地球系统多体约束动力学模型研究

围绕地球系统多体约束开展了动力学模型研究.主要有地球系统多体约束方程、地球系统多体的功率、地球系统多体约束缩减的广义速率和缩减的偏角速度;地球系统多体缩减的广义力、运动力学方程和地球系统多体约束动力学的有功和无功力.为地球系统多体动力学模型研究提供理论基础.     

地球多体系统的运动惯量研究

概述了地球多体系统圈层块体运动惯量一次矩和质心,介绍了地球多体系统圈层块体运动惯量的应用;详细阐述了地球多体系统圈层块体运动惯量的惯性矩和惯性积;地球多体系统圈层块体运动惯量的惯性并矢式、运动惯量参考系的变换和地球多体系统圈层块体运动惯量的平行轴定理,为地球多体系统动力学模型研究提供理论基础.     

地球多体系统弹塑性动力学模型

围绕地球多体系统开展了弹塑性动力学模型研究,主要内容有地球多体系统圈层块体上的等效惯性力系;地球多体系统圈层块体的广义惯性力;用偏速度和偏角速度表示地球多体系统的等效惯性力系和用偏速度和偏角速度分量表示地球多体系统的广义惯性力;为地球多体系统动力学模型研究提供理论基础.     

基于分子马达集体运行机制的骨骼肌收缩动态力学模型——基于分子马达运行机制的骨骼肌生物力学原理（Ⅰ）

骨骼肌收缩过程中的生物力学原理尚未有效揭示清楚,本文从神经元触发的动作电位入手,针对骨骼肌微观的激活与收缩过程,利用统计力学方法分析分子马达集体运行机制,建立动作电位与肌小节收缩力之间动态关系;并结合肌小节串并联特征从微观到宏观构建骨骼肌力学模型,该模型揭示了骨骼肌收缩的力学原理,反映了骨骼肌从激活到收缩整个过程的动态力学特性.数值模拟结果表明,随着动作电位频率的增加,肌浆中钙离子浓度先线性上升并逐渐趋于饱和,主动收缩力出现融合并跟随钙离子浓度变化趋势,当动作电位处于最大频率时肌肉强直收缩;在定负载情况下,收缩速度和输出功率随频率的变化趋势与收缩力类似,但在负载力逐渐增大时,收缩速度会逐渐减小,而功率在某一负载下存在最大值.上述特性与骨骼肌力学实验研究结果一致,从而证明了该理论建模方法的正确性.     

前言:祝贺王自强院士80华诞专辑

正王自强先生, 1938年11月生于上海市, 1963年毕业于中国科学技术大学近代力学系,此后长期在中国科学院力学研究所从事固体力学和物理力学等方面的研究工作,取得了具有重要国际影响力的学术成果, 2009年增选为中国科学院院士.在固体力学研究方面,王自强院士在解决疑难固体力学问题、跨尺度力学问题和多场耦合力学问题等方面做出了突出特色的工作.例如:针对弹塑性材料的非线性断裂力学的表征和断裂准则的建立的问题,在国际上率先获得了裂纹尖端高阶渐近解并提出了基于高阶渐近解的断裂准则;在国际上率先给出了弹塑性材     

分子马达集体运行机制及肌小节动态力学模型

分子马达的集体协作运行机制尚未有效揭示清楚,本文以骨骼肌中的肌小节为研究对象,利用非平衡态统计力学方法分析肌球蛋白分子马达的集体运行特性,构建肌小节系统的动力学方程和概率密度函数的Fokker-Planck方程,推导出肌小节主动收缩力学模型.根据分子马达的实际状态对模型进行化简,利用状态跃迁速率计算分子马达位移变量的概率密度分布,重点讨论了[ATP]和负载力对概率密度、主动收缩力以及收缩速度的影响,分析可知随着[ATP]的增大,收缩力和收缩速度也逐渐增大,在[ATP]饱和后,肌小节的收缩力和收缩速度保持不变;收缩速度随着负载力的增大逐渐减小到零;收缩力与肌小节的长度关系和粗细肌丝的有效作用长度有关,随着有效长度减小而减小.以上分析与Hill描述的肌肉宏观特性比较吻合,验证了模型的有效性.     

