摘要：周期结构的带隙特性使得位于带隙频率范围内的振动或波动无法在结构中传播。基于该思想,设计了一种埋入式的地震表面波屏障以调控Rayleigh表面波的传播,并研究了该表面波屏障的主要设计参数及共振单元与支撑基础之间的连接约束关系等对弹性波频散曲线和表面波带隙形成的影响。结果表明:该埋入式的地震表面波屏障能够形成低频的表面波带隙,实现有效的衰减域;共振单元与支撑基础之间的约束关系会显著改变地震表面波屏障的频散曲线,不同的约束条件会影响表面波带隙的形成,甚至造成带隙的消失,在屏障设计与实现过程中应对影响两者发生相对运动的因素如摩擦力等进行考虑,进行合理设计。

摘要：骨缺损是骨科临床常见且复杂的疾患,根据患者体内缺损区骨组织力学性能,设计生物力学性能匹配的个性化骨假体,有望提升临床骨缺损诊疗的水平.然而,当前的个性化骨缺损诊疗,在体内骨组织微观结构分析、非均质各向异性力学行为表征和建模等方面存在诸多问题,难以实现生物力学性能的适配,导致骨重建效果不佳.针对上述问题,提出了一种融合数据驱动与力学建模的骨缺损重建方法,以实现临床条件下骨组织力学性能的准确表征.首先,以羊股骨远端为对象,提出了基于临床CT影像的多神经网络模型,通过建立低分辨率临床CT下的宏观骨密度分布与micro-CT下松质骨微结构形态特征的映射关系,能够直接通过临床CT对体内骨组织非均匀骨密度分布和结构张量等组织形态学参数进行准确预测.其次,建立了基于非均匀骨密度和结构张量的松质骨各向异性本构模型和实验表征方法.通过贝叶斯反演识别本构模型参数,修正了实验中由于材料主方向与加载方向偏离引入的系统误差.实验结果验证了所建立本构模型与参数反演方法的准确性,并揭示了不同部位松质骨力学行为与微结构生长方向的关系.文章通过深度学习与力学建模融合的骨力学性能研究,解决了临床医学影像下松质骨微观结构分析的难题,为个性化骨假体的设计奠定了基础.

摘要：陶瓷复合装甲主要由陶瓷层和背板层组成,广泛应用于冲击防护.然而,目前仍缺乏背板层在提高陶瓷复合装甲系统防弹性能方面的定量认识和分析.本文以B4C/UHMWPE双层装甲体系为例,从理论上系统地研究了UHMWPE层在提高陶瓷复合装甲弹道阻力方面的增强机理和适合UHMWPE厚度的选取.开发并验证了预测双层装甲系统剩余速度的理论模型.具体而言,分别从理论上获得与塑性、断裂和摩擦相关的耗散能以及由弹性应变能和动能组成的储存能.理论结果表明,随着UHMWPE层厚度的增加,耗散能单调增加,而储存能则先增加后减少,并会出现一个转折点,这是由于储存能的主导机制由系统固有的最大储存能转变为剩余动能.此外,对于给定的弹道阻力,根据存储能的转变提出了为降低面密度的最佳UHMWPE厚度的参考值,这与陶瓷厚度、冲击速度和弹丸质量有关.本文的研究有助于指导陶瓷复合装甲的轻量化设计.

