力學處2016年度重點項目結題審查情況簡要介紹

詹世革張攀峰 白坤朝 王建山

(國家自然科學基金委員會數(shù)理科學部，北京100085)

科學基金

力學處2016年度重點項目結題審查情況簡要介紹

詹世革1)張攀峰 白坤朝 王建山

(國家自然科學基金委員會數(shù)理科學部，北京100085)

對2016年度國家自然科學基金委員會數(shù)理科學部力學科學處結題的12項重點項目結題審查情況進行了簡要介紹.給出了12項2016年度結題重點項目清單以及經(jīng)評審專家組討論形成的結題審查評價意見.

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按照《國家自然科學基金重點項目管理辦法》的有關規(guī)定：自然科學基金委應當自收到結題材料之日起90日內，組織同行專家對重點項目完成情況進行審查.為了促進重點項目之間的交流，加強對比，提高效率，數(shù)理科學部于2017年2月23日至24在北京召開會議組織專家對2016年度結題的重點項目進行了集中審查，審查采取分學科進行的方式.力學科學處共對12項重點項目進行了結題審查(見表1).各項目負責人就研究計劃的完成情況、取得的成果及水平、以及人才培養(yǎng)和國際合作與交流的成效等進行了匯報.評審專家進行了認真討論，形成了結題審查專家組評價意見.

基于專家組的評價意見，下面將這12個結題項目在執(zhí)行期間所取得的主要研究成果介紹如下：

1 復雜力學系統(tǒng)跨尺度耦合動力學問題研究(負責人：劉才山)

(1)提出了恢復系數(shù)與碰撞相對速度呈-1/6冪次標度率關系.該理論結果對發(fā)展DEM技術和多體系統(tǒng)碰撞動力學算法具有重要的應用價值.

(2)將力--位移材料本構模型轉換為力--能量關系，建立動量--沖量一階微分關系，提出了處理多點瞬時碰撞問題的LZB方法，并將該理論拓展應用到線、面碰撞問題當中.為解決復雜摩擦碰撞問題提供了簡潔有效的分析方法和數(shù)值計算技術.

(3)利用尺度放大效應，研究了圓柱形彈性體的滾動摩阻問題.提出了滾動摩阻與角速度平方呈線性關系的黏性滾動摩阻理論.

表1 2016年度力學科學處結題重點項目清單

(4)在多尺度動力學問題的幾何約束化方法、干摩擦內在破壞機理、散體介質的力學性質等方面也開展了卓有成效的研究.

(5)所發(fā)展的多點碰撞動力學理論以及其它部分研究成果應用于我國重大航天工程的研發(fā)當中，起到了重要的技術支撐作用.

2 復雜鋼索波動力學分析與應力、缺陷檢測關鍵技術研究(負責人：吳斌)

(1)發(fā)現(xiàn)了鋼索中超聲導波傳播的3種新現(xiàn)象，包括：能量遷移、振蕩傳遞、頻帶缺失(陷頻)及其漂移；發(fā)展了任意截面螺旋波導頻散理論，提出了半解析-等幾何計算新方法，揭示出導波頻帶缺失及其漂移的內在機理.

(2)提出了基于導波陷頻的鋼索應力測量新原理，研制出柔性磁致伸縮導波檢測傳感器和儀器，在鋼絞線結構中進行了原理實驗驗證，給出了應力表征的新參數(shù)——陷頻特征頻率與旁側峰值比.

(3)研究了磁化全程的磁彈應力檢測靈敏度分布問題，得到了“胺潛ズ痛嘔跫戮哂兇鈑帕槊舳?’的結論；研制出基于高功率脈沖充放電電路的磁彈檢測儀，給出了斜拉索力表征新參數(shù)——退磁曲線面積，并應用于斜拉橋索力監(jiān)測.

(4)提出了磁、聲一體化傳感器的優(yōu)化設計方法，研究了結構一體化、共源勵磁和同步檢測等技術；研制出可實現(xiàn)導波、磁彈和漏磁3種信號同步檢測的磁、聲一體化檢測傳感器和樣機.

(5)解決了勵磁參數(shù)與隧道磁阻元件工作特性的優(yōu)化匹配問題，研制出高靈敏度的漏磁檢測傳感器；提出了隧道磁阻雙環(huán)檢測方法，研制出相應儀器并應用于國防某特型鋼索的缺陷檢測.

