科研实力
科研实力

1、 疲劳与断裂力学及结构安全评定
    1.1 固体材料本构关系
    自1987年以来,实验室就在固体材料复杂加载条件下的本构关系进行了系统深入的研究,在多项国家自然科学基金项目的资助下在国内率先开展了金属材料非比例多轴循环本构关系的研究,开发了多轴非比例试验与分析软件,揭示了一系列新的实验现象,提出了材料非比例多轴循环本构关系的新模型。
    近5年来,本研究方向承担了国家杰出青年基金、国家自然科学基金、四川省杰出青年学科带头人培养基金、教育部新世纪优秀人才支持计划和霍英东教育基金会优秀青年教师基金等高级别项目10余项,在以下几方面取得了突出成果:
    1)系统揭示了多种金属材料在复杂加载条件和环境下的单轴和非比例多轴棘轮行为演化特征,建立并完善了合理描述单轴和非比例多轴棘轮行为的粘塑性循环本构模型,并成功地将发展的棘轮本构模型嵌入了有限元软件中;
    2)建立了耦合损伤的循环棘轮本构模型及疲劳失效模型,实现了本构模型和失效模型的统一;
    3)揭示了金属材料棘轮变形过程中位错组态的形成和演化规律,阐明了棘轮行为的微观机理,并在晶体塑性理论和多机制本构理论的框架下建立了反映棘轮变形微观机理的循环本构模型;
    4)揭示了NiTi合金的相变棘轮行为,并建立了描述相变棘轮行为的循环本构模型;
    5)建立了颗粒增强金属基复合材料棘轮行为的细观弹塑性和粘塑性循环本构模型。


    1.2 疲劳、断裂与结构安全性评定
    早在上世纪七、八十年代,实验室就积极开展断裂力学和面向结构安全的疲劳与断裂失效分析研究,为断裂力学在我国的推广应用发挥了极其重要的作用,产生很大的学术影响和经济效益。
    近5年来,本方向在“973”子项目和4项国家自然科学基金项目以及其它省部级基金项目的资助下,注重基础理论的建立及其在工程中的应用,取得了如下创新成果:
    1)建立和完善了超声疲劳试验平台,系统开展了材料在超长寿命下的疲劳性能研究,揭示了超高周疲劳失效微观机理方面的“表面”与“内部”两种裂纹萌生机制,提出了内部裂纹萌生机制的“点缺陷沉淀”模型,讨论了缺口应力集中和平均应力对超高周疲劳性能影响的新规律;
    2)建立了含超长疲劳寿命可靠性分析新方法及寿命周期可靠性等劣化率模型,为超长寿命结构及产品寿命周期的高效、可靠、安全服役提供了基础方法;
    3)揭示了金属材料非比例多轴棘轮-疲劳交互作用行为特征,建立了合理考虑棘轮效应的非比例多轴疲劳失效模型;
    4)采用损伤等效的方法,建立了漏斗薄片疲劳试样的轴向测试应变与漏斗根部轴向局部应变等效换算公式,用于反应堆包壳、蒸汽发生器、汽车簧板等结构材料的低周疲劳寿命评价;
    5)基于材料低周疲劳临界损伤,定义了新的局部疲劳损伤参量,提出了一种预测材料或构件的疲劳裂纹扩展行为的新方法;
    6)建立了高速列车轮轴弯曲微动疲劳分析的二维等效有限元模型,建立了高速列车轮轴弯曲微动疲劳失效寿命的预测模型。


    1.3 工程材料力学新型测试技术与应用
    针对大型工程和装备制造,力学测试和检测技术是力学理论应用于工程实践的重要手段和方式,近年来越来越受到广泛重视,国家也在多个层面上设立了实验仪器和设备以及实验技术开发的专项研究项目。近5年来在5个国家自然科学基金和国防科技预研项目的资助下,已获批发明专利5项,国家标准1项。共发表论文50余篇,其中SCI检索21篇,EI检索37篇,相关成果已作为重要技术附录的关键引用纳入新版国家标准“金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法”草案。在力学测试和检测技术研究领域取得了如下代表性研究成果:
    1)建立了多种非标准试样构形的完整柔度法体系,解决了现行柔度测试方法存在的技术困难;
    2)通过定义载荷无量纲量,提出了一种修正、用于试验获取材料断裂韧性的载荷分离理论并开发了测试分析软件,为材料断裂韧性测试规范的修订提供了重要依据,成功应用于汽轮机转子材料、西气东输大型天然气管道阀门焊接材料的CTOD断裂安全评估;
    3)基于高分子材料的表面特性,发展和完善了高分子材料表面刮擦性能的测试方法,形成了表面刮擦性能的国标测试标准推荐草案;
    4)发展了新的SHPB冲击试验技术,研制了用于获取SHPB冲击材料本构关系和材料破坏试验的仪器装置并对一些国防防护材料进行了冲击性能试验应用;
    5)在国内率先开发研制了非对称拉压和三点弯曲超声疲劳试验硬件和自动控制软件系统,得到了常规疲劳试验所难以得到的材料在超长寿命下的疲劳性能;

 

