原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmps.2023.105497 固体材料中裂纹扩展受到微观结构的显著影响，因此微结构设计为调控裂纹扩展路径和等效断裂性能提供了有效途径。近日，固体力学旗舰期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids (JMPS)以“Pinning cracks by microstructure design in brittle materials”为题报道了北京理工大学先进结构技术研究院在脆性材料断裂性能调控领域的最新进展。 文章首先建立了基于离散元的非均质材料等效J积分计算框架（见图1），通过测量圆均匀化计算多尺度材料的路径无关J积分，实现复杂微结构影响下材料等效裂纹扩展阻力曲线的定量表征；进而分析了脆性材料中与孔洞相关的钝化钉扎和偏转钉扎，并通过调控孔洞与裂纹的相对位置激发不同增韧机制（见图2）；最后通过引入随机分布微孔洞和周期分布微孔洞调控钉扎机制，从而控制裂纹扩展路径和等效断裂韧性，确定“增脆-增韧转变”和“最大增韧”的临界条件，并且将微孔洞钉扎机制推广应用于软硬双相...

为了满足大涵道比、抗分层、高损伤容限等需求，航空发动机风扇叶片逐渐采用机织复合材料。然而，风扇叶片的外廓尺寸具有大扭曲的几何形态，在复合材料结构纤维预制体赋形过程中，纤维间会发生挤压、错动、扭转等相互作用，使得经纬纱线截面形态、体积含量和走向轨迹呈现不规则分布，这种复合材料细观结构的高度非均匀性极易引起材料内部应力集中，导致损伤发生，降低结构的可靠性，同时也大大增加了复合材料结构力学性能分析与评价的难度。 近期，我院梁军教授、葛敬冉副教授课题组基于数字单元法和仿射变换提出了一种能够真实反映机织复合材料扭曲结构内部细观纱线形态的高效数字化建模方法，并基于细观尺度模型预测了复合材料扭曲结构在悬臂载荷下的力学响应。该研究成果以“Mesoscale modeling of woven composite twisted structures combining digital element embedded model and affine transform”为题发表于期刊《Composites Science and Technology》。 在本研究中，首先基于数字单元法和嵌入...

纤维增强树脂基复合材料具有高比刚度/比强度、高稳定性、低热导率等优势，是重型运载火箭低温燃料贮箱的理想材料。全复合材料贮箱结构的设计与应用，被认为是进一步提高火箭运载效率的关键技术途径。然而，超低温环境下材料组分性能变化及热应力等因素，会显著影响复合材料的低温力学性能及损伤行为，给复合材料贮箱结构使役安全性设计与可靠性评价带来了困难。现有研究多采用离位方法观测复合材料的低温失效模式，超低温环境下复合材料内部损伤演化行为与机理有待进一步揭示。 近日，我院雷红帅教授、王潘丁副教授等人在方岱宁院士的指导下开展了基于低温原位μCT表征技术的复合材料低温失效机理研究，明晰了超低温环境下复合材料层板内部的损伤演化特征及影响机制。研究成果以“Cryogenic damage mechanisms of CFRP laminates based on in-situ X-ray computed tomography characterization”为题发表于复合材料力学领域顶级期刊《Composites Science and Technology》（IF=9.1, https://doi.or...

一、研究背景 在各种金属AM工艺中，金属增材制造工艺由于其克服尺寸和重量限制的潜力，在重工业中受到了越来越多的关注。然而，这一过程通常会导致热影响区（HAZ）的微观结构异质性增加和显著的晶粒粗化，因此需要适当的解决方案；另外，Ti6Al4V合金是各种工业应用中必需的高端材料之一，非常适用于金属AM。它是一种?+?钛合金，以其优异的高强度、低密度、高断裂韧性、优异的耐腐蚀性和优越的生物相容性等性能而闻名，这些特性使其对航空航天、生物医学和电力/能源应用具有吸引力。与传统的制造方法相比，AM具有显著的优势。然而，在解决颗粒结构的数值方法上缺乏足够的发展 。 基于上述问题，北理工廉艳平教授及其团队在增材制造技术领域TOP期刊Additive Manufacturing（IF：11）发表了题为“An extended cellular automaton finite volume method for grain nucleation–growth–coarsening during the wire-based additive manufacturing process”的研究成...

