结构动力学与控制方向

现有的空间物体离轨或移除技术研究，大都针对质量、尺寸以及角动量不是非常大的目标，一般要求先通过喷气作动等方式对目标进行解旋，以避免过高角速度所致的后续任务操作困难。然而，旋转的大型甚至巨型空间目标往往具有超大的角动量，通过喷气作动对其进行解旋势必消耗海量燃料。为此，研究了从低速旋转的大型空间目标上释放绳系载荷，并通过系绳拉力作用在目标上形成的力矩，在不消耗燃料的条件下实现空间目标解旋的问题。该问题的主要难点一方面在于其非线性、欠驱动特性，另一方面则是因为释放控制需满足拉力不能为负的物理约束。针对该问题，提出了“部分不变释放运动”概念。该运动对应于系绳释放速率以及系绳相对于目标的摆角均保持不变的特殊状态，从而以光滑、稳定的方式实现系绳释放和目标解旋。为此，在考虑系统非线性和控制约束的前提下，基于非线性模型预测控制方法设计了系绳拉力控制律，以实现“部分不变释放运动”。数值仿真研究表明，在该控制律作用下系统轨道将迅速达到“部分不变释放运动”并随后保持该运动模式。该研究已刊发在Nonlinear Dynamics, 2019, 96(1)。多输入多输出（MIMO）振动环境试验法是当今振动环境试验领域最先进的试验方法，MIMO非高斯以及非平稳随机振动试验控制方法的难点在于多输入驱动信号的生成和多输出非高斯或非平稳特征的控制。传统的MIMO控制无法实现非高斯非平稳振动控制，主要原因是加入时域控制特征后出现了时频耦合问题以及非高斯非平稳信号的生成问题。为了解决上述问题，机械结构力学及控制国家重点实验室开展了MIMO振动控制算法系列研究，提出了非高斯试验控制、非平稳试验控制等MIMO控制算法，成功克服了时频控制的耦合问题以及MIMO系统自身内在的耦合问题，解决了MIMO非平稳输入的控制、峭度与谱密度矩阵兼容性控制的难题，并开发了相应的控制软件。上述研究已刊发在Mechanical Systems and Signal Processing, 2019, 122；Mechanical Systems and Signal Processing, 2019, 124；Mechanical Systems and Signal Processing, 2019, 126。目前，在结构动力学分析中最常用的阻尼模型仍是粘滞阻尼及结构阻尼模型。然而，随着机械结构的复杂化及复合材料的广泛应用，这类传统的阻尼模型并不能准确地描述系统的耗能。项目组在阻尼模型领域，针对具有时间记忆效应的卷积阻尼模型开展了研究。与粘滞阻尼模型相比，其运动方程由于卷积项的引入不再是二阶常微分方程，传统的状态空间法已不再适用。对此，针对核函数为指数函数的情况，通过引入位移向量及其各阶导数作为状态变量，将含有卷积积分项的原二阶微分方程转化为仅含有一阶导数的状态空间形式，利用传统的特征值解方法即可求解。基于推导出的状态空间方程，提出了一种直接近似积分法求解时域响应。数值分析表明，该方法能够高效、准确地求解指数型阻尼模型系统的动力学响应。该研究已刊发在Computers & Structures, 2019, 212。

机械结构强度方向

以航空航天和国防科技等工程领域所需的先进材料和特殊结构为主要对象，展开多学科交叉的基础理论和应用技术研究，在复合材料力学和结构强度、智能材料力学、多功能超轻材料与结构设计等方面取得进展。一是发展了多种复合材料性能分析方法和强度计算理论，为新型的复合材料结构设计和计算提供基础。如针对针刺碳/碳复合材料，提出了采用圆弧梁单元和扩展弹簧单元来分别模拟针刺纤维束、各向同性高温碳基体以及短切纤维的力学性能，并考虑针刺过程中对平面纤维束产生的不规则分布的局部缺陷对碳/碳复合材料力学性能的影响；针对3D多层缠绕编织复合材料结构，应用周期边界条件结合纤维束和基体之间的界面单元，建立了轴向拉伸载荷作用下的渐进损伤分析模型，采用Hashin准则和Von Mises应力准则分别预测了纤维束和基体损伤的起始，揭示了在宽度和厚度方向纤维束-基体拉伸开裂等损伤模式对复合材料结构破坏的影响；针对加筋壁板的稳定性分析，提出了一种高效的数值计算方法，建立了弱形式的求积板单元，可同时用于局部屈曲和整体屈曲分析。二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。如利用Stroh公式和广义Hillbert解法给出了具有两种不同压电参数的双材料界面裂纹问题的解析解，并系统阐述了Maxwell应力在裂纹扩展失效中的作用；针对软材料含硬夹杂问题，系统分析了热流加载、集中力加载等情况下，硬质夹杂对软材料的破坏机理，提出了硬质夹杂的“刺破”效应是加剧软材料破坏的主要因素；利用折纸结构与智能二维材料、形状记忆材料等的有机结合，设计并分析了微纳尺度折纸型传感器的力学性能，以及含缺陷情况下折纸型传感器的力学响应和强度特性。三是发展了多功能超轻材料与结构设计理论，为其工程应用打下基础。如面向舰船、装甲车等装备的防护需求，首次提出了在泡沫铝子弹中内置破片模拟弹组成复合弹进而在靶板上产生冲击波与单个破片联合载荷的创新实验方法；针对轻质防弹装甲的研发，提出了在陶瓷上施加足够大预应力以实现提升其抗弹丸打击能力的新方法；针对轻质浅埋地雷防护组件的研发，提出了基于爆炸动力学和结构冲击动力学理论于一体的防护组件设计方法，揭示三明治夹层结构抗爆轰机理，给出了该类结构的优势区间和设计思路；面向航空声学包、航空发动机声衬等吸隔声应用，建立了花瓣状微管中斯托克斯流的数学模型，量化了微管边界的相对粗糙度和波数对斯托克斯流的影响，修正了微穿孔板的经典理论，阐明了粗糙度对微穿孔表面吸声的重要影响；面向含液多孔材料/结构在医学与生物工程领域应用，基于范特霍夫渗透平衡方程与自洽均一化理论，建立了考虑渗透平衡、力学平衡和物质守恒的从细胞到组织的跨尺度理论模型，提出了一种基于细胞核核膜拉伸的力-电转导模型，揭示了细胞核核孔复合体开关状态及其选择运输机制；建立了充液毛细管振动的基于“弦-梁结构”理论模型，通过求解特征方程分析了固-液界面张力对悬臂充液毛细管振动特性的影响规律，发现了界面张力导致高阶模态转换诱导低阶模态消失或出现的现象。

