一般力學有哪些值得研究的領域？

2017-02-27 by:CAE仿真在線來源:互聯網

編者按:日前小編從《自然科學學科發展之戰略研究報告》中摘錄發布了《力學學科發展現狀與趨勢之一般力學》一文,報告中除了對一般力學的發展現狀和趨勢進行了深入的分析外,還給出了八個建議重點研究的領域,今日繼續和大家分享。

1. 非線性動力學系統的分岔與混沌

非線性振動理論是一般力學的一個重要分支,過去主要研究在確定條件下非線性振動系統的穩態周期運動,近20多年來,分岔和混沌的研究又使非線性振動研究匯入到當代非線性動力學的洪流。

當代非線性動力學的發展,在一定程度上得益于對若干經典的非線性方程,如范德玻爾(van der Pol)方程,達芬(Duffing)方程的研究。各種現代數學方法對這些方程的深入研究,揭示了非線性方程及其解的極為豐富的內在規律。我們要面對更為多樣的自然現象和工程對象,面對各種機械振動的對象,研究更為眾多的非線性方程所蘊含的豐富的內在規律。這是發展非線性動力學的一條重要的途徑。

本課題由下列內容組成:

① 根據所研究的工程系統中存在的不同振動方式(如外激勵、自激勵、參數激勵、張弛、時滯、碰撞與沖擊等振動)開展深入研究,全面地分析這些系統的復雜的動力學行為,包括周期、準周期和混沌運動的存在性和穩定性判據、奇怪吸引子和吸引域邊界的分形結構、局部和全局分岔、各種分岔模式的相互作用等,為工程系統的設計、安全運行和事故預防等服務。

② 發展奇異性、對稱性、范式、阻礙集等重要的理論方法,使它們在多自由度系統、非光滑系統和時滯系統等的非線性動力學研究中發揮更大的作用,解決多參數分岔、高階退化分岔、對稱破缺分岔、同異宿分岔與混沌等問題的計算方法。

③ 分岔與混沌的控制有重要的工程實際意義。研究參數選擇、結構方式、外界干擾等對非線性動力學行為的影響,處理工程振動中的穩定性、噪聲等方面的控制問題。

④ 進一步開展對一些尚未深入認識的現象(如瞬態混沌、混沌爆炸、奇怪非混沌吸引子等)和隨機系統的分岔與混沌的研究,促進非線性動力學理論的發展。

⑤ 數值模擬和實驗是研究工程振動的重要途徑。為此要解決復雜的分岔和混沌數值計算問題,特別是高階退化分岔、高維系統的全局分岔與混沌的有效算法和軟件系統的建立。此外,還要解決多自由度復雜工程振動系統的非線性動力學實驗的現代實驗裝備、測試和圖像顯示手段等問題。

2. 復雜大系統的運動穩定性

運動穩定性研究包括力學系統的運動穩定性,控制系統、大系統和不確定系統的穩定性,以及分布參數系統的穩定性。

① 當前力學系統運動穩定性的研究是向非線性和復雜結構這兩方面發展,例如研究非線性陀螺系統陀螺力鎮定的條件,發展能量卡西米爾方法、能量動量方法和半解析方法;研究剛彈液耦合系統及其他復雜系統的穩定性。

② 控制系統穩定性的重點內容是研究絕對穩定的實用充要條件。

③ 大系統的穩定性需要先將大系統分解成各個子系統,要尋求合宜的分解和集結方法,給出穩定性的判別方法。

④ 關于不確定系統,參數為非箱體的多項式的穩定,需要解決有限判定和非線性參數問題;參數矩陣的魯棒性問題應研究實用的充要準則;對非線性、復雜系統的魯棒穩定性也需加強研究。

⑤ 運動穩定性的一般理論重點是從實用出發研究各種非線性系統李雅普諾夫函數的具體結構,并使其有較大的適應范圍。

⑥ 運動穩定性研究和高科技及工程技術相結合,以至滲透到生命科學、生態、社會、經濟等領域中去。

3. 非線性隨機振動研究

隨著科技與學科自身的發展,非線性隨機振動的理論研究及其工程應用已成為當前的重要研究方向。值得重視的研究課題有:

