白坤朝，詹世革等：力学处2017年度重点项目结题审查情况简要介绍

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　　力学处2017年度重点项目结题审查情况简要介绍

　　白坤朝，詹世革，王建山，曹东兴

　　(国家自然科学基金委员会数理科学部，北京 100085)

　　摘要：对2017年度国家自然科学基金委员会数理科学部力学科学处结题的15项重点项目结题审查情况进行了简要介绍。给出了15项2017年度结题重点项目清单以及经评审专家组讨论形成的结题审查评价意见。

　　关键词：国家自然科学基金，力学，重点项目，结题

　　DOI：10.6052/0459-1879-18-087

　　按照《国家自然科学基金重点项目管理办法》的有关规定，为了促进重点项目之间的交流，加强对比，提高效率，数理科学部于2018年1月31日至2月1日在北京召开会议组织专家对2017年度结题的重点项目进行了集中审查，会议采取分学科处进行的方式。力学科学处共有15项重点项目进行了结题审查(见表1)。各项目负责人就研究计划的完成情况、取得的成果及水平、以及人才培养和国际合作与交流的成效等进行了汇报。评审专家进行了认真讨论，形成了结题审查专家组评价意见。

　　表1 2017年度力学科学处结题重点项目清单

　　基于专家组的评价意见，下面将这15个结题项目在执行期间所取得的主要研究成果介绍如下：

　　1. 纤维增强复合材料损伤识别与损伤演化研究(负责人：苏先樾)

　　(1)研究了复合材料结构 Lamb 波与损伤的相互作用关系。发展了求解任意铺层纤维增强复合材料层合板频散曲线的回传矩阵-射线法，提出了斜率控制的模态追踪方法求解频散方程;给出了不同波模态在加筋处的模态转换、透射和反射的关系，发现了不同模态的波经过层裂后出现的分离传播和模态转换现象。

　　(2) 发展了基于 Lamb 波、振动和微波的典型复合材料损伤的识别方法。基于Lamb波提出了层裂界面位置和大小的定量检测方法以及复合材料加筋板脱粘损伤的定量检测方法;搭建了近场成像的微波无损成像检测平台，实现了对蜂窝夹芯、泡沫夹芯、及加筋板等结构缺陷的无损检测。

　　(3) 基于“就地强度”理论提出了改进的Puck准则，预测了各种层合板的初始破坏强度，解决了理论预测的破坏包络线不闭合问题;提出了一种预测任意铺层的复合材料层合板疲劳性能理论，以及预测层合板面内拉伸不同破坏模式的破坏准则;结合复合材料动态强度的幂函数型经验公式，建立了复合材料结构率相关的强度理论。

　　(4) 提出了一个可通过内部结点位移自由度的静力凝聚得到含裂缝单元刚度矩阵算法;通过改进内聚应力的积分方法，描述多条裂缝交叉、汇合、分岔等相互耦合与相互影响;研究了复合材料多种失效模式演化过程的分析方法，探索了复合材料大开口层合板的损伤产生和发展的机理。

　　2. 昆虫前飞的运动学观测及空气动力学和飞行力学研究(负责人：孙茂)

　　(1) 系统观测了蜂蝇和果蝇在起飞、悬停和前飞时翅膀拍动和身体运动的运动学参数;发现了两种起飞方式，即蜂蝇起飞时无跳跃方式和果蝇起飞时的腿弹跳方式;通过风洞中自由飞行观测,首次获得中等和大前飞速度下昆虫翅膀拍动的运动学参数。

　　(2) 发现了果蝇悬停时产生高升力的一个新机制：“下俯后快速上仰机制”，通过快速上仰，后缘处产生了很大的涡量,导致很大的涡量矩的时间变化率，从而产生高升力。

　　(3) 发现了果蝇和蜂蝇大速度前飞时产生大推力的一个新机制：“划桨机制”。通过短时间内在翅膀的前缘和后缘产生不同方向的新涡量，导致很大的涡量矩的时间变化率，从而产生高升力。

