结构动力学与控制研究方向

针对航空航天、国防科技工业等领域中的结构和系统，深入开展了结构动力学分析、振动控制等方面的研究，在随机和时滞耦合非线性动力学、大型空间结构动力学、飞行器气动弹性和振动控制等领域取得进展。一是深入研究了具有输入时滞的最优控制设计问题，获得了原系统与转化后系统之间的反馈控制关系，设计出了基于原系统性能指标和状态变量的时滞系统反馈控制器；二是完整研究了空间环形天线结构等效动力学建模问题，获得了环形桁架-索网等效结构动力学模型，解决了大型环形天线结构动力学解析建模和分析问题；三是提出了基于Kriging代理、适于多马赫数非定常气动力降阶建模方法，将CFD气动力辨识模型成功应用于颤振抑制；四是建立了时域和频域分布的直升机旋翼动载荷模型及识别方法，首次识别了旋翼轴向分布动载荷，并通过反共振隔振装置获得了大于70%的动载荷隔离效果；五是成功争取到2016年度IUTAM Symposium on Nonlinear and Delayed Dynamics of Mechatronic Systems的主办权。

机械结构强度研究方向

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及其飞行器关键结构等展开了基础理论和应用技术研究。主要研究进展：一是发展了金属梯度复合结构力学的分析方法：基于扩展有限元方法建立了含裂纹金属梯度复合结构的力学模型，通过试验研究了金属梯度复合结构中梯度过渡区的裂纹扩展失效机理与破坏模式，获得了梯度过渡区材料断裂韧性分布规律，提出了梯度过渡区的疲劳裂纹扩展速率表征模型，建立了含裂纹金属梯度复合结构的剩余强度和疲劳裂纹扩展寿命预测技术，为金属梯度整体结构中梯度过渡区的耐久性/损伤容限设计奠定基础。二是在复合材料基本性能研究和分析方法上取得了新进展：提出了树脂基纺织复合材料吸湿模型，将常见的复合材料一维吸湿理论推广到能考虑微裂纹等缺陷的多维情况，定量描述了复合材料吸湿的非FICK特性；提出了复合材料冲击损伤凹坑的形成机理和模型，成功从数值模拟角度建立了冲击凹坑深度与损伤程度的联系，与为复合材料冲击损伤评估提供了新的分析手段。三是在固体或结构断裂的数值模拟领域提出了新的方法，发展了一种模拟裂纹扩展的新型有新型有限元方法，该方法在保留现有的扩展有限元优点的同时，避开了其在分析非线性问题时遇到的本质困难，在现有有限元框架下可以方便地拓展到各种非线性断裂问题的模拟，该方法在国际、国内的交流中获得同行的很大兴趣。四是在高温陶瓷基复合材料结构与力学领域取得进展：基于连续损伤力学理论建立了陶瓷基纤维增强复合材料的本构模型，预测了二维机织C/SiC复合材料在高温下的应力应变关系，理论分析结果与实验结果相吻合；提出了一种新的陶瓷基纤维增强复合材料在疲劳载荷下的迟滞环模型，综合考虑了基体裂纹，界面分离、磨损，纤维断裂和裂纹闭合等因素，可应用于任意复合疲劳载荷。五是参与国家重大专项和重点型号工程：在C919大型客机集成推进系统（IPS）吊挂研制方面，解决了吊挂试验系统设计、加载及边界条件模拟、支持段刚度模拟、界面载荷测量等关键技术，为大型飞机吊挂结构试验技术研究、结构设计及后续加工制造等提供了有效参考，也为C919大型客机首飞、改型和适航取证提供了技术支撑；在某型直升机主起落架研制方面，首次将三维编织复合材料应用于航空承力结构件，提出了一套三维编织复合材料结构件设计及强度分析方法，设计了新型的三维五向编织复合材料摇臂结构，与铝合金摇臂原型件相比，刚度和强度相当，设计重量减轻20%。

