结构动力学与控制研究方向

一是提出了数阶HPTiO2线性忆阻器模型，研究了周期外激励下分数阶导数的阶数对忆阻值动态范围和输出电压动态幅值的影响，推导出了磁滞旁瓣面积的计算公式。结果表明，阶数对磁滞回线形状及所围区域面积有重要影响。研究成果发表在《物理学报》。二是对带有非线性特征的复杂结构系统，提出了一种基于代理模型的分层级结构动力学模型修正方法，解决了带有几级子系统的结构动力学模型修正问题。以冲击动力学为例，提出了冲击响应置信因子和关键响应点的概念。研究成果发表在Chinese Journal of Aeronautics。三是基于地面物理仿真研究了绳系航天器的混沌运动及其控制，通过对卫星仿真器施加喷气力和动量轮力矩来模拟空间动力学环境，提出了两种天-地动力学等效方案，物理仿真验证了该等效方案的有效性。研究成果发表在Acta Mechanica、《力学学报》。四是针对空间环形结构动力学等效后形成的圆环-薄膜组合结构，提出了研究环形天线整体结构动力学的一种解析方法。通过力平衡和环-膜间位移连续性条件，确定了圆环位移与薄膜的边界条件，组合结构固有振动分析表明了该方法的有效性。该研究获得美国航空航天学会期刊审稿人高度赞赏，认为“该研究在空间可展开结构领域具有重要应用价值，研究内容正是该领域众多研究者所关注的热点问题，并认为论文得到的解析结果非常有意义”。研究成果发表在AIAA Journal of Spacecraft and Rockets。五是圆满完成中国-匈牙利政府科技合作委员会第六届例会项目“弹性结构的时滞控制”。中方成员出访9人次，接待匈方来访9人次。合作研究成果发表在Journal of Sound and Vibration、Journal of Vibration and Control和Automatica。

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，在复合材料结构力学、功能梯度结构分析、微观断裂力学、损伤识别和型号服务等方面取得进展。一是针对先进复合材料轻质结构的强度、破坏理论和优化设计方法，结合新型纺织材料，设计制备了新型碳纤维点阵夹层结构，研究了其强度破坏、整体屈曲、局部屈曲等多种破坏模式，建立了多模式破坏理论用于预测各种破坏强度。二是发展了功能梯度结构力学的分析方法，基于经典梁理论和微分求积法，提出了一种新的弱形式功能梯度梁单元，其特点是，单元节点与积分点可以不同，既可以采用Gauss-Lobatto-Legendre (GLL)积分也可以采用Gauss积分获得单元刚度矩阵和质量矩阵；与国内外相关的单元进行的数值分析比较表明，所提出的弱形式求积单元能够获得非常精确的固有振动频率，而仅需少量的节点数。三是在微观断裂力学取得新的进展，建立了含初始裂纹的石墨烯有限元条带模型，研究了在单轴拉伸下石墨烯I型裂纹的动态断裂非稳定性，研究发现：当外载应变率在105fs-1到108-1之间时，裂纹出现分叉不稳定现象；在较低的应变率下，石墨烯裂纹扩展平稳，完全沿初始裂纹方向直线扩展；在较高的拉伸应变率下，裂纹扩展速度达到临界速度约10.33 km/s时，裂纹开始发生分叉，呈现出非稳定振荡特性。四是在损伤识别方面，提出了处理不确定性因素的贝叶斯理论框架，结合扩展有限元方法，对结构中未知数量的多个损伤进行识别，分别通过贝叶斯模型选择和贝叶斯参数估计来获得损伤个数的后验概率以及各个损伤参数的后验概率密度，采用了一种跨维度的可逆跳跃马尔科夫链蒙特卡罗方法在损伤个数和损伤参数空间进行随机搜索来同时实现模型选择和参数识别。五是参与国家重大专项和重点型号工程，针对性能优异材料的不断涌现和增材加工技术的突破，开展了新型铝锂合金壁板和3D打印钛合金舵面的结构设计、分析、优化、试验验证，促进了新材料在国防重点型号的推广；在高温复杂环境下材料和和结构力学行为研究方面，开展了耐高温复合材料、钛合金等新型空天结构在力-热综合环境下的试验研究，并提出了一套热强度评估方法，为高温热结构设计提供技术支持，同时探索本学科新的研究方向。

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，并取得了初步的成功；二是利用纳米改性技术制备了新型聚酰亚胺基复合材料，该摩擦材料具有极低的磨损率，能够大大延长超声电机的使用寿命；还通过摩擦副表面织构化设计，提高了超声电机运行稳定性；三是在微纳米声学钳的高性能化方面取得了突破，首次利用超声手段实现了对空气中大密度微米物体如金属线的受控捕捉，以及接触式和非接触式超声纳米捕捉功能的整合。