① 非線性隨機振動的精確解法、實用解法、數值解法。

② 非線性隨機系統的穩定性、分岔與混沌。

③ 隨機參數系統的振動分析,及隨機有限元與隨機邊界元分析。

④ 非平穩隨機振動分析。

⑤ 隨機振動的控制對策。

⑥ 隨機振動條件下的可靠性分析。

⑦ 工程中的隨機振動問題。

4. 航天器和機器人中的多體動力學研究

剛-柔-液耦合系統動力學是當前大型空間飛行器和機器人技術發展中的突出問題。當多體系統中包含有柔性體或充液腔時,其動力學的特點是系統構件的變形運動(分布參數)與其大的“剛性”運動(離散參數)之間有著復雜的非線性動力學交耦。這是傳統的變形體力學沒有深入涉及的領域。以下的課題值得重點加以研究:

① 復雜多體系統動力學建模研究;

② 大變形及大晃動的復雜多體系統動力學研究;

③ 方程求解的Stiff數值穩定性的研究;

④ 變拓撲結構的多體系統動力學與控制;

⑤ 復雜多體系統動力學中的離散化與控制中的模態截斷的研究;

⑥ 多體系統動力學在各種實際問題,特別是在運動體動力學與控制中的應用;

⑦ 函數空間充滿柔性分布函數的復雜大系統動力學與控制的研究。

5. 大型旋轉機械及其他設備的自激振動研究

自激振動可能導致設備的災難性事故。各種自激振動的類型很多,機理各異,不可能逐一研究,建議以軸系油膜振蕩及氣流振蕩為主,建立包括非線性因素的更精細合理的模型,并研究各種有效的振動控制的途徑和手段。

6. 高速列車動力學研究

高速列車及鐵路的建設,向力學,特別是一般力學(動力學、振動與控制)提出一系列技術難題,需要考慮的有:

① 列車-軌道耦合多體系統動力學模型及其仿真以及穩定性、平順性和振動控制研究;非線性時變系統的模糊隨機振動分析;

② 根據線路曲率研究對能擺式車體的傾斜的有效控制方法,提高列車的曲線限速;

③ 列車受電弓-網系統動力學需解決高速受流問題。系統的剛度和阻尼必須是非線性的,才能滿足動力學性能的要求;

④ 高速列車的減振、降噪研究;

⑤ 列車的垂向、橫向及縱向動力學及降沖動研究;

⑥ 磁浮列車的機理研究,如磁彈性力學、磁流體力學、機電磁耦合振動的應用。

7. 振動系統動力學反問題及設備和結構的故障診斷研究

本課題包含如下問題:

① 振動系統參數識別包括實驗模態分析、物理參數識別、力參數識別等;

② 特征值反問題研究;

③ 微分方程反問題方法在振動系統中的應用;

④ 設備和結構振動故障診斷,包括智能化診斷技術。

8. 工程結構和設備振動的優化和主動控制的研究

振動和噪聲始終是工程結構和設備中一個十分令人困擾的問題。一方面,可以尋求優化結構以減弱振動和噪聲;另一方面,主動控制減振技術取得了一定的成效,提出了兩類控制方法,即耦合模態控制和獨立模態控制。

由于一般結構的模態階數很高,而能夠配置觀測器和執行機構的數目很有限,存在觀測溢出(observe spillover)和控制溢出(control spillover)的問題,有待進一步研究。在函數空間中,可望解決這類“溢出”問題,但目前對于線性系統,有了一些結果;而對于非線性系統,還存在不少的困難。

今后值得研究的問題有:

① 結構振動的優化研究;

② 振動主動控制理論和方法的研究;

③ 大型工程結構振動的主動控制研究;

④ 機敏結構(smart structure)振動主動控制研究。

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