立足機(jī)械工程，服務(wù)航空航天
——走進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗室

[編者按]機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗室（以下簡稱實(shí)驗室）于2011年獲國家科技部正式批準(zhǔn)建設(shè)。實(shí)驗室的依托單位是南京航空航天大學(xué)，主要依托學(xué)科為力學(xué)、航空宇航科學(xué)與技術(shù)、機(jī)械工程等。我國飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和振動工程專家張阿舟先生、結(jié)構(gòu)熱強(qiáng)度專家范緒箕先生和智能材料與結(jié)構(gòu)專家陶寶祺先生是實(shí)驗室的奠基人。趙淳生院士、胡海巖院士和郭萬林院士進(jìn)一步將國家重大需求與前沿基礎(chǔ)研究相結(jié)合，研究成果顯著提升了實(shí)驗室的學(xué)術(shù)水平和影響。

發(fā)展定位與研究團(tuán)隊

國家需求牽引，學(xué)科前沿導(dǎo)向，堅持特色發(fā)展，爭創(chuàng)一流業(yè)績。以先進(jìn)飛行器為主要研究載體，特別注重高性能要求和苛刻使用環(huán)境，以及新構(gòu)型、新材料和新工藝等不斷涌現(xiàn)所引發(fā)的科技挑戰(zhàn)，特別注重材料–結(jié)構(gòu)–功能一體化和智能化的趨勢給未來飛行器技術(shù)帶來的發(fā)展機(jī)遇，致力于解決結(jié)構(gòu)動力學(xué)、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、精密驅(qū)動系統(tǒng)、微納智能系統(tǒng)、智能結(jié)構(gòu)等發(fā)展中的重大基礎(chǔ)問題和關(guān)鍵技術(shù)問題，秉持理論研究與工程實(shí)踐緊密結(jié)合，發(fā)展創(chuàng)新理論，突破技術(shù)瓶頸，服務(wù)國家需求，引領(lǐng)學(xué)科發(fā)展，推動行業(yè)進(jìn)步。實(shí)驗室現(xiàn)設(shè)置有結(jié)構(gòu)動力學(xué)與控制、機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、振動利用與精密驅(qū)動、微納系統(tǒng)力學(xué)、智能材料與結(jié)構(gòu)5 個研究方向。

實(shí)驗室有固定人員76 人，其中正高職稱57 名。固定研究人員中，國家及部省級人才工程人選41 人，包括中國科學(xué)院院士3 人，發(fā)展中國家院士1 人，國家級人才計劃21 人次，國家級青年人才計劃10 人次。國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體1個；7 支團(tuán)隊分別入選教育部、國防科工委、江蘇省等省部級團(tuán)隊。

科研成果

實(shí)驗室在國內(nèi)率先開展了飛行器結(jié)構(gòu)動力學(xué)與控制研究，是國內(nèi)最早從事飛行器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究的單位之一，開拓了我國航空智能材料與結(jié)構(gòu)、振動利用與精密驅(qū)動技術(shù)、非線性動力學(xué)與控制、微納系統(tǒng)力學(xué)等新領(lǐng)域，是我國航空航天結(jié)構(gòu)力學(xué)與控制領(lǐng)域具有代表性的學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)。

在新型飛行器結(jié)構(gòu)動力學(xué)與控制研究方面，實(shí)驗室解決了我國飛行器研制中的若干振動控制問題，取得多項具有國際影響力的重要成果。胡海巖院士等提出了結(jié)構(gòu)振動控制系統(tǒng)的非線性動力學(xué)理論，為振動控制提供了分析和設(shè)計方法。研究成果被用于我國首型武裝直升機(jī)穩(wěn)瞄系統(tǒng)減振、再入段機(jī)動飛行導(dǎo)彈的慣導(dǎo)平臺減振、飛行器結(jié)構(gòu)顫振控制等。

實(shí)驗室在飛行器結(jié)構(gòu)斷裂與損傷方面的研究中取得多項有影響的成果。郭萬林院士建立了三維裂紋問題的J–Tz–Q 理論，解決了三維約束因子理論的計算難題，成果被載入美國NASA 報告、AD 報告、澳大利亞DSTO 報告等。許希武教授等建立了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)多缺口和多釘機(jī)械連接強(qiáng)度的高效分析方法，成果應(yīng)用于殲10 等飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度設(shè)計，并被編入《復(fù)合材料連接手冊》。高存法教授系統(tǒng)地研究了壓電介質(zhì)內(nèi)的裂紋問題，首次給出了Permeable 型裂紋問題的精確解。