　　(4) 揭示了昆虫飞行需用功率随飞行速度的变化关系近似为“J”形曲线，其不同于飞机的U形曲线;发现飞行速度小时，飞行是不稳定的;中等速度下，飞行是近似为中性稳定的;大速度下，飞行是不稳定的。

　　(5) 揭示了飞行虽然是动不稳定的，但是可控的。通过反馈适当的控制参数，可实现稳定的悬停飞行;通过身体倾角减小同时拍动平面倾角增大可实现飞行速度的增大。

　　3. 含液多孔介质力学分析的多层级建模与计算方法研究(负责人：张洪武)

　　(1) 发展了基于物理实验、CT数据模型重构和数值模拟的固液相本构特性分析方法，研究了单相及多基质非均质多孔介质液固特性的尺度效应，获得了含液多孔介质固液相本构参数。

　　(2) 建立了基于数值基函数映射的扩展多尺度有限元方法基本理论和算法框架，提出了多节点、多边形及自适应粗单胞技术，发展了含液多孔介质固结行为分析的耦合扩展多尺度有限元方法。

　　(3) 提出了单相固体骨架动力分析的位移和模态叠加增强数值基函数构造方法、液固耦合动力分析的一致数值基函数构造方法，建立了含液多孔介质线性拟静力和动力统一分析的广义扩展多尺度有限元方法。

　　(4) 建立了基于传统、增强以及一致数值基函数的线性问题降尺度计算方法，发展了非线性问题降尺度分析的局部位移修正迭代求解技术，提出了含液多孔介质弹塑性和局部化分析的扩展多尺度有限元方法。

　　(5) 研发了含液多孔介质扩展多尺度有限元分析软件，将所建立的扩展多尺度有限元方法应用于岩土边坡失稳、仿生液囊作动机翼的作动行为等工程问题分析中，提高了计算效率，取得了相关成果。

　　4. 基于客户驱动的汽车碰撞安全性设计关键理论与技术(负责人：韩旭)

　　(1) 建立了基于“广义模型”的汽车产品配置及碰撞安全性设计知识库，发展了客户性能需求驱动的主设计变量筛选与排序方法，实现了早期设计阶段基于车身快速替代模型的优化设计。

　　(2) 建了考虑测量信息不确定性的车辆-行人碰撞反求模型和考虑模型参量不确定性的车辆-车辆碰撞反求模型，提出了基于伪概率度量的车辆碰撞不确定性反传播分析方法，发展了考虑相关性的不确定性车身结构动态载荷识别方法，提高了汽车碰撞模拟的精度和可信度。

　　(3) 建立了考虑概率及区间分布参数混合的汽车碰撞可靠性优化设计模型，发展了基于证据理论的高效汽车碰撞可靠性优化设计，研究了基于代理模型的汽车结构时变可靠性分析技术，提出了考虑多变量复杂相关的结构体系可靠性分析方法，保证了不确定性环境下车身碰撞优化的可靠性。

　　(4) 发展了基于智能布点算法的多目标优化设计方法，提出了基于高效区间差分进化算法的多目标优化设计方法，实现了基于多材料选型的车身多目标耐撞性设计和车身材料结构的一体化设计方法，提高了车身结构碰撞安全性设计的综合性能。

　　(5) 考虑车身结构设计中的不确定性，搭建了非概率凸模型不确定传播与可靠性分析软件系统，自主研发了汽车碰撞安全评估与设计系统Cote VehSafe，在某型汽车碰撞安全性设计中得到了应用。

　　5. 关于知觉认知与知觉决策的神经动力学研究与实验分析(负责人：王如彬)

　　(1) 发现神经元的电生理活动受到脑内能量水平的严格制约;神经元的活动具有两重性质，即阈下神经元以消耗能量为主，而阈上神经元则吸收与消耗能量并存;提出了新的神经元生物物理模型，通过数值仿真验证其预测能力与著名的H-H模型相当，而计算量可大为降低。