传统胶黏剂的黏附强度受材料性能及使用环境等因素的影响，且传统胶黏剂不可重复使用。如何设计强黏附且可重复使用的黏附表面是微机械系统、微电子封装等先进领域关注的关键科学问题。 壁虎通过强黏附与弱脱黏交替实现鲁棒性的爬行行为为该解决问题提供了创新灵感，并已成功制备仿壁虎黏附系统的多种微结构阵列表面。已有研究主要关注了微结构阵列材料及几何参数对表面黏附性能的影响。实验发现：相比于光滑平表面，相同表观面积微结构阵列表面的等效黏附强度反而较小，显然违背了通过微结构设计增强表面黏附的目的，有必要开展仿生微结构阵列表面黏附机理及其影响因素的基础理论研究。 近期，我院陈少华教授和彭志龙教授团队针对上述问题，建立了仿生微柱阵列表面与刚性光滑平基底的黏附接触力学模型（图1a），发展了一种微柱阵列界面黏附力传递规律的计算方法，定量表征了等位移加载条件下表面微柱和背衬层的变形，结合黏附界面的位移协同条件和单微柱脱黏准则，得到了微柱阵列表面典型的力-位移曲线（图1b）及每根微柱的受载情况（图1c）。最终发现：影响微柱阵列表面等效黏附强度的主要原因是界面脱黏时较低的微柱利用率，外缘微柱首先发生脱黏，界面整体...

轴管状三维编织复合材料因其高比刚度、高比强度、可设计性等特点，在航空航天、汽车制造和医疗器械等领域的关键承力结构中得到了广泛应用。然而，在结构成型过程中，总是不可避免地产生增强相（纤维束）截面变化以及基体相（树脂）孔隙等缺陷；在结构件实际服役过程中，面临着高温、低温等环境因素，这些都可能对其力学性能造成影响。因此，准确预测三维管状编织复合材料在不同环境条件下的力学行为，对保证其服役安全性具有重要的意义。   近日，我院李会民老师在方岱宁院士的指导下，基于Micro-CT多尺度建模框架，建立了考虑温度影响的三维管状编织复合材料弹塑性损伤跨尺度有限元模型，该模型充分考虑了真实纤维束特性、纤维形态以及成型过程中的缺陷等因素，研究了不同温度下结构宏/细观尺度上的力学性能，为设计和制造这类结构提供了一种新的跨尺度建模分析方法。 该项成果以“Prediction of mechanical properties of 3D tubular braided composites at different temperatures using a multi-scale modeling fram...

近日，北京理工大学郭晓岗副教授团队受生物组织中的肌肉纤维和神经元启发，提出了一种具有本体感知功能的电热驱动作动器。通过监测电热驱动过程中的驱动层电阻变化，结合构型反演算法，完成了结构构型的动态反演，实现了作动器的驱动-感知一体。研究成果以Somatosensory Electro-Thermal Actuator through the Laser-Induced Graphene Technology为题发表于国际TOP期刊Small。 肌肉组织中的肌肉纤维和神经元能够实现动作和感知。在肌肉运动过程中，神经元能够识别肌肉张力和压力的变化，感受关节伸展程度，使生物体准确的判断肌肉的动作。使用激光诱导石墨烯（LIG）作为电热驱动材料和压阻功能材料，基于肌肉组织功能仿生设计开发具有本体感知功能人工软体驱动器，将为智能仿生软体机器人的发展提供助力。 图1. 仿生自感知LIG驱动器设计示意图 研究团队在前期柔性传感器与驱动器的研究基础上，通过优化LIG驱动器的结构与制备参数，开发了具有本体感知功能的LIG电热驱动器。通过驱动器单元的组合，可以实现1D-2D，2D-3D及3D-3D...

北京理工大学杨恒老师小组近期发表在《Acta Mechanica Sinica》（《力学学报》英文版）上的长篇综述“Structure driven piezoresistive performance design for rubbery composites-based sensors and application prospect: a review”被选为Editor's Pick，并在AMS 力学学报英文版公众号进行了重点报道。这一工作是对课题组近几年在传感监测方面研究工作进展的总结。文章信息如下：Jiachen Shang, Heng Yang*, Xuefeng Yao, Haosen Chen. Structure driven piezoresistive performance design for rubbery composites-based sensors and application prospect: a review. Acta Mech. Sin. 40, 423211 (2024). https://doi.org/10.1007/s10409...

传统金属、陶瓷、聚合物等材料体系，强度和韧性难以兼顾。贝壳（珍珠母）、骨头、龟壳背甲角质层等一类生物材料，通过“砖-泥”软硬相堆叠结构实现了良好的强韧匹配，为轻质-高强韧一体化结构材料的设计提供了创新思路。 然而，实验发现不同种类的生物材料软相界面层的构筑方式存在显著差异：珍珠母及骨材料内的软相界面为连续分布，而龟壳角质层内的软相界面呈现离散分布的特征。砖-泥堆叠结构生物材料如何选择连续或离散界面？其物理力学机制成为关键的基础科学问题。 近期，我院陈少华教授课题组建立了一种离散界面的砖-泥堆叠结构力学剪滞模型（图1），其极限情况则为连续界面剪滞模型。根据砖-泥堆叠结构生物材料的软硬相力学性能，采用线弹性本构和理想弹塑性本构分别表征硬相微片和软相界面层性质，硬相将发生脆性断裂，而软相将发生塑性断裂，理论结合实验分析了离散界面多个特征参数对砖-泥堆叠结构材料断裂性能的影响。 结果发现：当软硬相弹性模量相差较大时，连续界面有利于砖-泥堆叠结构材料的强韧匹配（图2）；当软硬相弹性模量比较接近时，离散界面有利于砖-泥堆叠结构材料的强韧协调（图2）。进一步应用真实生物材料的力学参数验证了...