肠道内变径胶囊微机器人空间磁力矩特性

提出一种以相邻异向径向磁化瓦状多磁极组成的圆筒式永磁体为外驱动器，以胶囊机器人内嵌同磁极结构永磁体为内驱动器，在外驱动器旋转磁场的磁机耦合作用下，驱动变径胶囊机器人在肠道内旋进的驱动控制方法．根据等效磁荷法建立了偏心状态下磁驱动力矩普遍性数学模型，对驱动力矩与驱动器磁极结构参数的特性进行了研究，试验表明该驱动方法具有驱动力矩大、安全可靠等优点，变径胶囊机器人由径向间隙自补偿，显著提高了在肠道内的驱动能力，该磁驱动系统在人体肠道内具有良好的医学应用前景．     

民用客机变弯度机翼优化设计

针对民用客机机翼-机身-平尾构型开展了后缘连续变弯度机翼气动优化设计,并探索了在优化设计中添加俯仰力矩配平约束的必要性.采用自由型面变形(free form deformation,FFD)方法对全机构型进行参数化,可实现机翼型面、后缘弯度和平尾偏转角的改变.采用基于RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方程的离散伴随技术求解气动力系数对设计变量的梯度,并采用序列二次规划算法进行基于梯度的气动优化设计.针对CRM(common research model)构型开展了考虑多约束的气动减阻优化设计,验证了优化设计系统的有效性.在此基础上,针对不同巡航升力系数分别进行了考虑和不考虑全机力矩配平约束的变弯度机翼优化设计.优化结果表明,通过机翼后缘变弯度可以改善机翼展向升力系数分布、减小激波强度;为了获得综合最优的减阻设计结果,必须考虑力矩配平约束.     

磁致伸缩薄膜-基底悬臂梁微致动器的设计与优化

从最基本的力学平衡方程出发获得了适应于任意磁膜/基底厚度比、自由端施加点荷载的磁膜-基底悬臂梁系统弯曲问题的严格解, 针对材料的几何参数和物理参数着重分析研究了构成微致动器悬臂梁的设计与优化问题, 给出了微致动器应用的最佳条件, 并澄清了一些理论问题. 结果表明: 当基底厚度固定时, 磁膜和基底厚度之比越大, 悬臂梁的带载能力越强, 即输出力越大; 而当悬臂梁整体厚度固定时, 其自由端的输出力将出现唯一的极大值, 此极大值随着材料强度比的增加将减小, 同时相应的厚度比将减小. 无论是基底的还是整体的厚度固定, 悬臂梁中两种材料的Poisson比对其自由端输出力的影响都很大, 不可忽略.     

墙面及天花板上大壁虎脚趾作用力测试和脚掌形态研究

用3维运动作用力测试系统测量大壁虎在墙面和天花板上稳定运动时的脚趾作用力,分析了脚趾力的变化与壁虎运动的关系;用高速摄像跟踪观察壁虎在稳定运动时脚趾行为,获得壁虎在墙面、天花板上运动时脚掌形态特征;揭示大壁虎在墙面及天花板上稳定粘附的形态学和接触力学规律.结果表明：在墙面和天花板接触表面内脚趾的面力与脚趾的夹角分别为12.6°和3.1°,垂直于接触表面的粘附力足以平衡重力引起的翻转矩或重力;壁虎第1和第5脚趾产生方向相反的力,在接触面内形成冗余结构,提高接触的可靠性和稳定性;墙面与天花板表面运动中脚趾作用力与运动表面的夹角近似相等（约20°）;壁虎在天花板运动时,脚趾作用力明显大于在墙面运动时的脚趾作用力;上述结果可以启发仿壁虎机器人脚掌的控制与设计。     

飞行力学研究的新进展——飞行器攻防对抗研究评述

介绍了飞行器未来的作战环境、国外攻防对抗技术和战术的发展情况,特别是超低空飞航导弹在未来战争中的作用;讨论了飞行力学、微分对策、试验设计和飞行仿真在攻防对抗研究中的作用;从现代力学发展的角度,提出了＂攻防对抗和作战效能研究是飞行力学研究的新阶段＂的观点.     

