结构动力学与控制方向

变翼可以增强并代替副翼来控制飞行器的气动特性。为将变翼技术用于颤振抑制，开展了可变翼展飞行器在亚声速下的动态特性及稳定性研究。基于凯恩方法和活塞理论，建立了一种轴向运动悬臂板模拟的变翼展结构动力学模型，提出了采用不同伸展速度对颤振进行抑制的控制策略。基于慢时变系统理论，分析了变翼过程的瞬态稳定性。数值结果表明，提出的变翼控制策略可以在没有控制面的帮助下成功地抑制颤振。该研究已刊发在Journal of Sound and Vibration, 2018。主动-被动混合控制是振动控制的常用控制策略。被动控制中采用的阻尼材料常常具有粘弹性特性，刻画其记忆效应的恰当数学工具是分数阶导数，而主动控制环节的数字控制器和滤波器具有时间滞后效应，因此，分数阶时滞微分方程是被动-主动控制下振动控制系统的一种数学模型，其动力学分析已成为学术界的一个研究热点。我们针对系数依赖时滞的一类分数阶时滞系统，研究了随着时滞量的变化而产生的系统稳定性的切换。基于特征根分析，通过引入两个辅助函数，建立了控制系统发生稳定性切换的一种形式简洁且易于检验的判别准则，推广了文献中被广泛应用的结果。相关成果刊发至ASME Journal of Computational and Nonlinear Dynamics, NOVEMBER 2018。在进行电动力绳系航天器控制器设计时，现有研究通常采用基于双角参数姿态描述法的哑铃模型，即通过两个角参数（面内角和面外角）描述哑铃模型的姿态，所导出的姿态动力学方程不可避免地存在奇异点。为避免双角参数姿态描述法在三维运动情形的奇异问题，基于矢量力学理论和欧拉动力学方程，建立了以系绳方向矢量和角速度矢量为运动参数的非奇异姿态动力学方程。此外，针对电动力系绳摆动控制问题，基于上述非奇异姿态运动描述框架设计了解析形式的电流反馈控制律，通过Lyapunov 方法分析了受控系统稳定性。该研究已刊发在Journal of Guidance, Control and Dynamics。扩展有限元是近年来快速发展起来一种数值计算方法，在求解Helmholtz波动方程时，当波数增加时无需重建网格，具有很高的计算效率和计算精度。我们以扩展有限元为基础建立了逆单位分解法（IPUFEM），结合迭代算法，通过获取波传播区域内或边界波场上有限信息重构波数。首次尝试借助扩展有限元方法去解决Helmholtz方程中逆问题，完成了平面波传播问题和平面波散射问题的波数重构，并验证了该方法的鲁棒性。该研究进一步拓展了振动工程领域逆问题的研究思路，该成果有望应用于生物工程，通过电磁波或声波波场的波数重构，通过波数变化研究人体器官或组织的健康状态，促进振动工程和生物工程的交叉融合。该研究已刊发在Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，2018。在利用功能材料进行振动控制方面取得了决定性进展。基于分子弹簧的高静低动刚度特性，提出了分子弹簧隔振缓冲技术。该技术突破了线性隔振理论中低隔振频率与小静位移不可兼得的原理瓶颈；研发了具有高静低动刚度特性的分子弹簧隔振缓冲装置。相对于现存隔振缓冲技术，分子弹簧隔振缓冲装置具有超高承载能力、超低固有频率、小体积、性能稳定、免维护等一系列优势。在被动隔振技术中，弱线性阻尼有利于改善隔振有效区的隔振效果，但却会导致较大的共振响应；低频隔振要求隔振系统具有低固有频率即低承载刚度，但低承载刚度会导致系统静变形过大与侧向失稳。主动隔振的提出则为了解决被动隔振技术中的上述种种矛盾，在保证隔振系统的可靠性的同时实现低频与宽频隔振。提出了立方速度反馈控制策略旨在保证较好隔振有效区隔振效果的同时抑制共振响应，与天棚型控制方案相比，非线性立方速度反馈控制策略并没有实时根据系统状态改变反馈增益，因此并不存在开关颤动的弊病。研究了反馈时滞对隔振系统的响应与稳定性影响，并给出了时滞参数的选取方法。研究结果表明，考虑时滞影响时，在一定时滞范围内，非线性速度反馈增益不仅起到调节阻尼的作用，还可调节系统刚度。合适的非线性速度反馈增益亦能够有效控制鞍结分岔，抑制跳跃现象的出现。相关研究成果发表于Journal of Sound and Vibration。考虑到脚踝提供的主动控制力矩的饱和性，对一个采用PDA（比例-微分-加速度）控制策略的非线性人体自平衡模型的动力学进行了分析。对于不爱活动的老年族群，随着年龄增加，其反应时滞增大而饱和力矩减小，亚临界分岔的出现可能是其发生摔倒的原因之一。论文发表在Journal of the Royal Society Interface。