3 災變條件下特高混凝土壩失效破壞的關鍵力學問題(負責人：任青文)

(1)開展了含初始缺陷混凝土材料力學特性的靜動態(tài)試驗、細觀層面的理論分析和數(shù)值模擬，揭示了含初始缺陷混凝土靜動態(tài)力學性能的變化規(guī)律.

(2)發(fā)展了靜動力荷載作用下，考慮非均勻性的混凝土開裂分析的有限元方法.提出了滿足防滲要求的混凝土壩開裂判據(jù).

(3)建立了完整的近場動力學算法體系，實現(xiàn)了高混凝土壩漸進破壞全過程的近場動力學模擬；發(fā)展了基于比例邊界有限元的大壩地震響應分析方法.

(4)提出了破壞表征系數(shù),用以判別結構整體破壞的模式并表征結構整體破壞的最大彈性變形能原理.

(5)構建了考慮混凝土細微觀結構的近場動力學分析模型，該模型適用于從水泥水化產(chǎn)物、骨料和砂漿界面、以及混凝土材料和結構等多層次多尺度的力學行為分析.

(6)實現(xiàn)了考慮滲流與應力耦合的水力劈裂過程數(shù)值模擬，揭示了熱力耦合分析中開裂對混凝土導熱系數(shù)的影響規(guī)律.

4 亞熱帶服役環(huán)境下FRP加固RC構件耐久性研究(負責人：黃培彥)

(1)提出了濕熱環(huán)境中FRP加固RC構件環(huán)境疲勞/耐久性的加速實驗方法，研制和集成了濕熱環(huán)境與(隨機)疲勞載荷耦合/共同作用下FRP加固RC梁的疲勞/耐久性加速實驗平臺，實現(xiàn)了各種濕熱環(huán)境下FRP加固RC梁的耐久性實驗.

(2)建立了疲勞載荷下考慮濕熱環(huán)境影響的碳纖維薄板-混凝土界面的粘結-滑移模型，提出了環(huán)境與載荷共同作用下加固梁的疲勞方程及其壽命預測方法.

(3)提出了溫度與腐蝕環(huán)境中FRP加固RC梁環(huán)境疲勞/耐久性的加速實驗方法，發(fā)展了溫度、腐蝕環(huán)境與疲勞載荷共同作用下FRP加固RC構件環(huán)境疲勞/耐久性加速實驗方法與技術，研制了溫度、腐蝕環(huán)境模擬與控制系統(tǒng).

(4)提出了恒載以及變幅動載下FRP加固RC構件的亞熱帶自然環(huán)境暴露實驗方法，研發(fā)了相應的實驗裝置，建立了自然環(huán)境暴露實驗場，成功地對CFL加固RC梁實施了動靜載下的自然暴露實驗.

(5)將上述研究成果應用于橋梁結構新材料“鋼纖維聚合物結構混凝土”的研發(fā)，提出了該新材料的抗疲勞/耐久性設計新方法，并成功地應用于兩條高速公路的三座特大橋上部結構的設計和施工，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益.

5 城市大氣環(huán)境演化機制和污染物擴散的預測方法研究(負責人：崔桂香)

(1)揭示了城市復雜下墊面流動結構與動、熱特性及演化機制，分別在中性和穩(wěn)定分層條件下，通過流動結構與污染物擴散特性分析，提出了三維環(huán)境流動的五種流型分類和對應的標量擴散規(guī)律，發(fā)展了大渦模擬近壁模型.

(2)提出了多層嵌套中尺度大氣模式與自主研發(fā)的城市微尺度精細大渦模擬耦合模擬新方法，通過內外湍流脈動分區(qū)方法構建了耦合界面的湍流條件.

(3)基于歐拉--拉格朗日軌道模型混合方法，考慮湍流流動各向異性，建立了拉格朗日積分時間尺度參數(shù)的計算模型，使得模型參數(shù)由經(jīng)驗計算變?yōu)槔硇源_定，改進了寬粒徑尺度污染物顆粒輸運計算的速度關聯(lián)矩模型.

(4)提出了植被流動分層結構模型，指出植被冠層底部由圓柱尾流結構主導，頂部由冠層剪切結構和尾流結構共同主導，從而發(fā)展給出新的植被阻力冠模型及植被大渦模擬方法.