實(shí)驗室在超聲電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)方面取得重大突破，將我國超聲電機(jī)技術(shù)提升到國際先進(jìn)水平。趙淳生院士出版的專著Ultrasonic Motors Technologies and Applications已成為該領(lǐng)域經(jīng)典之作，得到了多位國外專家的高度評價。

實(shí)驗室創(chuàng)立了分子物理力學(xué)、納尺度物理力學(xué)交叉學(xué)科，郭萬林院士等密切結(jié)合未來飛行器材料結(jié)構(gòu)功能一體化的發(fā)展趨勢，在納智能材料“機(jī)–電–磁–光–熱”耦合研究和高效能量轉(zhuǎn)化技術(shù)領(lǐng)域形成特色，構(gòu)建了功能納米結(jié)構(gòu)力–電–熱耦合的物理力學(xué)理論體系和基礎(chǔ)。近來，開拓了石墨烯界面功能器件新方向，取得了系列成果。

實(shí)驗室在大規(guī)模實(shí)時連續(xù)監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)導(dǎo)波的補(bǔ)償、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測成像、結(jié)構(gòu)損傷概率診斷和結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展預(yù)測等方面提出了一系列新理論和新方法，顯著提高了結(jié)構(gòu)損傷診斷準(zhǔn)確性和定位精度。發(fā)明了多種同步開關(guān)阻尼半主動振動控制方法，為飛行器薄壁結(jié)構(gòu)的減振提供了技術(shù)新途徑。

2013～2017年，實(shí)驗室承擔(dān)國家級、部省級和橫向協(xié)作項目共計788項，實(shí)到科研經(jīng)費(fèi)總計32401 萬元；獲國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎2 項，部省級科學(xué)技術(shù)獎一等獎5 項，二等獎5項；發(fā)文SCI 收錄1092 篇，EI 收錄1230 篇，出版專著8 部（國外出版3部），譯著4 部，教材9 部；授權(quán)國家發(fā)明專利277 項；登記軟件著作權(quán)5項；獲國際性學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)獎勵8 項，國內(nèi)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)獎勵9 項。

成果轉(zhuǎn)化與社會效益

實(shí)驗室?guī)缀鯀⑴c了我國所有航空裝備重要任務(wù)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究、預(yù)先研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。近五年，實(shí)驗室承擔(dān)上述任務(wù)的研究經(jīng)費(fèi)超過總經(jīng)費(fèi)的60%，多項新理論和新技術(shù)應(yīng)用于嫦娥工程、C919、神光工程、殲11 系列、殲15、殲16、殲20、殲31、運(yùn)20、直XX、轟XX 等20 余個重大或重要型號工程，為國家重大科技工程、航空航天裝備建設(shè)和推動行業(yè)進(jìn)步做出了重要的貢獻(xiàn)。

系統(tǒng)發(fā)展的結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論與方法，解決了我國艦載機(jī)、預(yù)警機(jī)、轟炸機(jī)、直升機(jī)、無人機(jī)等型號的研制、改型、試飛和服役中的精細(xì)建模、動載荷識別、隔振減振設(shè)計、振動控制等難題。例如，提出的殲15 著艦時機(jī)艦非線性彈性耦合動力學(xué)分析與阻攔索控制方法得到采用，滿足了艦載機(jī)起降的戰(zhàn)技指標(biāo)要求；提出了轟XX 戰(zhàn)略武器發(fā)射的動力學(xué)設(shè)計方案，達(dá)到了改型飛機(jī)結(jié)構(gòu)動強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)可靠性要求；實(shí)現(xiàn)了直XX 振動的主動控制，減振水平達(dá)到國際先進(jìn)指標(biāo)，振動主動控制系統(tǒng)國內(nèi)首次機(jī)載安裝；提出的XX 預(yù)警機(jī)機(jī)艦耦合動力學(xué)設(shè)計方案，為型號研制提供了強(qiáng)有力的保障。