DCT变速混合动力轿车制动降档过程优化控制

针对装配干式双离合器式自动变速器(dual clutch transmission,DCT)的弱混合动力轿车发动机辅助制动工况,为充分回收制动能量,制定了电液复合制动力矩分配策略,并对该工况瞬态降档过程各阶段离合器传递力矩和ISG电机输出力矩协调控制问题展开了研究.首先,建立了DCT降档过程动力学方程,模糊识别驾驶员制动意图,计算并获得驾驶员需求制动力矩,考虑电机最大制动力矩限制、发动机辅助制动力矩以及整车行驶阻力矩,根据所制定的复合制动力矩分配策略决策了发动机辅助制动过程ISG目标输出力矩;其次,设计降档过程转矩相分离离合器控制律,模型计算得到了离合器传递力矩;再者,考虑ISG电机力矩响应速度及转速同步时刻冲击度等,设计了发动机转速参考轨迹,并综合运用线性二次型最优跟踪及模型参考自适应控制,在外界扰动及模型参数摄动的情况下求取了惯性相结合离合器转速同步过程ISG电机输出力矩;最后,为避免从降档过程切换至在档稳定减速制动时,由于电机力矩突变所造成的车辆较大冲击,设计了电机力矩切换控制策略.仿真结果表明:所设计的制动降档控制策略能够充分利用发动机辅助制动力矩,并回收部分制动能量,ISG电机能够响应降档过程需求制动力矩的变化,实现快速换档.     

波浪作用下粉土特性分析*

利用弱非弹性介质模型,推导了波浪作用下有限深海床内部孔隙水压力、应力以及土骨架和孔隙水位移关系.针对3种海洋土,分析了土床内孔隙水压力、应力、应力角、位移的分布以及弹性波随加载波周期的变化.结合前人的实验结果,讨论了在粉土质海床中所呈现的共振现象.从理论上探讨了该现象发生的力学机制,提出了土床中硬土层的存在是决定土床中是否可能发生共振的必要条件,并且可以预测共振发生的可能区域.     

且群机器人队形控制的人工力矩法

为了得到一种一般性的队形控制方法，首先给出了一种新的队形表示图：吸引线段式主．从队形图和组群机器人的系统模型．然后基于上述成果和文中定义的两种人工力矩：主吸引矩和从吸弓l矩，提出了一种新的队形控制方法：人工力矩法．文中介绍了该方法的基本原理，并给出了机器人运动控制器的数学模型．最后运用Liapunov稳定性定理证明了系统的稳定性并给出了仿真．理论和仿真结果表明，给出的队形表示图和队形控制方法是可行且有效的．     

中国科学 科学通报

《中国科学》和《科学通报》创刊于1950年,是全面反映我国科学研究总体水平和最新进展的重要学术刊物,曾在国家和省部级期刊评奖中屡次获得各种奖项,如国家期刊奖、国家期刊奖百种重点期刊奖等。《中国科学》按数学、物理学(含力学、天文学)、化学、生命科学、地球科学、技术科学和信息科学形成系列,主要报道相关学     