　　(2) 提出了能量神经编码的概念，并对结构神经网络和功能性神经网络分别给出了能量神经编码的特点和主要特征，这为构建脑科学理论的研究框架提供了帮助。

　　(3) 在知觉决策的神经机制研究中，发现了前额叶皮层的神经元具有转移推理的功能，而纹状体的神经元具有异或推理的能力;进一步发现这两个区域之间构成的回路的能量，同步性等特性随推理的过程动态变化;这些发现可为理解动态行为选择的机制提供帮助。

　　(4) 发现神经振荡的能量分布，而相位同步和信息流可表征突触可塑性水平和突触连接强度;这些发现可望为研究宏观认知功能及其微观分子机理之间的联系提供帮助。

　　6. 风沙流/沙尘暴流场特性及其湍流结构的测量与分析(负责人：郑晓静)

　　(1) 建立了青土湖观测列阵，从而实现在风沙环境条件下对空间的多场、多因素实时同步测量，获得了可用于平板湍流边界层湍流性质分析的、统计平稳的高质量数据。

　　(2) 揭示了高雷诺数条件下净风及含沙大气表面层流场中湍流统计量的雷诺数效应、导致超大尺度流动结构产生的机制、超大尺度流动结构的三维尺度及其变化规律。

　　(3) 提出了基于风沙电场观测的沙尘暴预警策略，发现了在一般情况下沙尘颗粒的平均电荷量基本保持不变而呈饱和电量状态，但饱和电量值依赖于环境的温度和湿度。

　　(4) 修正了风沙流中近地表沙粒的冲击地面速度、起跳速度、起跳角度等关键参数，建立了临界启动风速概率密度以及相应的均值和方差与颗粒粒径的关系。

　　(5) 给出了沙粒冲击速度—冲击角度相互关联的起跳参数联合概率分布，该分布不依赖于沙粒的初始冲击速度和冲击角度，在此基础上提出了一个可用于火星风沙运动预测的理论模型。

　　7. 动态载荷作用下压电材料的断裂(负责人：高存法)

　　(1) 提出了“可变电容器”裂纹模型，研究了交变电场作用下裂纹内部电场的变化规律及其对断裂的影响;从能量释放率出发，研究了裂纹内部电能的耗散机理，给出了裂纹尖端能量释放率的解析表达式。

　　(2) 发展了放电裂纹模型，研究了气体放电和固体电击穿的效应，给出了放电前、后裂纹尖端能量释放率与应力强度因子的解析表达式，揭示了放电的热效应以及电树形成机理，发展了电致损伤力学模型。

　　(3) 建立了Yoffe移动裂纹复变函数解法，给出了场变量的矩阵表达式，为研究复杂载荷条件下的Yoffe移动裂纹问题提供了基础;针对电半穿透型Yoffe裂纹，探讨了裂纹表面Maxwell应力对裂纹扩展的影响。

　　(4) 基于相场理论及其模拟，研究了压电材料裂纹内部电场的变化规律和能量耗散机理，探究了裂纹内动态电场对裂纹扩展的影响，以及动载荷下裂纹附近的畴变机理，深化了人们对压电材料动态断裂机理的认识。

　　(5) 针对压电器件几何形状的多样性，研究了压电器件多种构型中电声波与压电材料中界面裂纹的相互作用;采用耦合的Christoffel-Maxwell方程和Euler-Maxwell方程，分析了压电材料电声波对裂纹散射响应的全波场，探讨了压电器件中的电极对电声波的散射作用，以及电极与压电体之间界面裂纹的萌生、扩展对电声波频率和波速的影响。

　　8. 热障涂层失效行为的实验力学方法与技术研究(负责人：谢惠民)

