逐次响应面近似和基于代理模型技术的抗撞性优化技术,并结合动态载荷下非线性系统的回归分析,给出了非线性动力系统中分析指标的解析表达,建立了针对接触-碰撞问题中多目标函数的正则化方法. 并通过改进目标规划法中的线性加权函数,使得权函数模型可以有效地映射到非线性凸域的Pareto空间,有效地解决了接触-碰撞多目标优化设计中各目标之间的强对抗性问题. 在此基础上建立了结构与刚性墙的接触-碰撞数值仿真模型,并用于车身及其吸能结构的抗撞性优化设计.
黄干云的报告《藤壶类污损生物附着剥离的力学模型研究》结合已有关于藤壶生活习性的研究成果,建立了藤壶基板的退缩接触力学模型. 相关结果表明在相对较小的脱粘情况下,基底刚度越小,能量释放率越大. 这意味着基底越软,越容易脱粘,从而说明由于藤壶的自我修复而更可能形成杯状形貌,这与相关试验结果定性一致.
刘刘在题为《高超声速飞行器热防护系统壁板结构声疲劳预测方法研究》的报告中介绍了其基于经典Galerkin方法,推导得到的四边固支约束下复合材料壁板结构单模态控制方程,并结合Fokker-Planck分布研究了板结构非线性随机响应的横向位移、应变等与损伤相关物理量的统计规律特征,揭示了跳变发生的机理. 该研究成果可用于快速描述和预测结构从无跳变,间歇跳变至持续跳变随环境温度和激励变化的演化过程,为将来采用时域或频域方法快速预测高超声速飞行器热防护系统薄壁面板结构声疲劳完整性奠定了理论基础.
马玉娥在报告《搅拌摩擦焊接整体结构的断裂和疲劳特性研究》中研究了FSW焊接结构残余应力的分布规律,揭示了不同材基于料和不同厚度的焊接结构残余应力分布特征,以及焊缝垂直和平行裂纹两种不同情况对于残余应力的影响和残余应力的尺寸效应. 同时他还研究了残余应力的幅值对于焊接结构的损伤容限评定影响,初步探索了残余应力对于裂纹扩展速率的影响规律,研究了不同残余应力方向对于损伤容限评定参数的影响机制. 最后这一工作还研究了焊核的力学特性和裂纹扩展规律以及相关的止裂技术.
万强的研究《埋地油气管道的应力集中无损检测》基于磁层析原理的油气管道检测方法,通过将金属磁记忆效应与层析方法有机结合从而实现油气管道的无损检测. 首先基于油气管道上方磁场分布的层析测量结果,反演出油气管道中的应力分布. 继而根据应力分布的规律反演确定出管道中的缺陷类型和位置,从而发现管道存在的不安全因素,确定需要进行维护的管段位置,并进一步预测未来一段时间可能会出现问题、需要重点关注的管段等,为油气管道本体结构完整性和运行安全性提供了一个非常重要的评价手段.
阎军在题为《海洋柔性结构力学》的报告中介绍了其所建立的两尺度优化模型与算法,从而实现了点阵材料结构的宏微观并发的多尺度优化设计. 同时他还跟与会代表一起讨论了以柔性复合管缆为代表的超柔结构这类具有几何多尺度特征的新型结构中蕴含的丰富而具挑战性的各种力学问题.
朱继宏在报告《结构拓扑优化设计与应用》中介绍了其所在课题组近年来在结构拓扑优化研究中的一些进展,其中既包括优化算法方面的改进,也有具体工程案例分析. 如在白噪声激励力作用下以结构减重为设计目标、指定位置的均方响应为约束的拓扑优化设计问题.
王博的报告《航天结构优化与应用研究进展》结合其近几年来从事结构优化服务航天多种关键型号轻量化的研究经历,介绍了结构优化方法中的一些新进展,包括多层级壳体结构的稳定性优化、利用优化确定筒壳轴压折减因子、 薄壳结构缺陷敏感性分析与优化设计、连接结构的集中力扩散拓扑优化、以及面向工艺与性能的壳体形状优化等. 这些具体的结构优化方法研究,不仅涉及方法自身研究中的关于算法效率、适用求解规模等,同时这些方法还获得了实际工程设计的检验,并取得了较大的经济效益.
上述报告内容不仅涉及基本数值方法的研究,如无网格法和拓扑优化算法,而且涉及国民经济发展的国家重大工程建设关键技术问题,如油气管道的无损检测技术和车辆的被动完全技术,体现了青年学者在计算力学前沿领域与解决国家需求上的探索精神.
5 结束语本次研讨会期间各位代表思路活跃、讨论热烈,他们不仅相互交流了各自研究中的最新进展,还一起分析讨论了各自研究中所面临的难题以及可能的解决方法. 这充分实现了此系列研讨会设定的增进相互了解、促进相互合作、实现共同提高的预期目的.
本次研讨会期间还组织了长达两小时的集体座谈,西安交通大学申胜平教授主持了本次座谈会. 国家自然科学基金委员会数理科学部张攀峰教授首先介绍了近年来力学学科自然科学基金申请与资助情况,并就大家所关心的固体力学的发展趋势、重点关注领域和基金资助形势等和与会代表进行了交流. 随后陈少华教授、季葆华教授、梁军教授、康国政教授、陈常青教授等分别结合自身经历就科研、生活、学习等多个方面的问题与青年学者交流了自己的经验和心得体会. 同时青年学者们也结合自己的研究方向,就如何在研究中进一步凝练和挖掘深层次的科学问题以及如何积极参与解决国家重大需求等展开了热烈的讨论. 此外与会的各位学者还就前五届研讨会所取得的成绩和目前面临的问题做了讨论. 由于此系列研讨会在学界的影响力和国内固体力学研究队伍的不断扩大,即使尽力维持报告人数在50人左右,参会总人数也已经从最初的不到40人扩大到了本届的近70人. 这既充分说明了研讨会的价值和成绩已得到学界的高度认可和肯定,但同时也给会议的组织工作带来了不少困难. 尤其是由于人数增加导致的个人报告时间被压缩的问题非常突出,对此参会的各位代表就延长会议时间、增设分会场以及增加墙报等解决方案进行了讨论. 最后,经过全体参会代表的认真讨论和集体表决决定``第七届全国固体力学青年学者学术研讨会''于2016年在哈尔滨工业大学举行.
2. School of Aeronautics and Astronautics, Zhejiang Uniersity, Hangzhou 310027, China;
3. Department of Mathematical and Physical Sciences, National Natural Science Foundation of China, Beijing 100085, China