结构动力学与控制研究方向

       一是针对高维气动伺服弹性系统，提出了闭环颤振模态在线跟踪方法，通过风洞实验验证了闭环颤振跟踪方法的有效性。采用VARX模型建立闭环气动伺服弹性系统输入与输出之间的关系,并运用子空间辨识理论建立闭环气动伺服弹性系统的状态空间模型，实现了对闭环颤振模态的无偏估计。风洞实验结果表明，所提出的闭环颤振模态辨识方法能很好预测闭环飞行状态下颤振模态的频率和阻尼特性。二是基于CFD计算技术，提出了带有控制面的三维弹性机翼跨音速非定常气动力的降阶模型。基于CFD的输入输出数据，利鲁棒子空间算法对主翼和控制面分别识别出相应的离散时间状态空间模型。基于预先得到的少数飞行条件下的状态空间模型，通过输出数据插值获得了其他飞行条件下的广义非定常空气动力，使得所提出的降阶模型能够覆盖一定的飞行参数变化范围，实现了降阶建模的参数化。三是针对气动弹性动态问题，综述了空气动力非线性、控制面间隙非线性、时滞诱发失稳、颤振主动抑制、突风载荷减缓、风洞实验验证等方面的国内外研究进展，重点介绍近年来团队所提出的若干方法及相关算例和风洞实验，并指出了今后一个时期值得研究的若干气动弹性分析与控制问题。综述论文发表在《力学进展》。四是在国内首次完成了带有间隙的三维机翼极限环振荡风洞试验和间隙识别研究。设计了一种风洞试验极限环振荡机构，试验研究了全动舵面间隙对系统气动弹性特性的影响规律，特别研究了极限环振荡的发生和发展机理，实验结果与理论分析结果吻合良好。五是提出了一种新的、适用于局部非线性系统的混合坐标模态综合法。将整个系统划分为线性和非线性两部分，基于剩余柔度附着矩阵和保留的低阶模态信息，将线性部分的动态方程转换到模态坐标系下。非线性部分保持原来的形式，最后利用界面处的相容条件将线性和非线性部分组合在一起，得到了以混合坐标表示的整个系统的综合方程。六是基于Freidlin-Wentzell大偏差理论，研究了几类具有不同全局结构的非线性系统在弱噪声作用下的离出问题，揭示了一类非双曲混沌吸引子的离出机理—沿着一个异宿轨道的交叉层次结构逐级跃迁；同时，考察了离出轨迹图案的奇异性，利用Lagrange流形的拓扑结构解释了最优离出路径可能发生突变的原因。七是对中立型时滞微分方程进行了深入分析，提出了判断其稳定性的一种算法，其关键步骤是计算用于判断稳定性的定积分的一个上限。利用该算法，可以用一个误差不超过的积分近似值去准确判断稳定性，且增加时滞的个数并不增加计算的困难。研究成果分别被AIAA Journal、Journal of Aerospace Engineering、Journal of Vibroengineering、Journal of Vibration and Acoustics、Chaos和Automatica等刊载。

       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、弹性力学基本理论、智能材料力学和工程型号服务等方面取得进展。一是发展了复合材料结构冲击损伤的模拟方法，基于近场动力学非局部多尺度理论，提出了正交各向异性复合材料层合板的近场动力学模型；通过引入纤维键、基体键、纤维－基体混合作用和层内剪切键来描述单层板内部相互作用，引入层间键和剪切键来描述层间相互作用；与以往近场动力学模型不同，引入张量型本构力函数来描述各单层板的材料特性，再增加层间作用量，从而可从整体上描述层合板的内部相互作用。二是发展了弹性力学的基本理论，对弹性力学理论中的“中性”夹杂进行了研究，对反平面剪切或者平面应变问题进行了严格的数学分析。研究结果表明，若施加在基体上的载荷是均匀的，并且界面效应参数为常数时，圆形纳米夹杂可以成为一种中性夹杂，并且圆形夹杂是唯一可能的中性纳米夹杂；即使允许界面效应参数沿着界面发生变化，中性纳米夹杂最多也只能是椭圆形的。三是在智能材料力学取得新的进展，利用相场法研究了变温环境下铁电层合结构内电极尖微结构与应力场演化规律。采用非线性多场耦合有限元方程，结合三维8节点等参元进行空间离散，并利用后向欧拉迭代法进行时间积分求解非线性方程组，最终得到各物理场场解。研究结果表明，温度场的变化可等效成热应力，其对内电极尖端应力场有着显著的影响。同时，温度的升高使畴结构不断演化，致使内电极尖端应力场不断增加，在相变温度附近达到峰值；随着温度高于居里温度，材料由铁电相向顺电相发生相变，畴结构活性不断减弱，致使应力场急剧减小。四是参与国家重大专项和重点型号工程，针对新型材料与结构在国防重点型号的推广和应用，开展了新型铝锂合金前起落架舱整体壁板的损伤容限/耐久性设计与分析，提出了其在真实飞行状态下受力边界的模拟方案，完成了载荷多点协调加载下的疲劳性能试验验证；开展了新型起落架静力学、动力学和疲劳强度等综合性能的设计、分析和优化，针对性地自主研制了新型起落架测试平台，完成了其综合性能的试验验证；开展了新一代航天飞行器3D打印钛合金舵面在高温环境下的力学性能试验研究，并发展出一套高温热环境下的力学性能测试技术和方法，为高温热结构试验提供技术支持。