　　(1) 发展了基于复合模板的纳米压印制栅技术，克服了传统模板易碎、畸变大等缺点，研制出纳米压印制栅系统，集成了热压印、紫外压印、软压印等功能，具有制栅面积大、操作简单、成本低等特点。

　　(2) 结合高温散斑变形载体的需求，发展了基于掩膜版的“印刷式”高温散斑的制作工艺和物理分散沉积方法，进行了1500℃范围内的变形场测试。发展了单相机双棱镜高温3D-DIC测量、光学滤波和散斑图像灰度平均等高温图像处理方法，有效消除了热辐射、热流扰动造成的高温图像畸变，改进了DIC测量质量。

　　(3) 利用纳米压印技术制作高密度高温栅，实现了光栅应变计在1000℃范围内的变形测量，得到了镍基合金高温力学参数。发展了基于EB/FIB双束系统下的热生长氧化层 (TGO) 微区残余应力测量技术，制作8000线/毫米的光栅，进行切槽释放残余应力，结合光栅位相方法实现了TGO微区残余应力定量表征。

　　(4) 开发了点扫和线扫两种模式的激光扫描热成像无损检测技术，实现了热障涂层表面裂纹缺陷或人工脱粘缺陷的可视化检测。提出了加窗均值载波后处理算法，消除了因物体复杂表面形状造成的不均匀温度分布的影响，实现了曲面叶片热障涂层人工脱粘缺陷准确检测。

　　(5) 发展了时间相移和空间相移变形测量技术，设计了组合棱镜分光系统和空间相移系统。与有限元方法结合用于热障涂层结构的高温热应力实验，实现了膜基结构的动态热冲击变形场的检测。

　　9. 振动型能量采集的非线性动力学理论与实验研究(负责人：陈立群)

　　(1) 提出用内共振加强能量采集的思路，针对一类基于跳跃振子的磁电式能量采集器，用多尺度法得到了内共振条件下的受迫振动幅频曲线，利用系统的双跳跃现象拓宽能量采集器的工作频率，并用数值积分验证了解析结果。

　　(2) 设计了压电能量采集的几种新结构，将主梁、附属梁和弹簧-质量振动器结合起来设计了三方向能量采集器、磁致屈曲能量采集器，以及高效压缩模式压电能量采集器。

　　(3) 提出压电层合圆板能量采集器的系统辨识方法，无需预设非线性函数的形式，就可以辨识非线性刚度、阻尼、机电耦合和等效电容等函数。发现层合圆板的刚度函数随着外激励增加具有先软后硬特性。

　　(4) 发展了能量采集系统随机分析方法，通过随机平均，得出系统输出电压和功率的近似表达式，用于三种不同的非线性压电能量采集系统，研究了系统参数对输出功率的影响。

　　(5) 提出能量采集和非线性能量汇减振一体化的新构想，凝练了能量采集相关的科学问题。

　　10. 心脑血管疾病血管重建的力学生物学机制(负责人：姜宗来)

　　(1) 发现了张应变和低切应力可诱导核骨架蛋白Emerin、LaminA/C、Nesprin2和SUN1表达;揭示了细胞核骨架蛋白力学响应，影响增殖相关的转录因子活性，调控血管平滑肌细胞增殖的力学生物学机制。

　　(2) 发现了高周期性张应变促进血管平滑肌细胞分泌 miR-27a，并可通过平滑肌细胞源性微体转移到内皮细胞中，抑制 GRK6 表达，并最终诱导内皮细胞异常增殖，阐明了GRK6及其相关调控网络在应力诱导血管重建中的作用机制。

　　(3) 发现了张应变诱导的miR-33-BMP3-smad信号通路参与调节静脉平滑肌细胞增殖;miR-33可缓解静脉移植内膜增生，具有潜在的临床应用前景;发现了切应力促进内皮祖细胞向内皮细胞分化，且抑制其向血管平滑肌细胞分化;miR-34a可通过负向调控其靶基因FOXJ2，参与了切应力诱导的内皮祖细胞向内皮细胞分化。