机械结构强度方向

    以飞行器所需的先进材料和特殊结构为主要对象，针对复杂载荷环境下轻质复合材料结构及其飞行器关键结构等展开了基础理论和应用技术研究，在复合材料性能分析、复合材料结构损伤监测识别、智能材料力学、先进材料微尺度分析等方面取得进展。一是发展了多种复合材料性能分析方法，为新型的复合材料结构设计和计算提供了基础理论。如建立了单纤维复合材料应力传递的微观力学模型，研究了有限厚度均匀和渐变相界面的影响；建立了亚麻/玻璃混杂复合材料夹层扩散模型，用于预测不同铺层顺序的亚麻/玻璃混杂复合材料的吸湿行为，为外界环境影响下的混杂复合材料性能预测提供依据。二是发展了新型的复合材料结构损伤监测和识别方法，为结构的完整性评估提供有效信息。如提出了将碳纳米材料与复合材料结构有机集成的方法，结合电学成像技术，对外物低速冲击造成的损伤进行成像识别，将损伤信息可视化；提出了一种基于Krylov空间投影和Bayesian正则化的混合算法，在显著降低计算维度的情况下自适应地从测量电压数据中确定最优正则化参数并重建损伤引起的电导率分布变化，大大提高了损伤识别的速度和精度。三是发展了智能材料力学的基本理论，为智能材料的应用奠定了基础。如提出了一种多分支分数导数模型来研究非晶形状记忆聚合物（SMPs）的循环力学行为，将改进的Eying模型与分数导数模型结合以描述温度依赖性屈服和后屈服行为；对受到均匀电负载的压电固体中移动的裂缝进行了研究，在扩展的Stroh形式和复函数方法的基础上，分别利用半透裂纹模型推导出裂纹内部固体和电场中应力场的显式表达式，获得了麦克斯韦应力沿裂纹表面的影响。四是发展了先进材料的微尺度分析方法，为理解先进材料的微观损伤演化提供手段。如基于界面迁移下微结构演化的经典理论和弱解描述, 建立了应力诱发界面迁移下微结构演化的有限单元法；研究了单层六方氮化硼的断裂行为，通过有限元方法构造分子结构力学模型并将BN键等效为Timoshenko梁单元来模拟，在纳米带中引入边缘裂纹，分析了裂纹在张口位移载荷下平滑扩展的过程。

振动利用与精密驱动方向

    针对航空航天、国防和新兴产业对高性能驱动与换能的需求，对包括超声电机高性能化、高性能作动功能材料研制和新作动功能的原理与器件结构等方面的技术，以及压电换能技术，展开了深入的研究，并在相关关键技术的突破与重大应用方面，取得了如下的主要进展：一是把超声电机应用在嫦娥四号红外成像光谱仪定标组件的驱动单元上，从2018年12月8日发射入轨至今，运转正常，为探测月球表面土壤组分做出了贡献，并为超声电机后续在嫦娥五号等航天器上的应用打下了坚实的基础；二是提出了一种用于高旋转榴弹的压电执行器控制进给结构的舵机调速方法，初步验证了压电执行器用于超过5000rpm高旋转弹舵机速度调控的可行性；三是以×××用直线超声电机为研究对象，开展狭小空间、大推力直线超声电机的研究工作, 研制了门子形直线超声电机，该电机的定子体积在80×70×8（mm3）之内，推力大于100N; 四是通过对高频超声换能器3D打印技术的研发，成功制备出致密度高、形状复杂、尺寸精确的微型PZT压电陶瓷构件和LS-KNN无铅压电陶瓷构件；五是采用纳米复合改性，设计新型聚酰亚胺基摩擦材料以及表面织构，把超声电机定转子之间的平均摩擦系数从0.18提高到0.28，从而显著增加了超声电机的输出力矩和能量效率（从33%提高到42%）；六是将超声分子操控技术用于单传感器电子鼻，并实验验证了其工作原理的有效性；七是通过制备各种微纳振动结构，搭建了声操控型精密微流控实验平台，为颗粒微纳操控技术的应用研究提高了平台；八是研制成功一种微型压电直线作动器，为压电作动在消化道活检方面的应用提供了可能性。