振动利用与精密驱动方向

针对国防军工、航空航天以及智能制造领域对高精度、高可靠、苛刻工作环境精密驱动技术需求，以及压电精密驱动技术标准化、轻量化、智能化的发展趋势，振动利用和精密驱动研究方向在标准制定、基础研究、关键技术突破及产业应用方面均取得重要进展：

标准制定：针对国防军工和产业发展的需求，主持编写制定并发布了超声电机应用相关的兵器行业标准和超声电机及其驱动控制器相关的国家标准。材料基础研究进展：采用自组装方法构建了一种BaTiO3单晶微片有序排列的P(VDF-TrFE)/BaTiO3柔性压电复合薄膜，复合薄膜对压力响应的灵敏度较P(VDF-TrFE)压电聚合物薄膜提高了20-100倍；确定了三元压电陶瓷体系xBiScO3-(100-x-y)PbZrO3-yPbTiO3的准同型相界区域，获得了剩余极化几乎不随温度的变化且温度稳定性高的高性能压电陶瓷，压电应变常数d33 = 426 pC/N，高场下的d33* = 590 pm/V；利用分子动力学模拟，从原子尺度揭示了超声电机摩擦界面相互作用机理，为增摩减磨型摩擦材料的设计提供理论基础。器件基础研究进展：针对轻量化应用需求，以交联型聚苯硫醚作为弹性基体，以纳米级厚度石墨烯为电极，研制了超轻量化非金属基体驻波超声电机，重量仅为5.3 g，输出力矩0.035Nm；提出并验证了一种用于快速识别用户的输入指令并处理成特定驱动信号的声驱动微型机器人人机交互技术，实现了对微纳米颗粒的精准输运；提出了超声聚集药物与超快超声成像技术相结合的靶向给药新方法，实现了具有实时成像的靶向药物操控，为肿瘤靶向药物控释技术提供了新的途径。关键技术突破：面向深海高压特殊环境，提出利用全开放压电驱动方法解除深海水压对驱动系统的制约，实现了单振子双螺旋桨水下驱动和多自由度机械臂关节水下驱动原理验证；面向真空、强磁场特殊环境，构建托卡马克检测维护机器人驱动系统，实现了轨道运载机器人驱动原理验证；面向大型医疗设备强磁场环境，建立了行波超声电机整机非线性仿真模型，优化了行波超声电机定子结构，提高了电机最大输出力矩（例：PMR60型超声电机最大输出力矩从1.3Nm提升至2Nm），并成功应用于核磁共振医疗高压注射器中；针对小型无人机机翼折叠电驱动的应用需求，提出了一种双向大推力螺旋箝位压电作动器，为小型可折叠机翼无人机轻型化、灵巧化和智能化发展提供一种有效的机翼折叠动力方案。产业重要应用：首次提出把精密驱动与控制技术应用于智能制造，突破了基于压电/电磁复合驱动的高精度流量控制、高速高精物料直线驱动技术、机器视觉防抖与微位移补偿、工业互联云平台等关键技术，成功研制了汽车零部件（门锁、减振器、压缩机、调角器等）、泵阀、新能源电池等行业的多条装配检测流水线及MES、SCADA软件平台，成果在昆山麦格纳、十堰采埃孚、上海恩坦华、河北亚大、江苏力乐、浙江新涛等企业获得大量应用。

