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人工智能控制湍流进展: 系统、算法、成就、数据分析方法

吴智, 范德威, 周裕

2023, 53(2): 273-307. doi: 10.6052/1000-0992-22-045

摘要(5286)

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PDF(1622)

摘要:
湍流控制涉及流体力学和控制理论, 对航空航天、运载工具、风力发电等众多领域具有重要的科学意义和应用价值. 由于湍流的复杂性, 传统控制方法在湍流控制领域面临很多瓶颈, 人工智能技术的发展为突破这些瓶颈提供了工具. 本文简要综述了文献报道的有模型和无模型的人工智能控制湍流的进展, 总结了研究中采用的典型的人工智能控制系统、算法、在不同湍流控制应用中取得的突出成果. 作者所在团队在国际上首次尝试对人工智能控制系统产生的海量数据进行分析, 从而挖掘出重要的信息乃至发现控制相似律. 对面临的挑战和未来的展望进行了分析.

非线性隔振及时滞消振方法研究进展

孙秀婷, 钱佳伟, 齐志凤, 徐鉴

2023, 53(2): 308-356. doi: 10.6052/1000-0992-22-048

摘要(3413)

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PDF(860)

摘要:
振动问题与人类日常生活和科技发展紧密相关. 振动不但会干扰人类的生活、影响人类健康, 也会造成建筑物、机械设备和精密仪器无法正常使用甚至损坏. 于是, 在航空航天、汽车工程、船舶工程、大型结构及精密仪器加工等领域, 人们利用弹性元件或控制装置形成有效的振动隔离或消除装备, 有效的隔振能够提高人员和装备的安全性、稳定性、可控性和舒适性. 现代结构的大型化和复杂化发展, 对隔振和消振器的宽频抑振效果提出了新挑战. 然而, 基于线性理论的设计优化方法在分析和应用中出现了无法调和的矛盾, 即, 如果要拓宽隔振频带, 就必须降低隔振结构的刚度, 这导致结构承载能力下降. 本文对典型的非线性隔振器高静低动设计方法、动力学建模、动力学分析进行了详细的综述, 阐明不同机理下呈现的恢复力本构和准零刚度设计准则, 在面向航空航天、精密加工、汽车船舶等领域的不同需求时, 能够从动力学特征上进行选型; 另外, 关注到基于仿生和超结构的隔振和消振设计方法, 在非线性恢复力本构的力学机理解释和调控上产生了新的问题和挑战, 引发出变刚度、大变形动力学分析及其控制新方法、新策略和实验新技术的研究; 最后, 随着结构零部件向着轻质化和柔性化的方向发展, 运动部件末端的隔振效果受限于部件的柔性, 即使通过耦合多层准零刚度结构也难以实现被隔结构在空间上的快速定位, 关注到时滞控制的调幅调频机理, 本文对时滞抑振原理及设计方法进行讨论, 提供时滞抑制柔性低频振动成功案例, 为极端工况下的有效、简单、快速的主动隔振消振提供了可能性. 未来, 基于大数据时代的数据密集型研究范式, 非线性隔振和消振技术将面向复杂工况实现更精确、更智能的控制效果, 在精密仪器、航空航天等国家重大需求领域实现泛化应用.

多稳态动力系统中随机共振的研究进展

靳艳飞, 许鹏飞, 李永歌, 马晋忠, 许勇

2023, 53(2): 357-394. doi: 10.6052/1000-0992-22-047

摘要(2529)

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PDF(571)

摘要:
非线性随机动力学是力学、数学、工程等多个领域关注的热点, 在航空航天、机械工程、生物生态等领域有广泛的应用. 多稳态动力系统作为其最重要的研究对象, 在随机扰动下具有丰富的动力学行为, 如随机分岔、随机共振等, 尤其是随机共振, 已经被应用于机械故障诊断、微弱信号检测和振动能量俘获等工程实际问题中. 本文主要综述了多稳态动力系统中的随机共振理论、方法及工程应用. 首先, 通过几类典型的非线性随机动力学系统, 介绍了随机共振的经典理论和度量指标; 其次, 重点阐述了多稳态动力学系统, 尤其是三稳态和周期势系统, 在各类噪声激励下的随机共振现象, 分析了其诱发机理、演化规律和研究方法; 最后, 介绍了多稳态动力系统中随机共振的几类应用实例, 并进一步给出了随机共振当前面临的难题和未来的发展趋势等开放性问题.