振动利用和精密驱动研究方向

针对航空航天、国防和新兴产业对作动与换能技术的需求，对包括压电作动器高性能化、新作动功能的原理与器件结构、高性能作动功能材料研制等方面的压电作动技术，以及压电换能技术，展开了深入的研究，取得的主要进展如下：一是突破了不依赖姿态信息的导引控制技术，研制了面向某智能弹药的新型超声电机及系统导引组件，成功用于某特种装备，取得了优异的综合性能，另外，还研制成功压电接触式可复位驱动装置、基于螺旋箝位方式的新型大推力直线压电作动器、微型压电直线电机驱动的胶囊内窥镜镜头模块等，丰富了压电马达的驱动功能，并压电作动器的非线性特性分析与试验研究方面取得初步进展；二是首次利用超声手段实现了非振动基板上液滴中微纳物质聚集、纳米线旋转驱动、空气中PM2.5与PM2.5-10有效回收等微纳操控功能，并通过理论计算与实验数据分析，首次提出了器件中声学流的有效控制方法，为微纳制造与测量、舱体空气净化以及其它相关领域提供了具有竞争力的微纳驱动原理，另外，对利用超声辅助药物分子的受控微驱动进行了探索性研究，取得了在战地医护方面具有良好应用前景的初步成果；三是对PZT-PZN-PNN多元体系进行了相结构、微观形貌和电学性能以及能量转换特性等方面的研究，在其三维相图中找到两个高d33*g33成分点，是迄今为止该体系陶瓷材料中所报道的最大值，另外，设计并制备聚酰亚胺基复合材料作为旋转型超声电机摩擦材料，该摩擦材料机械强度高，耐温性好，磨损量小，能够大大延长超声电机的使用寿命；四是通过优化冲击型压电能量回收装置的结构，对其输出功率和频率响应特性等进行了优化，使得这些装置更加接近各种实际应用。

微纳系统力学研究方向

面向航空航天和微纳系统发展需求，基于纳尺度多场耦合的纳智能系统概念，针对微纳尺度力-电-磁-热-流耦合，开展基于量子力学、连续体力学和材料物理的纳尺度物理力学理论、大规模计算模拟与实验研究，发展了一系列低维材料结构可控制备原理和途径，发现了多种新型的低维材料多场耦合调控现象和高效能量转化器件原理：一是理论和实验相结合，在国际上首次发现了石墨烯的新型流电耦合现象--“波动势”和“拽势”：当在石墨烯表面拖动含离子液滴运动时，会在石墨烯沿液滴运动方向的两端产生电压，该现象被命名为“拽势”；当在石墨烯插入含离子溶液过程中，会在石墨烯两端产生电压，该现象被命名为“波动势”；深入的研究揭示这两种势都是气-液-固双电层边界运动导致的动电新现象，被国际上评论为拓展了数百年的动电理论。二是通过第一原理计算，发现二维材料在发生弯曲变形时，材料沿弯矩方向产生了意想不到的显著应变，是一种全新的材料基本属性—“弯曲泊松效应”，并发展了弹性理论。三是实验发现单层h-BN薄膜可以有效降低铜表面的摩擦系数，而且这种单原子层覆盖能够有效隔绝铜基底与环境中氧的相互作用起到高温防氧化作用，并能耐受很高的压力。进一步理论计算表明，对于氧化的h-BN，当表面上形成垂直的B-O键时，h-BN单层会从绝缘体转变成金属性，提供了一种利用氧原子吸附来调控六方氮化硼电学性能的可行途径。四是预测了Bi2Te3/Sb2Te3拓扑绝缘体异质层的本征Rashba-like劈裂，为拓扑绝缘体表面态的调控提供了新的思路。

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的功能材料与器件、结构健康监测、振动噪声控制、自适应变体结构等技术中的关键科学问题，取得了一系列成果：一是在功能材料与器件方面，系统研究了PNN-PZT系列压电陶瓷材料的烧结工艺、掺杂、组分与性能之间关系，开发出以PFNN-PZT为代表的高压电性能材料（d33>1000 pC/N, kp>70%），开发出压电功能梯度驱动器、压电纤维复合材料、等多种功能器件和新材料，提出了压电智能夹层传感器的可靠性封装方法，为压电功能器件的实用化奠定了基础；二是在结构健康监测方面，围绕轻量化结构健康监测方法、结构损伤的高可靠性成像和评估方法、结构损伤扩展及寿命预测的实现方法开展了深入研究，提出用于结构健康监测的大规模连续实时监测无线传感器网络实现方法；首创了复合材料结构冲击区域无线网络监测方法；提出基于距离-波数域傅立叶变换及弯折离散傅立叶变换的Lamb波信号域变换频散补偿理论，并应用于结构损伤的成像，实现了金属和复合材料结构多损伤的高分辨成像；建立了基于多重信号分类算法的结构冲击及损伤成像理论；提出了基于导波-自适应高斯混合模型的损伤概率评估模型，实现了工程时变环境下结构损伤的高可靠性评估；深入研究了结构疲劳裂纹扩展的粒子滤波预测方法。三是在结构减振降噪方面，提出了多种结构振动非接触主动控制新方法，解决了PLZT驱动器不能产生负膜力的问题，显著提高了曲壳结构振动非接触主动控制的控制效果；提出了多种半主动振动控制新方法，解决了压电元件在半主动振动控制上得以应用的多项关键技术；提出了非对称半主动切换电路，通过提高压电器件上的有效控制电压，显著提高了控制效果，并在大型太空天线的展开臂上进行了功能验证；四是在自适应结构方面，提出了可变弯度机翼后缘结构的设计、折叠翼飞行器变形机构设计、新型柔性蒙皮结构设计与制作方法，为自适应机翼、可变体飞行器的设计提供了一定借鉴。