结构动力学与控制方向

    针对大型空间环形天线结构的周期性特征，提出基于能量等效原理将平面周期单元组成的环形桁架结构等效动力学建模方法，通过子结构综合获得了环形桁架结构面内外动特性的等效连续体模型。该方法在保证等效精度的同时，大大简化了等效模型的建模过程，易于工程人员掌握。著名航天机构专家邓宗全院士团队在论文中大篇幅引用该研究建立的环形桁架天线结构等效模型，评价为“为大型可展开天线机构研究提供了重要参考”。该研究已刊发在AIAA Journal。为满足大型空间天线结构的高稳定、高精度需求，除需提高天线结构本体的振动控制和卫星控制系统的精度和稳定度外，还需特别关注微振动环境，寻求隔离微振动的方法。针对大型空间天线结构，提出基于稳定平台进行卫星和天线结构主动隔振的思想，利用非接触电磁式隔振技术，使星敏载荷模块避免受到卫星本体扰动的影响。基于洛伦兹力原理，研制了一套非接触电磁隔振系统，该系统具有跟随机动、隔振、精密定位功能。实验证明：在较低频率下，经过非接触电磁隔振系统后，载荷模块的振动响应被隔离了约90%左右，降隔振效果显著，为空间结构主动隔振提供了新技术。针对高维、强非线性的飞行器气动-结构-控制耦合系统，采用基于计算流体力学技术的数据驱动建模方法，建立了低维、高精度的气动-结构-控制耦合的数学模型。基于所提出的数据驱动模型，设计具有强抗干扰性的跨音速颤振主动抑制系统。研究结果表明，所提出的数据驱动建模方法与NASA发布的风洞实验结果高度吻合，并且吻合度要明显优于现有的其他建模方法。该研究已刊发在Journal of Guidance, Control and Dynamics。时滞效应普遍存在于控制系统，对许多应用问题，时滞使控制性能变差，导致系统失稳。为此研究了单自由度振动系统在时滞速度反馈和时滞加速度反馈作用下的稳定性，发现时滞加速度反馈中的时滞两倍于时滞速度反馈中的时滞时，时滞加速度正反馈对应的控制系统的稳定性区域明显大于相应的时滞加速度负反馈对应的稳定性区域，可显著地推迟Hopf分岔的发生。这个发现为振动控制提供了一种新的可能性。该研究已刊发在International Journal of Non-Linear Mechanics。开展了一种新型功能梯度材料（FGM）夹层板的力学性能研究，针对其热机械弯曲问题提出基于四变量精细板理论的FGM夹层板控制方程，通过对退化模型进行对比研究，验证了所提方法的准确性和有效性。研究方法有望应用于航空航天、海军舰艇、建筑和风力发电等领域中。该研究已刊发在Composite Structures。开展了一种新型压电作动器的研究，针对现有压电作动器的输出较小及在旋转结构中布置等问题，提出基于速度反馈控制方法、模糊自适应滑模控制理论的控制器设计方法，仿真结果表明所提出方法能够使旋转梁的横向振动较快地衰减并能够解决旋转结构中作动器布置困难的问题。研究方法有望应用于卫星的旋转支架、横轴旋翼机、机械轴等结构中。该研究已刊发在Applied Acoustics。此外，在随机动力学以及分数阶非线性系统领域取得了显著研究进展：开展了局部随机分岔研究，通过确定矩Lyapunov指数研究了受有界噪声影响的二元机翼的随机稳定性，系统中的随机因素是有界噪声；研究了噪声导致的非线性动力系统的离出问题，即非线性系统在噪声作用下独有的复杂现象—小概率事件经长时间演化成为概率1事件；开展了神经元网络的随机动力学集群行为研究，分析了电耦合以及具有距离相关时滞的环结构簇放电神经元网络的动力学集群行为；开展了分数阶非线性系统的振动共振行为研究，分析了一类包含分数阶阻尼的五次振子在低频和高频信号激励下的振动共振现象。相关研究成果已在Chaos, Solitons & Fractals，Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation，Physical Review E和Chaos等刊载。