轻质多孔夹芯结构的弹道侵彻行为研究进展

崔天宁, 秦庆华

2023, 53(2): 395-432. doi: 10.6052/1000-0992-23-002

摘要(2624)

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摘要:
多孔夹芯结构是一类由薄而刚硬的面板和多孔材料芯材构成的复合结构, 具有高比刚度、高比强度、缓冲吸能效果优异、可设计性强等特性, 在航空航天、交通运输、结构防护等诸多领域引起了广泛关注, 且已有诸多成功的工程应用案例, 是一类极具潜力的先进轻质高强多功能一体化结构. 为阐明轻质多孔夹芯结构的抗侵彻特性与耗能机理, 进一步拓展轻质多孔夹芯结构的工程应用范围, 对轻质多孔夹芯结构弹道侵彻行为的研究成果进行了系统的综述和展望, 依据轻质多孔夹芯结构的结构特征及类型, 分别评述了不同类型多孔夹芯结构的抗弹道侵彻破坏机制、能量耗散机理及轻量化设计等方面的研究, 展望了未来多孔夹芯结构在抗弹道侵彻研究领域面临的问题和挑战.

面向流体力学的多范式融合研究展望

张伟伟, 王旭, 寇家庆

2023, 53(2): 433-467. doi: 10.6052/1000-0992-22-050

摘要(3072)

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摘要:
实验观测、理论研究以及数值模拟是包括流体力学在内很多学科的基本研究范式. 21世纪以来, 大数据驱动下的人工智能成为引领新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力, 也被称为数据密集型科学研究范式, 即第四范式. 同样, 数据驱动的机器学习方法也成为流体力学的新兴方向, 并助推智能流体力学方向的发展. 然而, 与面向社会依赖“互联网 + 大数据”的数据密集型范式相比, 流体力学智能化研究有其特有的背景. 例如有限工程样本中产生的海量流动数据, 与流动状态、几何边界条件的高维度以及复杂流动固有的高维、跨尺度、随机、非线性特征相比, 数据驱动的流体力学研究面临着大数据小样本问题. 经典流体力学虽然有三大研究范式, 但融合度很低, 工程设计师通常只能对不同来源的数据进行拼凑使用或简单修正. 多源数据融合一定程度上可缓解单一样本量来源少、建模难, 以及低精度样本利用不充分等困境, 但仍未能实现基本范式中的理论模型或者专家知识和经验的充分利用. 因此, 在人工智能技术支撑的第四范式架构下, 有机融合实验、理论模型以及数值模拟三大手段, 发展“数据 + 知识”双驱动的流体力学多范式融合方法, 成为解决重大实际工程研制问题的迫切需求, 也是新时代流体力学学科内涵、特色发展的迫切需求.

多场耦合系统动力学仿真方法研究进展

王国平, 陶玲, 戎保, 芮筱亭

2023, 53(2): 468-495. doi: 10.6052/1000-0992-22-043

摘要(4426)

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摘要:
现代工程系统往往是以复杂结构/机械系统为主体, 融合热、流、电磁等若干子系统的多场耦合系统. 此类系统动力学建模复杂、计算难度大, 给系统动态特性高效精确评估与设计优化带来前所未有的挑战, 有关其高效精确动力学仿真方法的研究愈发受到关注. 本文详细回顾了复杂工程系统多场耦合动力学仿真方法研究成果和进展, 包括: 多场耦合动力学建模与数值求解基本策略、网格变形处理方法、耦合数据交换技术、数值计算效率等问题, 在此基础上详细讨论了单一和混合不确定性条件下多场耦合系统不确定性分析及可靠性评估方法, 以期为相关研究提供有益的借鉴和参考.

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