摘要：本文展示了固体力学领域跨尺度计算的若干问题和研究概况。(1)建立位错动力学与有限元耦合DDD-FEM的计算模型,实现了能够基于纳米尺度离散位错运动机制计算分析连续介质有限变形晶体塑性问题,提出微纳尺度(200 nm~10μm)晶体塑性流动应力解析公式,结合试验数据揭示了在无应变梯度下强度和变形的尺寸效应;(2)建立具有微相分离结构的纳米尺度粗粒化分子动力学模型CG-MD,计算获得聚脲材料在时域和频域下的存储模量和损耗模量,通过动态加载分析的DMA试验和超声波试验的数据验证,解决了连续介质尺度下微相分离高分子共聚物的设计难题;(3)通过数据驱动关联高分辨率的微米尺度CT影像和临床低分辨率的毫米尺度CT影像的特征值,建立了围关节松质骨小梁的等效模量和结构张量,为骨组织增材制造点阵结构设计和实现个性化骨缺损重建奠定了基础。

摘要：断裂力学理论和方法在飞行器结构设计中发挥着不可替代的作用。依据断裂准则划分为阻止或者驱动裂纹扩展。阻止裂纹扩展是避免飞行器结构发生灾难性事故的最后一道防线,如机翼、机身等重要结构的止裂安全性设计、广布疲劳损伤容限设计等;驱动裂纹扩展是实现飞行器结构快速分离的关键技术,如运载火箭级间和星箭分离、飞行员和航天员逃逸救生等。板壳是飞行器结构的主要形式,开展板壳断裂力学研究具有重要的科学意义和工程价值。该文提出了基于连续体的壳体断裂力学统一计算理论,发展了壳体扩展有限元方法。基于该理论和方法,阐述了大变形曲面壳体裂纹扩展与止裂的计算分析过程,展示了在国产大飞机机翼整体结构件设计、天和号核心舱结构研制和高级教练机穿盖弹射救生系统设计等飞行器工程中的成功应用。

摘要：现实防护工程中,硬1软复合结构在人员装甲(如头盔的外壳/衬里系统)中的应用可以有效减轻爆炸伤害.由于缺乏有效可靠的实验方法评估防护结构的防爆性能,直接接触型防护结构的发展受到限制,本文针对硬/软复合材料结构的防爆性能测试提出一种新的实验及数值评估方法,并对其防爆机理进行了分析.受测的硬/软结构由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料和膨胀聚乙烯(EPE)泡沫组成.现场爆炸试验通过7.0 kg TNT球形炸药在3.8 m处产生的爆炸波来完成.设计了一种压力测试装置用于支撑被测结构并测量穿透防护结构的爆炸压力脉冲.实验结果表明,通过使脉冲波形更平坦、减小压力幅度和延迟脉冲到达时间,硬/软结构可以将爆炸压力脉冲减弱为三角形压力脉冲.7mmUHMWPE复合材料和20mmEPE泡沫的组合防护结构可将爆炸压力振幅降低40%.通过有限元模拟分析爆炸缓解机制.数值结果表明,爆炸压力脉冲的衰减主要发生在硬/软界面上,通过界面反射压力波和软材料层变形吸收动能来完成.在此基础上提出的理论模型可以很好地解释实验和数值结果,对评价和设计高性能的防爆结构具有重要意义.

摘要：由于塑性失稳导致的应力-应变测量曲线中塑性变形信息的缺失,使得微晶本构行为仍然很神秘.此外,应力-应变测量曲线在不同控制模式下的测量结果变化很大,而本构行为不应受测量方法的影响.此外,由于微观力学测试系统的非线性动力学行为尚不清楚,微晶真实本构行为的探究一直是一个挑战.本文在位移控制和负载控制下对单晶铝微柱进行了详细的实验和分析.为了解释实验结果,文章基于微观力学测试原理开发了一个聚合参数物理模型,该模型可直接将微观力学测试系统的非线性动力学与微晶的本构行为联系起来.这表明应力-应变测量曲线的某些阶段由控制算法产生,与本构行为无关.通过求解微观力学测试系统的非线性动力学,从平衡态开始的强塑性不稳定性(大应变爆发)归因于微晶的应变软化阶段.文章还进行参数研究以减少塑性失稳对测量响应的影响.本研究为开发各种本构模型和设计可靠的微观力学试验提供了重要的见解.