机械结构强度方向

    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、复合材料结构数值分析、复合材料冲击载荷识别、智能材料力学等方面取得进展。一是发展了多种复合材料力学分析方法，为新型的复合材料结构分析提供了理论基础。如发展了一种屈曲失效理论，用于预测非均匀格栅蜂窝夹层复合材料筒结构在轴向压缩载荷作用下的屈曲模态和失效载荷；发展了一种新型零泊松比蜂窝的力学分析理论，为采用零泊松比蜂窝作为夹层的柔性复合材料蒙皮结构性能研究提供了依据。二是发展了多种复合材料结构分析数值模拟方法，为复合材料力学和复合材料结构分析提供了新的工具。如提出了一种离散奇异卷积方法用于具有自由边界的斜铺层对称层合复合材料板结构（包括具有两个相邻自由边界的层合板结构）的自由振动分析；提出了一种渐进损伤模型用于预测对称和反对称补片加强的碳纤维层合结构在无侧向约束压缩载荷作用下的屈曲强度和失效模式。三是发展了多种冲击载荷识别方法，为复合材料结构冲击损伤的监测和评估提供了新的手段。如提出了一种基于贝叶斯正则化（增广吉洪诺夫正则化）的方法，有效地克服了传统吉洪诺夫正则化需要人为确定正则化参数的缺点，能自适应地从测量响应中确定最优正则化参数并重建冲击载荷时间历程；提出了一种基于贝叶斯压缩感知的方法，采用高斯核函数逼近真实冲击载荷时间历程，将冲击载荷识别转化为基函数的稀疏重构问题，大大提高了识别冲击载荷时间历程的精度。四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。如提出将一种热粘弹性有限变形本构模型集成到结构和应力松弛中来捕捉形状记忆聚合物在热致变形过程中在玻璃态边缘的材料行为，相比传统唯像模型，理论预测结果与实验结果更吻合；基于复变函数理论，提出了一种新的计算方法用于获得含有单向周期性纳米纤维的复合材料的等效性质，并在此过程中另行考虑了纤维与基体的界面效应，有效地提高了纳米复合材料力学性能预测的准确性。

振动利用和精密驱动方向

  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；四是压电精密驱动与超声作动器相结合，成功应用于超声无创透皮给药领域，实现了精确可控的药物渗透过程，并解决了皮肤的热损伤问题。五是结合精密驱动、先进成像与图像处理、人工智能等技术，实现精准放射治疗自动计划，在2018微软创新杯全球学生科技大赛中国区总决赛中获三等奖，位列全国前八强，江苏第一名。六是行波超声电机角秒级定位和跟踪用于航天器高精度和快速响应的姿态控制，提高了卫星姿态轨道控制系统的性能。

微纳系统力学方向

   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，特别是基于碳纳米结构的水伏器件方面取得了一系列发现。其一，在微纳系统物理力学理论方面：系统研究了具有复杂结构少数原子层的二维硼薄膜的表面稳定性和表面功能化，发现氢表面钝化可以有效增强少数原子层的二维硼薄膜晶体的结构稳定性，为少数原子层二维硼晶体材料的器件应用提供了理论依据。发现砷化镓晶体沿着<111>和<100>方向切下的纳米薄膜有极强的表面磁性和显著的磁电效应，<111>纳米薄膜在垂直电场下表面磁性可经电场强度线性调节，表现出极高的磁电系数。提出了一组可以描述电子掺杂效应的状态方程，在金刚石、硅、锗、铝、砷化镓、氧化锆等体系得到验证，为电子器件和光电器件中的调控提供了方便的预测途径。其二，在低维材料功能器件研究方面：系统阐述了低维体系的水伏效应机理，发现水从一系列的碳纳米结构微米薄膜蒸发可以产生持续的伏级电压，串联并联后可以点亮LED灯和LCD液晶显示器；继石墨烯之后，发现氧化锌纳米薄膜横跨液面运动时的波动电势现象，为新型流体传感和能量获奠定了基础。研究了铜镍合金化基底对石墨烯-氮化硼生长的选择性差异、氧气对单层六方氮化硼选择性生长的抑制作用，发展出石墨烯-六方氮化硼平面内任意图案化制备的技术。发现六方氮化硼与基底材料无关的独特润湿性能，其在大气环境下钝化后的接触角不受基底材料、层数以及溶液离子种类等多个因素变化的影响，并在长达八个月的实验跨度内保持不变，显示了其润湿统一性和稳定性。发展了绝缘基底上直接制备三维石墨烯网络的方法，并应用于石墨烯基柔性应变传感器构筑。建立了黑磷在硅基底上的光学反射模型，实现了通过光学照片的颜色迅速判断黑磷层数的方法。

智能材料与结构方向

    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；针对工程服役条件下损伤高可靠性诊断难题，提出了基于导波特征-混合概率模型表征-动态概率过程挖掘的结构损伤高可靠性概率评估理论，突破了时变服役环境下飞行器结构损伤诊断可靠性低的应用瓶颈；建立了基于力学寿命模型-结构健康监测-贝叶斯粒子滤波的结构在线损伤扩展及寿命预测理论，提出导波监测-确定性重采样粒子滤波、导波监测-高斯混合建议分布粒子滤波等在线结构疲劳裂纹扩展预测新方法，有效提高了多不确定因素影响下飞行器结构疲劳裂纹扩展预测的准确性。在减振降噪研究方面，从时域和频域两方面建立耦合附加元件的声学黑洞（ABH）结构的分析评估方法，利用前期已有的振动抑制实验平台与激光超声实验平台，进行了实验分析。研究发现：ABH的截面几何参数直接影响声学黑洞结构中波的传播方向以及波的聚集效果；非完美ABH结构实现ABH效应要求在结构中间粘贴少量的阻尼材料，并需优化阻尼的参数和构型；利用超原胞平面波展开法（PWE），结合梁板理论与Bloch定理，建立了无限周期ABH板结构的理论模型，计算无限ABH周期结构的色散特性；ABH效应可提高结构的阻尼特性，同时降低结构的辐射效率。