　　(4) 发现了张应变通过激活ER stress/xbp1信号通路，增加大电导钙依赖激活的钾离子通道 (BK) 通道对力学刺激敏感，减少细胞内钙振荡，诱导了血管平滑肌细胞分化。

　　(5) 建立了树突状细胞亚型和功能分型相关单细胞基因分析检测平台，在单细胞水平检测了动脉粥样硬化过程中树突状细胞表达谱变化，获得了包括ITGAM、OLR1、CCR7、TLR7在内的多个差异表达基因。

　　11. 湍流噪声的声源机制和大涡模拟(负责人：何国威)

　　(1) 系统地发展了不可压缩湍流压力脉动的时空关联模型和可压缩湍流时空关联的随机下扫波模型，并对时空关联进行了系统和全面的数值研究，得到了Taylor模型有效性的精准评估，为湍流噪声的研究奠定了研究基础。

　　(2) 解析推导了剪切湍流远场噪声的噪声谱模型，该噪声谱具有两个不同的标度区，每个标度区对应不同的声源机制，由此提出了剪切湍流的可能存在两个不同声源，为射流噪声的双声源机制提供了一个理论解释。

　　(3) 解析推导了时空能谱的峰值和宽度公式，发现时空能谱的峰值由相位导数决定，而时空能谱的宽度由相位和峰值的耦合决定，从而指出了决定湍流噪声谱峰值和宽度的物理机制，通过模化这些物理机制，可以精准地预测湍流噪声谱的峰值和宽度。

　　(4) 研究了轴对称射流基本流的变化对不稳定模态空间演化的影响，发现提高射流温度、降低剪切层动量厚度和速度都会增加不稳定模态的增长率。基于LPSE模态的相互作用构建了涡配对噪声的非线性声源模型，准确预测了远场噪声的主导辐射方向及声源位置，合理预测了远场噪声的声压级。

　　(5) 发现大尺度结构相关的波包可以捕捉到射流噪声声源的关键特征，得到了锯齿射流的低频辐射噪声特性，发现锯齿射流不稳定波包发声效率低于圆射流，从而证明了使用锯齿喷管具有降噪效果。

　　12. 极端海洋环境下风机支撑结构耦合载荷与动力响应机理研究(负责人：周济福)

　　(1) 进行了在风、浪、流的环境下以及台风过境时风机支撑结构响应和海床冲刷等现场观测，积累了与环境条件相关联的支撑结构/地基响应的配套数据。

　　(2) 提出了台风非平稳过程的概念，发展了考虑气候变化影响的台风极值风速的非平稳预报模型;建立了渤海寒潮、东海和南海台风诱导的波流预测模型;发展了风电场风速的短期与中长期预报模型。

　　(3) 提出了海上风机支撑结构水动力载荷分析的中等尺度结构的概念，给出了不同尺度结构波浪力的计算方法;揭示了极端波浪砰击承台所造成的桩柱波浪力突增机理，提出了优化高桩承台结构的新途径。

　　(4) 发展了针对浮式风机的水下柔性结构涡激振动的时域分析模型及其与水面浮体运动耦合的分析方法，发现和揭示了低速锁频、响应放大、参数共振等新现象和力学机制，提出了浮式平台多自由度运动抑制的新途径。

　　(5) 揭示了大桩基基础的冲刷机理，建立了高精度的极限平衡冲深预测公式;提出了土体有效深度的概念并修正了有冲刷影响的桩土作用p-y曲线;修正了海床土体瞬态液化的判别准则并给出了新的瞬态液化深度的预测公式。

　　13. 人眼晶状体调节和病变机制研究(负责人：宋凡)