摘要：爆炸致创伤性脑损伤是现代战争和爆炸事故中最常见的伤亡之一。近年来由爆炸波引起的轻度原发性颅脑冲击伤在士兵伤患中占大多数,引起了研究人员重视。由于伦理和技术方面的限制,人体爆炸实验难以开展,数值模拟已经成为研究颅脑爆炸伤的重要手段之一。合理的物理建模结合可靠的模型和参数,能够定量给出爆炸冲击波作用下人体头部和大脑的生物力学响应,揭示大脑损伤的力学机制,这些对于认识颅脑爆炸伤的生物力学特性以及单兵防护装备的设计和优化都具有重要的意义。本文旨在为研究人员提供有关原发性颅脑爆炸伤数值模拟方面研究现状的背景信息,以及在计算建模、力学机制和防护3个方面的进展。重点针对大脑的多尺度性质及颅脑爆炸伤的生物力学建模,介绍了脑组织的线弹性、超弹性和黏超弹性本构模型,人头有限元模型在大脑结构、网格尺寸等方面的发展和演化,以及颅脑爆炸伤的宏观、介观和多尺度建模和数值模拟方法。针对颅脑爆炸伤的波传播直接作用、脑血管系统的影响,以及全身响应的连续过程,分析和讨论了数值模拟得到的力学机制证据。介绍了颅脑爆炸伤防护策略的数值模拟研究进展,如提高头部封闭性的重要性、新结构和新材料的应用。最后,对当前颅脑爆炸伤的数值模拟研究和应用进行了总结,并确定了未来需要发展和改进的地方。

摘要：先进结构材料近年来受到材料和结构设计领域的广泛关注,这些材料一般通过多个尺度的结构设计实现各种卓越的性能.在早期的材料设计中,有的基于设计者的丰富经验,从天然拓扑结构中抽象出合理的数学力学模型;有的基于生物系统的结构和功能特点提取出仿生力学模型.然而,仅依靠经验性的巧妙设计很难得到最优的设计方案,通过反复迭代设计和试验来遍历设计空间也不切实际.为此,拓扑优化方法被成功应用于声子晶体、元胞材料等先进结构材料的优化设计中,但现有的拓扑优化方法在实现精准的反向设计方面尚存挑战.基于数据驱动的机器学习方法擅长建立数据空间多维变量复杂关系,能够揭示传统力学研究方法难以发现的更深层次的力学机理和规律,成为力学领域崭新的研究热点.本文系统地回顾先进结构材料设计方法的发展历程,对比阐述各种主流设计方法,结合本课题组的相关工作介绍数值仿真和数据驱动在先进结构材料的智能化设计方面的应用现状,并对该领域的未来研究趋势进行探讨和展望.

摘要：本文采用渐进积分法研究了超静定梁-柱的弯曲问题.首先建立超静定梁-柱的四阶挠度微分方程,考虑到边界条件和连续光滑条件,采用连续分段独立一体化积分法求解得到了挠度的精确解析解.为了满足工程设计需要,构造了超静定梁-柱的四阶挠度微分迭代方程,选取无轴向力作用时超静定梁的挠曲线作为梁的初函数,将初函数代入梁的四阶挠度微分迭代方程进行积分,利用边界条件和连续光滑条件确定积分常数,得到下一次迭代挠度函数,依次进行迭代积分运算.计算出了最大挠度、最大转角和最大弯矩等用轴向力放大系数表示的多项式解析函数解.本文选取了两种边界条件下受分布力作用的超静定梁-柱进行分析,计算结果表明,当超静定梁-柱所受的轴向力小于欧拉临界力的1/2时,迭代六次误差就可以控制在1%以内;不仅梁-柱最大位移和最大内力的大小随轴向力的增大而增大,而且其位置也随轴向力的增大而发生迁移.本文的研究对揭示轴向力对超静定梁-柱变形和内力的影响有重要意义,为超静定梁-柱的实际设计提供了一定的理论基础.