(5)建立了精細大渦模擬多尺度多物理過程的耦合模擬系統(tǒng)，分別針對北京海淀寶聯(lián)小區(qū)交通污染、奧林匹克森林公園環(huán)境等算例，成功實現(xiàn)了城市小區(qū)跨尺度耦合模擬，所得風速、風溫和污染物濃度等與監(jiān)測數(shù)據(jù)一致.

6 亞微米尺度位錯主導的晶體材料力學行為研究(負責人：莊茁)

(1)提出了離散-連續(xù)晶體塑性的理論模型，發(fā)展了三維位錯動力學與有限元耦合計算方法，揭示了亞微米尺度晶體的塑性變形機理.這一有效的方法對于研究位錯機理為主導的微納米材料和器件的變形具有重要的價值.

(2)揭示了亞微米單晶柱中以位錯演化為主導機理的變形尺寸效應，應變突跳現(xiàn)象和應變硬化機制，揭示了含涂層亞微米單晶柱中截獲位錯密度的演化規(guī)律并發(fā)展了預測含涂層單晶柱力學響應的理論模型.

(3)提出了低應變循環(huán)加載用于原位診斷、消除了微納尺度單晶體內缺陷的技術.提出了亞微米單晶體的循環(huán)滑移不可逆模型，建立了理論模型成功預測了位錯匱乏的臨界條件.

(4)在連續(xù)介質力學的理論框架下引入實驗和位錯動力學的模擬結果，建立了以位錯演化為主要機理的晶體塑性理論模型，揭示了從微米到亞微米的三個尺寸效應機制.

(5)針對錫單晶、鎂單晶等幾種亞微米材料的尺寸效應，變形機制和位錯形貌開展了實驗研究，揭示了一些新的變形機制和模式.

7 變拓撲柔性多體系統(tǒng)動力學若干關鍵問題的理論與實驗研究(負責人：洪嘉振)

(1)從兼顧模型精確、算法穩(wěn)定且高效的角度，在對比各種接觸碰撞模型的優(yōu)缺點的基礎上，提出了采用接觸碰撞附加約束模型確定碰撞參數(shù)的方法，分析了方法的優(yōu)越性.

(2)將數(shù)字圖像測試技術引入接觸碰撞動力學響應測試，測量碰撞過程中的全場動態(tài)應變和全場速度響應，通過實驗驗證了所用附加約束模型的有效性.

(3)針對變拓撲小變形柔性多體系統(tǒng)動力學全局仿真的多尺度問題，分別提出了時空維度的多變量方法和分段多變量方法.

(4)在大變形剛柔耦合動力學建模方面，從有效減少柔性體自由度的角度，提出了單元遞推組集大變形柔性梁建模方法和改進型大變形板/殼共旋坐標法.

(5)對大規(guī)模大變形變拓撲柔性多體系統(tǒng)接觸碰撞問題，借鑒計算機圖形學的思路，提出了點面接觸加邊邊接觸的形式；通過連續(xù)碰撞檢測方法，基于加速度的步長控制，提高了仿真效率.

8 亞微米及納米顆粒兩相湍流的研究(負責人：林建忠)

(1)建立了將凝并系數(shù)用泰勒級數(shù)展開的矩方法，該方法適用于顆粒因湍流而產(chǎn)生凝并、破碎、凝結和晶核化的流場，適合于求漸進解，可用于研究顆粒自保持性，適用于多種動力過程和多模式情形.

(2)提出了在Smoluchowski平均場理論框架內采用雙變量模型對顆粒數(shù)濃度以及顆粒表面積濃度同時追蹤描述的新方法和用以描述化學反應顆粒生成、凝并增長以及燒結等動力學事件的雙變量積分矩方法.揭示了在結晶成核、凝并以及濃縮存在條件下的連續(xù)相和離散相間的傳質機理.

(3)研究了納米顆粒雙峰分布的變化特征和控制機制，更正了赫爾辛基大學Hussein教授等以單純總顆粒數(shù)為標準的判定方法，為解決納米顆粒環(huán)境標準的制定問題提供了依據(jù).

(4)獲得100至800納米的顆粒在彈性力、范德華力和阻力作用情況下，撞擊平板后的附著效率.發(fā)現(xiàn)總碰撞效率隨著粒徑和兩顆粒尺度比的增加而減小，當克努森數(shù)增加時，顆粒相互作用和水動力作用使顆粒更難凝并.