近日，北京理工大学雷红帅教授团队在生物学的启发下，借鉴变色龙皮肤的颜色调控机制，提出了具有可调控和宽频隐身特性的电磁吸波超结构设计新方法。该结构利用Kresling折纸的双稳态切换效果，实现低频与高频互补的电磁吸波特性，叠加频带覆盖2~18GHz。研究成果以Bioinspired Double-broadband Switchable Microwave Absorbing Grid Structures with Inflatable Kresling Origami Actuators为题发表于国际TOP期刊Advanced Science。 变色龙是自然界中可实现体表颜色快速变化的最具代表性的生物之一，其表皮的颜色变化源自于虹色素细胞和载黑素细胞的相互作用。其中，虹色素细胞提供底色，而载黑素细胞通过控制内部的黑色素在底部储囊和顶部分支之间快速移动实现体色的明暗转变，见图1所示。受此启发，研究团队通过模拟变色龙两种表皮细胞的不同功能，开发了一种可调控超宽频电磁吸波结构。选取了阻抗型格栅作为主体结构，模拟虹色素细胞的功能；选用圆形电阻片置于格栅中组成阵列，达到频率选择表面的效果...

1.导读 工程结构的优化设计与不确定量化问题具有大量的非线性约束，目前常用拉格朗日乘子求解带有大量约束的最优化问题。拉格朗日乘子方法通过引入新的未知优化变量即拉格朗日乘子处理约束条件(在常用的约束优化内点法中通常还增加松弛优化变量将不等式约束转换为等式约束)，然而拉格朗日乘子的引入会增加优化问题求解的未知变量数量，最终需要求解的方程组的阶数随约束条件的增加而增加。特别是一些特殊优化问题，拉格朗日乘子并不存在。另外，大多数机器学习优化问题是非凸优化问题，如何解决大规模机器学习问题，亟需发展新机器学习和约束优化算法。 近期，北京理工大学先进结构技术研究院在《Applied Mathematical Modeling》期刊发表了关于机器学习和非线性约束优化方面的研究工作，论文标题为《An exact penalty function optimization method and its application in stress constrained topology optimization and scenario based reliability design problem...

陶瓷基复合材料因其优异的高温力学性能、高比强度、比模量、低密度等特性，被广泛应用于航空航天、能源等热端装备构件上。其优异的性能很大程度上归功于其多尺度的微结构设计，但是这也同样带来了极其复杂的失效行为。此外，在制备过程中引入的内部微缺陷的分布与演化也将极大影响材料在高温、高压等极端服役环境下的失效形式。微裂纹作为其主要的内部损伤形式，量化提取与追踪其演化过程对于深入揭示陶瓷基复合材料的失效机理，保障其服役的安全性至关重要。X射线断层成像技术（CT）与高温加载装置的结合为在位表征材料的损伤演化提供了一种有效的途径。然而，如何从含噪声，低对比的CT表征结果中精确提取特征微弱微裂纹的量化信息，依然是一种挑战。 近期，我院曲兆亮、王潘丁副教授在方岱宁院士的指导下，针对于陶瓷基复合材料提出了一种基于生成对抗神经网络的高精度微裂纹量化提取追踪方法，并基于该方法实现了热力耦合加载条件下陶瓷基复合材料微裂纹演化行为的量化追踪，提取并分析了包括裂纹体积、裂纹张开面积，裂纹张开位移等关键裂纹参量的演化过程，以及裂纹网络扩展与主裂纹的形成机制。该研究成果以“In-situ quantitative tra...