在機(jī)構(gòu)高效能量吸收、抗瞬態(tài)沖擊、機(jī)構(gòu)操縱、碰撞反彈及碰撞過程的穩(wěn)定可控等方面解決多項關(guān)鍵技術(shù)問題，形成了我國系統(tǒng)完整的飛行器起落裝置設(shè)計、分析與試驗技術(shù)體系；豐富和發(fā)展了我國著陸緩沖裝置與對接機(jī)構(gòu)的設(shè)計和技術(shù)體系。成果應(yīng)用于殲15、殲XX、XX 預(yù)警機(jī)、C919 等航空重要型號工程，解決了起落架彈射與突伸、收放與鎖定、驅(qū)動與控制等難題；應(yīng)用于“嫦娥三號”，神舟八號、九號和十號，天宮一號等航天器著陸緩沖和對接機(jī)構(gòu)的研制，以及對火星探測器、小行星探測器和空間站的技術(shù)支撐。

發(fā)明了一種含裂紋金屬梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度預(yù)測方法，解決了傳統(tǒng)方法進(jìn)行金屬梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)建模計算量大、精度差等難題，成果應(yīng)用于殲11、殲15、殲16、殲31 等多個航空重要型號工程的綜合強(qiáng)度設(shè)計分析與評定。提出的大展弦比復(fù)合材料結(jié)構(gòu)受力分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，在結(jié)構(gòu)減重、顫振臨界速度提高、穩(wěn)定性因子提高等方面效果顯著，應(yīng)用于幾乎所有現(xiàn)役和在研的大中型無人機(jī)的大展弦比機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計，推動了該項技術(shù)的發(fā)展。

解決了極端環(huán)境下的彈性體振動/波動控制及其利用的若干難題，開創(chuàng)了壓電精密驅(qū)動技術(shù)在我國航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的先河，使我國成為世界上第二個將超聲電機(jī)成功應(yīng)用于航天工程的國家。從“嫦娥三號”登月至退役，所用超聲電機(jī)始終處于正常工作狀態(tài)；超聲電機(jī)伴隨世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗衛(wèi)星“墨子號”升空，工作正常；用于“嫦娥五號”的超聲電機(jī)正以全狀態(tài)等待發(fā)射；用于制導(dǎo)彈藥的抗大沖擊過載超聲電機(jī)完成試驗驗證，綜合性能優(yōu)異；大行程、高精度、快響應(yīng)的直線壓電電機(jī)應(yīng)用于“神光工程”。

提出飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與預(yù)測新理論和新方法，成功研發(fā)滿足機(jī)載要求、具有國際先進(jìn)水平的系列壓電結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測集成掃查系統(tǒng)。成果應(yīng)用于我國最新一代戰(zhàn)機(jī)綜合健康監(jiān)測及預(yù)測系統(tǒng)研制，現(xiàn)役主力戰(zhàn)機(jī)全機(jī)疲勞試驗和結(jié)構(gòu)延壽任務(wù)，運(yùn)XX 和ARJ21–700 全機(jī)疲勞試驗，C919 中央翼盒段和XX 無人機(jī)復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等，為國家重點(diǎn)型號的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)延壽提供了重要技術(shù)保障，為飛行器實(shí)現(xiàn)視情維護(hù)邁出了堅實(shí)的一步。相關(guān)裝備已應(yīng)用于行業(yè)內(nèi)20 多家研究機(jī)構(gòu)。

人才培養(yǎng)與國際交流

實(shí)驗室十分注重航空航天人才的培養(yǎng)。2019年，實(shí)驗室在讀碩士研究生436 人、博士研究生213 人，在站博士后31 人，約一半的畢業(yè)研究生進(jìn)入了各大航空航天廠所工作。

實(shí)驗室獲2018年度高等教育國家級教學(xué)成果獎一等獎1 項，二等獎1 項。實(shí)驗室共有4 篇研究生學(xué)位論文被評為“全國優(yōu)秀博士學(xué)位論文”，4 篇獲“全國優(yōu)秀博士學(xué)位論文”提名。

實(shí)驗室設(shè)有工程力學(xué)專業(yè)“錢偉長班”，實(shí)行本碩貫通培養(yǎng)，形成了特色鮮明的精英化培養(yǎng)模式，培養(yǎng)的學(xué)生多次在“周培源全國大學(xué)生力學(xué)競賽”、國際大學(xué)生工程力學(xué)競賽中摘金奪銀，位列三甲。

實(shí)驗室建有國家“111 計劃”學(xué)科創(chuàng)新引智基地，與20 多所國際知名大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)建立了長期穩(wěn)定的合作關(guān)系；2 位外國專家獲國家“友誼獎”。