微纳系统力学方向

在微纳系统力学理论方面：将三维有限元综合分析与现有理论解相结合，首次得到了有限厚板圆孔和椭圆孔处应力、应变集中系数和平面外约束系数的一套完整显式公式。利用连续介质理论和原子模拟，发现碳纳米锥呈现出一种特殊的机电耦合，通过施加简单的垂直压力可产生巨赝磁场，改变锥体的几何形状可以实现对赝磁场分布的大面积控制。提出了支持向量机模型可以作为有效的方法从多主元合金中识别出面心立方和体心立方相高熵合金，从16种不同元素的组分空间中预测出369个面心立方和267个体心立方相的等原子比例的高熵合金，比目前已有实验报道的等原子比高熵合金数量高一个数量级。基于GW理论和Bethe-Salpeter方程揭示单层二硫化钼（一种各向同性半导体）的激子激发能量可通过剪切应变显著地调节，剪切应变不仅引入关于入射光极化方向的光学各向异性，而且可有效调控激子激发能量，并通过激子动力学的有限元仿真揭示了一种剪切导致的激子漏斗效应。

在新型低维材料多场调控方面：发现通过引入少量的硅元素至铜衬底中，可以将六方氮化硼晶畴的成核密度降低两个数量级，从而实现近毫米级大单晶的生长。搭建了石墨烯-溶液-石墨烯体系，发现石墨烯片相对溶液波动，在两石墨烯之间可产生高达1 V的“波动势”。总结评述了多种石墨炔材料用于海水淡化和气体分离等应用的最新研究进展，显示石墨炔膜具有远超商业膜的高渗透性和高选择性。研究了单层VSe2中的力电磁耦合，发现单层VSe2褶皱中挠曲电效应和柔磁效应可同时存在。

在二维异质范德华界面的层间作用研究方面取得突破：通过直接测量和异质界面间粘附竞争两种实验策略研究了不同范德华异质界面上的范德华作用强度差异，并通过改进的Lifshitz理论模型说明材料介电响应对异质界面相互作用的关键作用。该结果以“Probing van der Waals interactions at two-dimensional heterointerfaces”为题在《自然·纳米技术》发表论文。

智能材料与结构方向

在结构健康监测方面，针对工程服役条件下损伤高可靠性诊断难题，提出了自适应导波-高斯混合模型的动态概率诊断方法，建立了动态概率时间反转聚焦成像机制，通过时变因素影响的概率混合模型表征-监测过程中动态更新-概率混合模型的迁移量化-多监测路径合成，提高的温度、振动等服役条件影响下的损伤诊断可靠性；针对飞行器结构常见的多裂纹疲劳损伤问题，提出了基于正则化粒子滤波-动态裂纹扩展系数的多裂纹扩展预测算法，通过多裂纹在线监测数据表征对各个裂纹扩展状态的动态裂纹扩展系数及多裂纹疲劳扩展模型参数进行实时修正，准确实现了常幅载荷下孔边双裂纹的萌生识别和扩展预测；提出了共用信号传输线型压电传感器网络，极大减少了传感网络的引线及监测系统通道数，在此基础上，提出了基于分形岛-桥结构的大面积、可拉伸的压电-导波传感网络设计及其柔性制造方法，初步实现了监测网络的小尺度制造、大尺度展开应用，为飞行器大面积、轻量化结构健康监测智能蒙皮的实现奠定了传感网络基础。

在减振降噪研究方面，建立了基于模态空间和波数域的声学黑洞（ABH）封闭声腔的两种声振耦合模型，阐明了局部模态降低有效作用频率的现象，发现了ABH声振解耦的特殊优异功能，解释了ABH实现降噪的内在机理。声振耦合模型的建立和机理及参数影响规律的揭示进一步丰富并发展了ABH理论，为后续设计和优化ABH结构提供了理论依据。针对ABH结构局部强度弱的问题，提出了复合式、非理想等多种ABH新构型，不仅提升了结构的强度，提高了能量聚集效应，而且丰富了ABH结构优化设计的可调节参数；针对ABH有效频率与结构强度难以协调的矛盾，发明了分布式ABH、多维动力吸振ABH等结构形式，阐明了结构尺寸、位置、维度等参数对控制效果的影响规律，不仅有效解决了强度与频率之间的矛盾，而且克服了传统ABH可调频率范围窄的不足。设计的多种ABH新构型丰富了波操控理论，促进了ABH结构在减振降噪工程中的实用化。

      在非接触式检测研究方面，针对飞行器含曲面复合材料结构疲劳特性难以评估的问题，建立了阶跃（MSMR）和光滑连续（CVMR）模式比梁模型，揭示了纤维增强复合材料在交变载荷作用下的损伤演化规律，为预测复合材料剩余寿命提供了力学模型；提出了复合材料随机基体裂纹分布及演化有限元建模方法，阐明了复合材料疲劳损伤累积对导波传播的影响规律，为提取导波参数表征复合材料疲劳特性提供了理论依据；建立了基于Lamb波波速的疲劳预测层次模型，提出了基于置信区间的寿命预测准则，发展了人工智能算法的复合材料剩余寿命预测方法；揭示了激光超声系统快速扫查引起的导波信号信噪比低的机理，提出了伪波场信号处理方法，为提升激光超声检测速率提供了信号处理手段，促进了激光超声的复合材料疲劳评估方法向工程应用的转化。