(5)發(fā)現(xiàn)當流量保持不變時，在低顆粒體積分數(shù)情況下，較大顆粒容易引發(fā)轉捩，但是當顆粒體積分數(shù)超過一臨界值時，較大顆粒卻會延遲轉捩.發(fā)現(xiàn)隨著顆粒量增加，不穩(wěn)定波數(shù)的區(qū)域減??；隨著斯坦頓數(shù)和克努森數(shù)減小，臨界雷諾數(shù)增加，小擾動的不穩(wěn)定區(qū)域減小.

(6)用快速顆粒物粒徑譜儀對杭州連續(xù)灰霾天和灰霾消退過程進行監(jiān)測，分析了顆粒濃度變化和粒徑譜分布特征.用顆粒物動態(tài)演變模型，通過最優(yōu)化算法得到顆粒沉積率和排放率隨粒徑的分布并計算了顆粒排放因子.

9 納米晶超晶格的結構形成及其相關的力學問題(負責人：何陵輝)

(1)基于全原子模擬揭示了配體修飾納米晶相互作用的基本規(guī)律，發(fā)現(xiàn)配體分子的主導作用，量化了配體長度與晶粒尺寸比對相互作用各向異性的重要影響.

(2)在連續(xù)介質框架下提出了與變形耦合的配體介質相互作用理論模型，分別歸納了介質連通或非連通以及可壓縮或不可壓縮條件下的相互作用特征.

(3)采用粗?；祭蕜恿W模擬對硫醇修飾納米晶二維超晶格的形成機制作了合理的解釋，分析了離散團簇和分形狀結構的形成原因，提出了大尺寸膜狀結構的形成條件.

(4)通過全原子模擬闡明了納米晶尺寸和配體長度對三維納米晶超晶格晶粒間距的調控作用，在此基礎上提出了配體修飾納米晶相互作用多體效應的定量表征方法，并量化了納米晶尺寸和形狀以及配體長度等對三維納米晶超晶彈性性能的影響，發(fā)現(xiàn)了彈性模量在拉伸和壓縮過程中的不對稱性.

(5)發(fā)展了一種新的二維納米晶超晶格粗粒化模擬策略，首次實現(xiàn)了其拉伸行為的全過程模擬，預言了非線性彈性變形、塑性流動以及斷裂破壞等力學現(xiàn)象.

10 以激波、湍流和剪切層為主要特征的復雜流動機理研究(負責人：楊基明)

(1)研究了超聲速湍流邊界層流動在速度梯度不變量空間的拓撲結構演化和可壓縮效應的影響.研究表明：拓撲結構的平均演化受壓縮性的影響顯著；可壓縮性會增強湍流的耗散，流體膨脹時通常比壓縮時耗散更強.

(2)研究了鈍頭體反向噴流與超聲速來流的復雜相互作用.研究表明：射流結構受到回流區(qū)壓力的影響而呈現(xiàn)出非定常的演化；錐形剪切層對整體流動有著重要的影響；不穩(wěn)定流態(tài)和穩(wěn)定流態(tài)的主導模態(tài)分別為反對稱和軸對稱結構；提出了相應的反饋模型，定量地預測了兩種流態(tài)下的主導頻率.

(3)通過對高超聲速第IV類激波-激波干擾非定常演變過程的計算模擬以及實驗觀測，發(fā)現(xiàn)流動的非定常性對入射激波角極其敏感；揭示了剪切、壓縮及熱力過程之間的內在聯(lián)系；對帶凹腔鈍頭體的激波干擾情形發(fā)現(xiàn)了高頻前后振蕩和低頻上下振蕩兩種不同的振蕩模式.

(4)開展了高超聲速進氣道激波振蕩研究，高時間分辨率的流場展示了高背壓引起的進氣道激波振蕩周期內波系的演化過程.研究表明：節(jié)流引起的背壓非定常流動與激波/邊界層干擾的耦合作用是影響激波振蕩的流態(tài)和頻率特性的關鍵因素.

(5)開展了V形鈍化前緣的激波干擾特性研究.研究發(fā)現(xiàn)：高超聲速來流條件下,V形鈍化前緣不僅會出現(xiàn)多種復雜的波系干擾結構，而且局部熱流會出現(xiàn)數(shù)量級的上升，達到與第IV類激波干擾相當?shù)某潭?此外,傳統(tǒng)的加大鈍化半徑的方法反而可能會惡化局部熱流.該成果可望為將來新型高超飛行器研究提供關鍵基礎支撐作用.

