结构动力学与控制研究方向

首次给出了高速气流下弹舱开-闭过程中舱内复杂气流分布分析技术问题的描述，包括理论模型、建模准则、分析方法和关键控制参数，较好地解决了变体过程中非定常气动载荷的数值模拟问题。提出了三维气动力分布载荷识别的理论方法及动力学降维映射技术，完成了分布动载荷识别的动态标定和工程应用的设计路线。针对结构壁板连续分布的动态压力载荷，建立了分布动载荷模型，首次创建了基于广义正交多项式拟合的动载荷识别理论体系，完成了识别方法的理论基础、仿真分析和试验验证。构建了典型盒状件三维动载荷模型简化到二维动载荷模型的映射技术，系统地建立了基于有限元技术的动态标定方法和工程应用技术体系。风洞试验完成了该方法在内埋弹舱模型舱门开-闭过程中迎风板的分布动载荷识别及局部验证。将动态子结构理论引入到空气动力学领域，通过子结构结构动力学和子结构空气动力学分析，综合出一套可变结构参数化气动弹性模型与稳定性分析的新方法，实现了可变体结构参数化的气动弹性稳定性分析，大大提高了可变体结构稳定性分析的效率。将现代自适应控制及时滞系统动力学理论引入到弹性可变结构的失稳控制中，提出了抑制可变结构失稳的自适应主动控制和时滞控制新方法，实现了系统稳定区域的扩张。关于Active Flutter Suppression for High Dimensional Aeroelastic System via Delayed Control的研究作为2012年世界力学家大会的邀请报告之一受到广泛关注。

机械结构强度研究方向

丰富了三维断裂力学理论及其应用：首次获得三维应力约束下蠕变裂纹端部应力应变场的解析解，提出了三维蠕变裂端场的双参数和三参数描述体系；建立了三维复合型裂纹和三维弹塑性裂纹的双参数和三参数描述体系和断裂准则，为现代空天结构损伤容限分析奠定了先进的理论基础；基于应力约束等效原则建立起三维裂纹前沿线上任一点的等效厚度概念，并将其应用到三维构件的断裂和疲劳裂纹扩展的模拟中，取得了与试验结果相吻合的模拟结果。发展了复杂载荷下飞行器结构疲劳寿命评估技术：本评估技术在发展SSF法、多轴疲劳理论、振动疲劳等方面有重要创新，并成功应用于多个型号工程的结构疲劳寿命评估，具体包括发展了一个等效SSF法，该方法很好地解决复杂载荷边界和几何边界条件下结构细节疲劳寿命评估问题，并且可与结构有限元分析无缝连接，应用方便；提出了结构在面内总体反复载荷和面外随机振动载荷共同作用下结构疲劳寿命分析方法，解决了两种载荷耦合条件下疲劳寿命分析方法；发展了飞机结构多轴疲劳寿命评估技术，包括多种疲劳破坏准则和累积损伤理论等。发展了复杂动载荷条件下飞行器起落装置强度理论及试验技术，形成了我国飞行器起落装置设计、分析和试验体系，提高了我国飞行器起落装置综合试验技术水平。上述成果应用于多个国家重要型号工程及预研项目。

振动利用和精密驱动研究方向

 以大行程、高精度和快响应为目标，对直线超声电机的动力学、优化设计理论、定子设计关键技术和驱动控制系统软硬件优化等开展了研究，并取得了突破。提出了直线超声电机的定动子接触动力学，为摩擦界面的优化设计、瞬态和稳态机械特性的预测及改进，提供了理论基础；建立了基于逼近、递推和时域分析的性能分析模型，利用此模型定量揭示了电机振动参数对驱动速度和驱动力的影响关系，为直线超声电机提供了优化设计方向；发展了两种定子优化方法，即有限元优化模块法和响应面法，为定子的优化设计提供了技术方法；提出了采用叠层压电堆、连续变截面结构、d33效应、定子/柔性铰链夹持一体化、多足驱动和非共振等的定子设计方法，显著提高了直线电机的行程、推力、驱动精度和结构稳定性。利用PSoC嵌入式模拟/数字可编程单片机，对驱动/控制系统进行了优化，发明了可分别用于共振型和非共振型直线压电电机的驱动/控制器。PSoc1嵌入式单片机的使用可显著提高系统的控制性能，更加容易实现纳米驱动分辨率。