2、结构振动与动强度分析
    2.1 结构动态安全分析及工程检测技术
    自九十年代初以来,实验室结合航空工程、核反应堆工程、高速铁路等领域的结构振动、流固耦合力学问题开展基础理论及试验研究,建立了结构非线性气动弹性系统颤振、板状叠层结构的流致振动、同轴圆柱壳体结构流固耦合响应等问题的系统分析方法并开发了相应的计算分析软件,为相应工程结构的流致振动设计提供了分析方法和理论依据,研究成果被相关设计部门采用,获得了高度评价。研究成果“非线性颤振分析”获1997年国家教委科技进步二等奖。
    近5年来,在6个国家自然科学基金项目和多个横向技术开发项目的资助下,取得了如下研究成果:
    1)在高速列车气固耦合系统动力学研究方面,从气动弹性力学的角度出发,系统研究了列车高速会车、通过隧道时的冲击压力波引起车体的形变和损伤度问题,列车运行风致安全性问题,开发了相应的计算机软件,研究成果已用于我国新一代高速列车头型的设计、车体强度及受电弓的设计中。
    2)在非线性气动弹性系统颤振及其稳定性研究方面,以KBM法二次渐近解为等效准则,建立了结构非线性气动弹性系统稳环颤振的高次等效线性化分析方法,并建立了相应的颤振极限环稳定性判别方法。部分理论结果得到模型风洞试验结果的验证,并用于某新型飞机的非线性颤振设计中。
    3)在壁板结构气动弹性稳定性研究方面,将微分求积法引入壁板气固耦合系统的颤振稳定性分析中,建立了壁板颤振系统的微分求积法离散化统一格式。系统研究了亚、超、高超音速壁板系统的颤振稳定性以及系统产生复杂响应的机理,为壁板结构的工程设计提供了理论依据。
    4)在核反应堆结构流致振动及其稳定性研究方面,结合固体有限元技术研究了板状叠层式结构在粘性流中的振动特性,建立了非线性板状叠层结构、同轴圆柱壳结构流固耦合系统屈曲、极限环颤振的分析方法。部分理论结果得到模型试验实测结果的证实,并在反应堆型号设计中得到应用。
    5)在桥梁工程检测技术方面,建立了一套方便适用的现场动态检测技术,并在国内一批大型、特大型桥梁工程检测评定中得到应用。
    6)基于激光振动场测试分析系统,建立了非接触式整车模态测试方法,有效避免了由于传感器质量导致的结构动特性测试误差。
    承担了国家及四川省众多重大公路、铁路干线桥梁的工程检测任务。


    2.2 非线性振动与控制理论研究
    近30年来,实验室长期坚持从事非线性振动力学基础理论和工程应用方面的研究,取得了卓越的成绩,产生了很大的国际国内学术影响,也一直是国内非线性动力学研究的一个主要阵地。研究成果“多体系统的碰撞振动、稳定与分叉”的研究获1995年国家教委科技进步二等奖,“强非线性振动系统周期解存在性与近似求解”研究成果获1998年四川省科技进步三等奖。
    近5年,在6项国家自然科学基金项目的资助下,针对非线性动力学的基础理论开展了深入的研究,取得如下创新成果:
    1)在分叉与混沌理论方面,研究了弹跳球模型的对称性和Moser微分条件,确定了此模型存在Smale马蹄的最小参数值。
    2)将Poincaré-Birkhoff创立的经典动力系统的拓扑理论推广到非定常以及冲击动力系统,研究了极限点集、Poisson稳定运动、回复运动等有界运动,建立了冲击动力系统的拓扑理论;
    3)研究了碰撞与非光滑系统周期运动的Neimark-Sacker分叉,其中包括余维一分叉和几种主要的余维二分叉,同时分析了强共振条件下的复杂分叉问题,描述了碰撞振动系统环面分叉的复杂性和通向混沌道路的多样性。
    4)研究了具有时间滞后的无限维关联系统的稳定性和模约束稳定性,在运动稳定性控制方面,对能量回馈式主动悬挂鲁棒控制器设计、车辆跟随自适应控制、不定参数车辆跟随滑模控制进行了系统研究。
    5)研究了运动阻尼夹层结构在热力耦合环境下的一些非线性动力学特性和稳定性问题,以及该类动力系统的分叉、混沌动力学行为,吸引子的结构特征的描述方法和分类、吸引子的形成机理和演变规律。

 

3、计算力学与工程结构仿真
    近三十年来,在杂交元-混合元有限元方法、随机有限元、广义变分原理等计算力学和结构仿真研究方面做出了突出贡献。早在1980年代就发展了国际杂交/混合元学派,在理论与应用两方面进行了大量前沿性的研究工作,使得我校的相关研究水平在国际上处于先进行列。   

    近5年来,特别是在中组部“千人计划”专家冯志强教授加盟以来,本研究方向取得了如下几方面的代表性研究成果:
    1)基于Lagrange接触算法,提出了全新的Bi-Potential接触理论,解决了各向异性摩擦、大变形接触、撞击等数值分析难题,独立开发了一套速度快、精度高的完整接触算法;
    2)研制了具有自主知识产权的有限元计算软件FER/System;
    3)建立了大挠度问题无网格伽辽金算法、材料高速冲击动态力学性能的人工智能预测算法、金属和高分子材料动态接触的弹塑性和粘弹性接触边界元理论与算法(数学规划新算法)、基于共轭梯度的Monte Carlo和Neumann随机有限元方法和变截面梁动力学特性快速算法等多种先进的计算力学基本理论和算法;
    4)针对风力机叶片结构特点和设计规范,研制出风电叶片和连接螺栓力学性能分析计算专用软件Blade_Pro,能快速计算出叶片各截面的纤维失效、粘结失效、疲劳失效指数,叶根连接螺栓强度(包括疲劳强度)、叶片的振动特性,已经在我国多家风电企业使用,产生了很好的经济和社会效益。