微纳系统力学方向

    在微纳系统力学理论方面：发展了二维晶体范德华作用理论方法，通过计算依赖于二维材料的电子能隙和介电常数的范德华屏蔽，揭示了单层石墨烯对范德华力的屏蔽作用可以达到了53%，有助于材料表面物理力学作用的理性调控。在与界面范德华作用密切相关的摩擦行为中，发现在二维反铁磁晶体层间具有由自旋态决定的摩擦力和黏滑行为，首次将自旋作用引入摩擦研究。发现单层TMD起皱和相应的褶皱结构可以引起显著的应变梯度与电荷极化的耦合效应—挠曲电效应（Flexoelectricity），发展了相应的力学模型来描述这类效应。在新型低维材料多场调控方面：发明了一种通过铜镍表面合金直接制备带有预设图案的石墨烯-六方氮化硼面内异质结的化学气相沉积方法；发展了在钼箔表面上快速制备大面积单层硫化钼薄膜的方法，制备了可以用作高灵敏表面增强拉曼(SERS)基底的超薄二氧化钼（MoO2）纳米片；发现通过氮掺杂和使用弱相互作用基底可以直接制备出稳定的二维黑磷。计算发现六方蜂窝碳内部边缘呈现反铁磁性；提出一种具有较高居里温度的铁磁半导体——镓基过渡金属三硫化物，并证明其具有较强的动力学、热力学和机械稳定性；预测了一种全新结构的四方晶系二维铁磁半导体性材料NbSeH2。

在水伏器件研究方面取得概念性突破，以“Emerging hydrovoltaic technology”为题在《自然·纳米技术》（2018, 13, 1109）发表论文，提出了“水伏效应”的概念，其后编辑按以“More power from water”为题评述了基于纳米材料与水作用直接生电的水伏效应研究，并以封面亮点标题的形式提出了“水伏学”(Hydrovoltaics)概念。

智能材料与结构方向

    针对航空复合材料结构多部位和大范围监测时，存在误判和监测盲区问题，提出了无线节点组网时的网络冲突消解机制及中间监测盲区的融合诊断方法，实现了大尺寸、多部位结构冲击监测无线传感网络的组网研究；针对工程服役条件下损伤高可靠性诊断难题，提出了基于导波特征-混合概率模型表征-动态概率过程挖掘的结构损伤高可靠性概率评估理论，突破了时变服役环境下飞行器结构损伤诊断可靠性低的应用瓶颈；建立了基于力学寿命模型-结构健康监测-贝叶斯粒子滤波的结构在线损伤扩展及寿命预测理论，提出导波监测-确定性重采样粒子滤波、导波监测-高斯混合建议分布粒子滤波等在线结构疲劳裂纹扩展预测新方法，有效提高了多不确定因素影响下飞行器结构疲劳裂纹扩展预测的准确性。在减振降噪研究方面，从时域和频域两方面建立耦合附加元件的声学黑洞（ABH）结构的分析评估方法，利用前期已有的振动抑制实验平台与激光超声实验平台，进行了实验分析。首次揭示了封闭空间内的ABH声辐射机制，发现了ABH结构中的波速转换现象以及声振解耦现象，当频率高于有效起始频率时，ABH板与声腔的耦合系数逐渐变小，结构振动向声腔辐射能量的能力降低，从而大幅度降低了腔室空间的噪声水平。探索了ABH结构在声振耦合系统中的减振降噪工程应用，数值模拟和实验结果均表明，ABH板结构与腔内声场的耦合作用显著低于平板结构，具有宽频高效的振动噪声抑制效果，研究表明了ABH在减振降噪控制工程领域具备良好的应用价值与潜力。在自适应结构方面，和空客（北京）工程技术中心有限公司建立了“航空智能结构联合实验室”，开展自适应鼓包以及自适应翼梢小翼的研究，并已经完成了相应的结构设计。