在纳米操控和微驱动方面，提出并验证了一些新原理，为这些技术的进一步发展提供了物理手段。提出了利用可移动声学涡流对单根纳米线进行捕捉、定向和移动的原理，并借助于声学微针结构，验证了该原理，实现了单根纳米线的接触式和非接触式捕捉、定向、3维和2维移动。声学操控方法和其他方法相比，具有对样品的材料无选择性、对样品的热损害小等优点。提出了一种产生旋转行波的新方法，即利用不均匀励振板在节点周围的振动获得周向行波，为微流体的旋转驱动和微小固体的自旋驱动提供了一种新原理。该原理具有单相励振、励振机构简单、适用于微小物体驱动、器件可做成平台形式等特点，在微反应器、微物体分离和微机械驱动等方面有着很好的应用前景。

微纳系统力学研究方向

提出将六方晶格结构/石墨烯复合多层结构化转变为杂化的立方氮化硼/金刚石纳米薄膜。这种杂化的纳米薄膜中间由金刚石组成，靠近薄膜表面部分由更稳定的立方氮化硼组成，形成独特的高稳定性杂化结构。通过增加立方氮化硼组分的厚度，这种杂化的纳米薄膜也可变为良好的半导体，且其能隙与立方氮化硼厚度成反比。其次，针对六方氮化硼单层和氮化硼纳米管的功能化，探索了一套颇为可行的控制材料功能化的方法。以这些氮化硼结构的氟化和氢化为例，我们发现当整个体系为n-型掺杂时，吸附原子（氢或氟）全部倾向于与硼原子成键，使得整个体系具有自发的磁性；而当整个体系为p-型掺杂时，吸附原子易在氮化硼表面形成二聚体吸附结构而使得整个体系仍为绝缘体。实验室与北京大学合作，用第一性原理计算和阴极激光光谱的方法都很好地证明了应变梯度与ZnO半导体纳米线的带隙之间的线性关系，这是一种全新的应变效应，填补了已有的半导体应变工程中应变梯度与半导体带隙关系的空白。实验室研究人员利用自己合成的大面积高质量的单个碳原子层形成的石墨烯开展能量转化研究，发现了完全不同的生电机制。

智能材料与结构研究方向

以智能结构在飞行器上的应用为牵引，研究飞行器智能结构系统集成的关键科学问题，主要成果如下：在功能材料与器件方面，针对含铅压电陶瓷存在环境污染问题，探索性开展了无铅压电陶瓷材料研究。在结构健康监测方面，针对真实航空结构的复杂特点，从解决结构多反射信号的混叠、降低对结构先验参数的依赖、解决结构弹性波的多模式频散等方面，基于波动理论发展了复杂结构损伤监测方法；提出了分布式协作型结构健康监测的实现方法、体系架构、本体和推进器实现方法、基于协作和共享方法的社会行为和学习行为机制，利用智能无线传感器网络的分布式信号处理能力建立轻量化协作型结构健康监测系统；研究了FBG传感器在使用中因疲劳应变、高/低温、紫外线漂白和化学腐蚀等作用性能发生退化的原理，对FBG传感器性能发生退化时的异常光谱信号特征进行了分析，得出了FBG传感器主要参数发生性能退化时变化规律，为及时准确判别与评估FBG传感器的健康状况提供依据。在结构减振降噪方面，提出使用正位置反馈及自适应控制的混合控制策略，使用三个压电片作为驱动器，提高了夹筋壁板对宽带低频噪声的隔声性能，通过主动控制，使座舱内部的噪声整体声压级降低达7分贝，对于第一阶模态的声辐射降低，控制效果可达15分贝以上。整套系统鲁棒性好，为结构声的主动控制进一步实用化提供了良好基础。在自适应结构方面，提出了一种给予蜂窝结构的新型可变形弹性蒙皮，并应用于可变弯度机翼后缘结构的设计、为自适应机翼、可变体飞行器的设计提供了一定借鉴。