　　(1) 对γ晶状体蛋白逾渗相变的分子动力学模拟，发现晶状体蛋白分子间作用力程变化，改变接触型逾渗线位置，从而导致晶状体蛋白结构相变，破坏短程有序性，引发晶状体细胞内部白内障;发现在晶状体边界形成的纳米气泡吸引晶状体蛋白质填充其中形成纳米蛋白质集团，并通过晶状体膜的非均匀性或晶状体内的剪切流聚集，引发晶状体边界白内障;研究晶状体蛋白质对磁的敏感性，发现晶状体蛋白质在磁作用下的自组织规律，由此提出了一种晶状体边界白内障治疗原理。

　　(2) 针对青光眼原发部位——筛板，建立了在眼内压和颅内压共同作用下的筛板力学新模型。基于这个模型，解释了医学上长期以来关于青光眼筛板筛孔变形形态的原因，由此给出了孔内视神经和毛细血管的损伤机制;给出青光眼临床医学中诊断标准、临床医学统计量“杯盘比”的物理内涵;解释了青光眼致盲后仍存在微小“视岛”的根本原因;提出一个正常眼压青光眼可能的发病机制。

　　(3) 给出了一个新的眼内压与颅内压关联的表达式，克服了传统关系式中的严重不足，由此提出了通过测量眼内压得到颅内压的无损测量颅内压原理。

　　(4)实验研究了眼角膜沿不同解剖方向和不同厚度的弹性模量，确定了角膜从外到内弹性模量呈线性梯度，并给出平均梯度值。

　　14. 错动带影响下特大型洞室群变形破坏机制与分析方法(负责人：冯夏庭)

　　(1) 提出了高应力卸荷作用下错动带变形破坏机理的实验室测试方法，揭示了不同卸荷路径、围压、循环荷载条件下错动带的变形破坏机制。

　　(2) 建立了高应力卸荷下错动带岩体变形破坏机制的力学模型及强度准则。提出了高应力下错动带岩体变形破坏的三维细胞自动机模拟方法，实现了错动带岩体变形破坏的空间定位与动态跟踪。

　　(3) 发展了高应力开挖卸荷下含错动带特大型洞室群变形破坏过程的现场综合观测实验方法，总结了错动带破坏的典型工程特性，揭示了开挖卸荷条件下含错动带岩体破裂的时空演化规律。

　　(4) 提出了高应力区特大型洞室群错动带岩体的破坏模式分类方法，建立了受错动带影响的特大型洞室群开挖过程安全风险动态评估方法，并在白鹤滩水电站地下厂房与导流洞群进行了推广应用，取得了良好的经济和安全效益。

　　15. 宏观应力应变对多结构微纳异质结光电量子效应的调控研究(负责人：王彪)

　　(1) 对压电、铁电、多铁、碳材料、金属绝缘效应进行了理论预报，发展了密度泛函、分子动相变等多种微纳异质结的基础力电特性和光电量子力学、相场模拟和热力学建模相互配合的多尺度方法，理论揭示了微纳异质结基础力电特性、光电量子效应及其力学载荷可调控性规律，建立了宏观应力应变调节微纳异质结量子效应的理论。

　　(2) 实验制备了压电、铁电、多铁、有机、单分子等多种纳尺度功能材料及其异质结构，对宏观应力应变作用下微纳异质结基础力电特性和光电量子效应进行了大量的实验表征、测试，发现了宏观应力应变调节异质结巨电阻电导“0”“1”量子效应的力学载荷可控性规律，获得了巨压电电阻比值超过2000%以上的微纳异质结，建立了宏观应力应变调节微纳异质结量子效应的实验方法。

　　(3) 自主设计研发了一套力与多场环境下功能材料微纳异质结多态特性测量平台，系统完成了复杂环境下宏观应力应变对微纳异质结量子效应的力电载荷精细加载的测量及其相关特性规律的总结，实现了复杂环境下宏观应力应变对微纳异质结量子特性调控的分析。

　　来源：力学学报公众号(ID：lxxb-cstam)，相关内容将在《力学学报》第2期即将刊出