11 金屬高速切削機理及相關力學基礎理論研究(負責人：戴蘭宏)

(1)建立了高速切削模擬實驗平臺及瞬態(tài)測試系統(tǒng)，包括基于材料試驗機和霍普金森壓桿技術的實驗裝置、高速切削紅外測溫系統(tǒng)，實現(xiàn)了對整個切削區(qū)域的三維應變場精確測量.

(2)開展了高速切削實驗研究.分析了自由切削和約束切削兩種狀態(tài)下的切削機理,重點分析了切屑宏微觀結構演化、工件加工表面完整性、主剪切區(qū)溫度變化規(guī)律、切屑變形場和約束程度對工件加工表面質量的影響等.

(3)開展了高速切削理論的建模和機理分析研究.建立了金屬高速切削的力學模型，通過失穩(wěn)分析得到了切屑流動從連續(xù)狀向鋸齒狀失穩(wěn)的臨界判據(jù)，在很廣的速度范圍內實現(xiàn)了切屑鋸齒間距的理論預測.

(4)開展了高速約束切削理論模型的建立和機理分析研究.建立了表征約束切削變形場的剪切應變解析表達式、約束切削力學模型和剪切帶間距預測模型，得到了約束切削熱塑性流動失穩(wěn)判據(jù)和剪切帶間距解析表達式，預測結果與實驗吻合.

(5)開展了高速切削的多尺度模擬研究.采用分子動力學模擬、相場有限元模擬、物質點和邊界元耦合模擬方法，實現(xiàn)了單晶銅、多晶銅非晶合金、Ti-6A l-4V合金等材料的切削模擬，得到了切削力、溫度以及微結構演化結果.

12 線式爆炸分離過程的關鍵力學問題研究(負責人：盧芳云)

(1)提出了基于慣性釋放和等效裂紋技術的結構分析方法，獲得了火箭飛行過程中線式爆炸分離裝置更真實的受載情況；在此基礎上提出了非對稱結構內部爆炸能量分配的分析方法，解決了爆炸分離過程能量分配機理分析的難題.

(2)將材料損傷概念引入保護罩抗爆炸響應過程分析，結合結構中應力波傳播過程分析，揭示了保護罩的損傷破壞機理，提出了保護罩材料的選型原則，更新了原有設計思想.

(3)發(fā)展了系列材料動態(tài)斷裂性能測試和分析技術，提出了模擬動態(tài)裂紋的“加料”有限元方法，獲得了分離板的裂紋起裂、發(fā)展和結構斷裂、碎片飛散的全過程物理圖像；提出了懸臂梁剪切沖擊分析模型，揭示了滑移爆轟作用下分離板碎片帶的剪切破碎機理.

(4)開展了爆炸分離過程影響因素敏感性分析，建立了分離碎片飛散參數(shù)與影響因素之間的顯式函數(shù)關系，并得到了碎片速度的概率分布，支撐了爆炸分離過程的安全性設計.

(5)將材料動態(tài)力學參數(shù)納入爆炸分離裝置的設計中，形成了更科學系統(tǒng)的設計思想；構建了考慮爆炸分離過程物理機制的線式爆炸分離裝置設計軟件.

A BRIEF INTRODUCTION OFCOMPLETED KEY PROGRAM PROJECTSON MECHANICS IN 2016

Zhan Shige1)Zhang Panfeng BaiKunchao Wang Jianshan
((DepartmentofMathematical&PhysicalScience,NationalNatural Science Foundation ofChina，Beijing 100085，China)

The paper briefl introduced the completion and evaluation of 12 NSFC key program projects onmechanics in 2016.The projects listand theevaluation assessmentsprovided by expertcommitteehavebeen given in detail.

NSFC，mechanics，key program project,completion and evaluation

10.6052/0459-1879-17-250

本文于2017-07-07收稿.

1)E-mail：zhansg@nsfc.gov.cn

詹世革,張攀峰,白坤朝,王建山.力學處2016年度重點項目結題審查情況簡要介紹.力學學報,2017,49(3)：968-972

Zhan Shige，Zhang Panfeng，BaiKunchao，Wang Jianshan.A brief introduction of completed key program projectsonmechanics in 2016.Chinese JournalofTheoreticaland Applied Mechanics,2017,49(3)：968-972