微纳系统力学研究方向

本年度在微纳系统力学理论、新型低维功能材料制备和器件性能研究方面开展了大量研究工作并取得了一系列发现。其一，在微纳系统物理力学理论方面：理论预测了h-BP二维材料在压缩应变下的带隙红移和拉升应变下的带隙蓝移的反常规现象；揭示了利用表面功能化来调控六方氮化硼物理力学性能的方式和途径;揭示了氧化铝基底上层状碳纳米薄膜六边形褶皱的起皱行为与其厚度和基底应力之间的关系；发现了念珠状纳米线的周期性表面结构可以产生可控的声子边界散射，从而提高热电系数。其二，在新型低维功能材料制备方面：实现了晶粒尺寸和形貌可控的单原子层h-BN生长，研究了其单晶晶粒形貌和晶界的演化动力学过程，用氢刻蚀技术实现了h-BN晶界的大面积光学观测，并进而制备了h-BN纳米条带。国际上首次合成了二维硼单层结构，Nature、英国皇家化学会等对该项工作进行了专题亮点报道。其三，在新型器件设计和性能研究方面：利用模板化学气相沉积和冷冻干燥方法制备了三维石墨烯泡沫结构，并以其构建了低热损、易调控、低电压驱动的热声器件。

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，取得一系列研究进展：一是针对结构健康监测和无损检测技术，提出了压电智能夹层传感器的可靠性封装和表贴固化方法，为压电功能器件的实用化奠定了基础；在结构健康监测方面，继续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，提出用于航空结构多部位和大范围冲击监测的无线传感器网络组网技术，解决了网络冲突和监测盲区问题；提出基于空间滤波器的弹性波主被动监测理论，并用于复杂航空结构中的无波速冲击及损伤成像；提出了基于多重信号分类的结构冲击监测改进方法，实现了真实复合材料各项异性结构中的冲击定位；建立了弹性波监测-隐马尔可夫的结构损伤概率诊断模型，实现了工程复合时变环境下的高可靠性结构损伤评估；继续深入研究了结构疲劳裂纹扩展的粒子滤波预测方法。利用实验室研发的含金属芯压电纤维组网获取复杂结构Lamb波传播方向信息，提出了基于贝叶斯概率估计原理的多个冲击源位置识别的方法；构建了先进的激光超声成像系统，实现各向异性复合材料板中Lamb波波速的全场测量，并结合遗传算法对波速求逆，重构了复合材料的独立刚度系数，为复合材料疲劳状况检测提供了新思路。应用激光超声成像系统获取的波场，采用短空间傅里叶变换获取结构中Lamb波波数分布，结合遗传算法实现了结构的损伤深度识别。在电磁涡流检测方面，采用接触阻抗方法模拟层间界面电学性能，并利用矢量磁位A-标量电位法求解导体域，构建复合材料板电学分析的有限元模型，实现导体域中电流分布特性和损伤特性的分析；结合涡流C扫检测系统对复合材料中的裂纹、冲击、分层损伤及铺层方向进行扫描成像。在损伤建模方面，采用连续介质损伤力学对复合材料层合板进行模拟，使用内聚力单元对层间损伤进行了建模，构建了层合板的静强度分析有限元模型，结合超声C扫对钻孔层合板孔边分层的检测结果，实现了钻孔板的静强度预测。二是在结构减振降噪方面，提出了利用声学黑洞效应实现结构减振降噪的新思路，发展了声学黑洞效应的时频域分析方法，揭示ABH 效应现象背后的物理机制及参数影响规律，为ABH 系统的定性定量分析和优化设计提供了研究方法和理论依据。在ABH 的实验分析与验证方面取得进展，建立非接触的试验平台，提出时频域分析方法，实现波的可视化，验证ABH 在不同应用场合的作用效果；三是在自适应结构方面，以自适应进气道为背景，研究了SMA鼓包在流场、力场以及温度场作用下变形特性，并进行了风洞实验研究；设计集成了机翼后掠角可在0°-35°之间变形的柔性变形机翼，利用压电泵直线驱动系统驱动机翼变形，实现了柔性变后掠机翼的角度控制，控制误差小于0.2°。提出了一种结合递阶遗传算法与有限元法的柔性结构形状非接触主动控制新方法，实现了PLZT驱动器位置、数量和光强值的同步优化，提高了形状控制方法的精度和效率。四是根据智能装备对材料功能化、器件小型化、结构智能化的要求，系统研究了新型电致动聚合物基纳米复合材料，研制出高压电性（d33≥33 pC/N）聚偏氟乙烯基以及高电致应变（应变≥32.8%）聚氨酯基纳米复合材料样品，从宏观及微观角度分析了其电致动变形机理，以及变形规律和响应特性。在压电材料铌酸钠的纳米化和能量存储材料制备方面也取得初步进展。