高超声速飞行器面向控制一体化迭代设计的参数化模型

针对高超声速飞行器复杂的运行环境以及强耦合的动力学特性,提出了一种适合控制一体化迭代设计的参数化模型.首先,讨论高超声速飞行器控制一体化迭代设计的必要性和研究现状.然后,采用二次曲线和状态类型函数法将典型的高超声速乘波体外形进行几何参数化.接着,基于面元法结合工程估算公式获取高超声速飞行器力和力矩,构建参数化的非线性动力学模型.进而,采用灵敏度分析策略得到力和力矩的解析表达式,将复杂的非线性动力学模型简化成适合迭代设计的仿真模型.最后,通过仿真实例验证了本文所提方法的可行性,结果表明所发展的参数化模型能够满足高超声速飞行器控制一体化迭代设计的需要.     

水力作用下同向双平面滑移型岩质边坡稳定性分析

同向双平面滑移型岩质边坡的滑移破坏多属于推动式滑动破坏,其稳定性主要取决于滑动面的物理力学性质和地下水对岩体的水压力。通过分析此类边坡中地下水力的作用,发现水压力主要为沿结构面的静水压力和拖拽力。在建立边坡水力分析模型的基础上,推导出后缘结构面临界充水高度的表达式,并根据与降雨强度的关系建立水力驱动型边坡滑移破坏判据。最后选取实际边坡算例,验证公式的合理性,并运用Matlab编程分析了边坡稳定性系数在不同滑动面水深、滑动面倾角、坡高等影响因子影响下的动态演绎规律。结果表明:边坡的滑移破坏取决于水力作用的触发,边坡稳定性系数的降低主要与静水压力有关,渗透力的影响很小;在这些影响因子中,坡高、滑动面水深对稳定性系数影响较显著。     

斜向波与任意多个长水平圆柱的相互作用

采用多极子展开法对有限水深下线性斜向波与任意多个完全淹没的长水平圆柱相互作用的散射和辐射问题进行了研究. 首先建立由多极子线性组合表示的散射势和辐射势的级数形式的解析表达式, 然后利用Bessel函数的加法定理和物面边界条件来确定该级数表达式中的未知系数, 在此基础上, 导出了波浪力、附加质量和透反射系数的解析表达式. 采用边界元方法对本文的解析解进行了验证, 同时利用本文的解析方法研究了3种不同工况的线性斜向波与多个水平圆柱的相互作用问题. 结果表明, 圆柱个数、排列方式及其间距对波浪力、水动力学系数以及透反射系数有显著影响, 并在数值实验中发现了一些重要而有趣的物理现象.     

仿人机器人双臂/躯干运动规划研究

提出了仿人机器人双臂和躯干运动的两种规划方法用以补偿机器人运动过程中产生的自转转矩,进而提高系统运动稳定性.分析了运动中地面对机器人的作用力矩和双臂摆动对身体运动产生的影响.以补偿自转转矩为目标,规划了躯干自转补偿和双臂摆动补偿两种运动方式.以能量消耗为评价函数对这两种方法进行了比较,验证了两种方法的性能和可行性.     

交叉滚柱直线导轨五自由度静刚度理论模型

交叉滚柱直线导轨广泛应用于机床等精密机械中,静刚度为交叉滚柱直线导轨的重要性能指标,然而到目前为止,尚未见到该导轨静刚度的理论模型的报道.本研究建立交叉滚柱直线导轨五自由度静刚度的理论模型.首先,基于Hertz线接触理论与弹性理论的Boussinesq解,采用分片法推导了滚柱-滚道接触力及接触力矩的函数表达式;在此基础上,建立直线导轨结合部变形协调方程、物理方程与静力平衡方程,迭代求解方程获得交叉滚柱直线导轨五自由度静刚度.其次,以一款交叉滚柱直线导轨为例,开展了导轨五自由度静刚度的实验测试,并与理论模型计算结果进行了对比,验证了本模型的正确性.最后,分析讨论了预紧力对交叉滚柱直线导轨各向位移及刚度的影响,为交叉滚柱直线导轨预紧力的调节奠定理论基础.