       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：一是在超声直线电机的设计方法上有所突破，提出利用两个不同的模态驱动电机，实现双向运行，突破电机定子频率一致性设计的难题；二是利用纤维增强和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提高了超声电机运动转换效率和运行稳定性；三是在超声分子操控技术方面取得了突破，首次提出并实验验证了超声辅助型MOS气体传感器，并将普通MOS气体传感器的感度提高了一个数量级。

       微纳系统力学研究方向

       本年度在微纳系统力学理论、新型低维材料多场调控及其性能优化，新型器件设计和功能预测等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：对黑磷施加法向压应力实现了对其电输运性能的调控，理论验证了应变对黑磷能带调控的层数依赖关系，并预测了其半导体到金属的转变。系统总结了低维纳米材料的电性和磁性受外加应变、电场和磁场等的调制规律，归纳了调控原理；分析了石墨烯与纳米带、碳纳米管、氮化硼、硫化钼在研究领域所面临的挑战。其二，在新型低维功能材料制备方面：在铜晶面上实现了单层六方氮化硼的单一晶向生长；发现无氧环境下六方氮化硼倾向于在铜孪晶窄带上生长。发现六方氮化硼薄膜的接触角和基底材料以及六方氮化硼层数几乎无关，通过第一性原理计算和范德华作用分析证实单层六方氮化硼可以有效地调节水分子和不同基底间的作用，而使得不同基底材料具有表观趋同的疏水性。系统总结了利用显微镜下黑磷颜色变化迅速表征黑磷层数的方法，给出了最适宜观测黑磷的基底和光波长。

       智能材料与结构研究方向

       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；针对复合环境下实际航空结构损伤的可靠性诊断问题，提出了基于高斯混合模型的结构损伤概率诊断方法；深入研究了导波-高斯混合模型的收敛性问题，提出了基于高斯分量最小匹配KL距离的模型迁移量化方法，并将其应用于全机疲劳试验中的裂纹评估，有效监测和评估了起落架梁和左机翼壁板的裂纹扩展；在基于结构健康监测方法的结构损伤扩展和寿命预测方面，已有粒子滤波方法的研究大多都采用标准粒子滤波算法，一般选取先验转移概率密度作为重要性密度函数。当人为定义的先验转移概率密度存在较大的误差时，从重要性密度函数中采样得到的粒子大部分处于似然概率密度的尾端，使得粒子退化问题严重。针对上述问题，研究中提出一种高斯权值-混合建议分布粒子滤波方法，以观测值对应的裂纹长度为均值定义一个观测概率密度。同时以先验转移概率密度和观测概率密度的线性组合作为重要性密度函数，在重要性采样时以一定比例分别从两个概率密度函数中采样得到粒子集，并且通过高斯权值分布对从观测概率密度采样得到的粒子加权。该方法的优点在基于NASGRO裂纹扩展模型的仿真实验及销钉连接的耳片试件裂纹扩展中得到验证。基于复合材料疲劳时刚度下降的特性，建立了复合材料的疲劳寿命预测模型，并结合Lamb波波速的原位检测，实现了复合材料寿命的高精度预测；构建了层合板的静强度分析和分层损伤扩展分析的有限元模型，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以及分层扩展的有效预测。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，对弯曲波在二维声学黑洞中的传播特性进行了数值分析，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。在自适应结构方面，以降低超临界翼型的激波波阻为背景，研究了SMA自适应鼓包在流场、力场以及温度场作用下的变形特性，并进行了风洞实验研究。