户外工程装备的表面结冰，尤其是关键零部件结冰，将严重影响装备服役功能及性能，甚至造成严重经济损失和人员伤亡。已有被动防冰技术需进一步提高防冰效果，已有主动及主被动耦合防除冰方法仍需消耗大量电能。如何实现高效防除冰且消耗更少能量是目前防除冰技术发展的目标需求。 近期，我院陈少华教授课题组受启于石墨烯泡沫材料的优异电学性能，结合已有防除冰技术，提出一种高效、节能、多环境适用的电热-光热-主被动协同防除冰方法。将PDMS硅橡胶封装的石墨烯泡沫材料粘结于受保护基底，作为导电层，将氮化钛和二氧化硅纳米颗粒喷涂于导电层表面，以获得光热效应及超疏水浸润性表面，最终形成一种新型防除冰复合层状涂层材料（简写为GFPC，见图1）。 该涂层材料的电热能量转换率高达90%以上。利用石墨烯泡沫材料连续网络结构，可大幅度提高电-热转换效率。1V电压即可将零下几十度表面温度在400s内提高至零度以上，而已有研究需要 10 V以上电压才能获得同样效果；1.5伏电压可将表面温度在200秒内从室温提高到150摄氏度以上，而已有电热技术需要几十伏电压才能获得约100度的峰值温度。 光照作用可进一步降低表面水滴防结...

熔盐电解石墨化具有工艺简单、合成温度较低、合成物质形貌可控等特性。在碳基固体废物定向转化领域有重要的应用潜力，2017年非晶碳向石墨的电化学转化取得重要突破后，基于高温熔体的电化学石墨化法受到广大科研工作者的关注。已开发的碳质材料，石墨化度偏低，与商业化石墨的技术指标依然存在差距。其原因是电化学还原过程中伴随多尺度多反应步骤的问题，多步反应协同进行，导致关键过程控制难；非金属杂原子脱出机制与碳原子石墨化机制复杂，反应步骤难解析；金属原子催化促进的电化学转化伴随形微观貌变化，增加了时间与空间尺度的解析难度。 针对该领域难点，我院博士研究生李世杰在焦树强教授与宋维力教授指导下，联合机电学院朱艳丽教授，利用多尺度分析方法深入解析电化学石墨化的演化过程，相关成果以“Nickel-promoted Electrocatalytic Graphitization of Biochars for Energy Storage: Mechanistic Understanding using Multi-scale Approaches”为题发表在国际化学领域顶级旗舰期刊《Angewandt...

近期，北京理工大学先进结构技术研究院董浩文副教授课题组在水声超表面隐身方面取得新进展。相关成果以“Porous-Solid Metaconverters for Broadband Underwater Sound Absorption and Insulation”为题，在Physical Review Applied上发表[Phys. Rev. Appl. 19, 044074, 2023]，被选为“Featured in Physics”（物理亮点），并被Physics以“Metamaterial Provides Underwater Stealth”专题报道。北京理工大学先进结构技术研究院董浩文副教授（一作）、青岛大学赵胜东副教授和北京理工大学方岱宁院士为论文的共同通讯作者，天津大学汪越胜教授、香港理工大学成利院士、德国锡根大学张传增院士、中船系统工程研究院向平研究员、中船725所王兵研究员也参与了该工作。研究获得了国家自然科学基金原创探索计划项目（52250217）的资助。 近十年来，随着声呐技术的快速发展，新一代主动和被动声呐可实现低频、宽带、高精度、远距离探测。因...

金属增材制造在航天、航海、国防等领域有着广泛的应用，其加工过程的数值模拟算法涉及到复杂的多尺度、多物理耦合求解，是计算力学领域中的热点和难点问题。以激光选区熔化技术为例，描述部件和熔池流体所需的空间离散尺度通常横跨三个量级以上，计算资源需求巨大，使得高保真模拟算法难以完成大规模问题的求解。 金属增材制造的局部多网格有限体积法 近期，我院廉艳平教授课题组针对金属增材制造过程中的“热-流”耦合问题，提出了一种新的高效、高保真数值模拟算法：局部多网格有限体积法（local multi-mesh finite volume method）。该算法基于叠加细化的思想，采用一套移动精细网格跟踪热源，并对熔池内的流动、传热、相变过程进行精细求解，同时采用一套基网格对远离熔池的大尺寸区域进行温度场求解，在两套网格之间建立了高效的温度Dirichlet耦合方法。研究者建立了两套网格中离散元方法与有限体积法的体积分数转化技术，以及高稳定性的热源施加方案。算法通过一系列算例测试，包括激光扫描基板、激光单层、多层铺粉熔覆问题等，与解析解、实验结果符合良好，证明算法具有高精度；计算效率测试结果表明，...

近日，固体力学期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids（JMPS）以“A rate-dependent phase-field model for dynamic shear band formation in strength-like and toughness-like modes”为题报道了北理工方岱宁院士、陈浩森、曾庆磊团队在固体动态失效领域的最新进展。 相场法在模拟裂纹扩展问题中已经得到了广泛应用，近年来大家比较关注相场法能否准确模拟裂纹萌生过程。动态剪切带（或者绝热剪切带）是金属和合金材料在冲击载荷下的重要失效模式，它们的萌生过程在文献中一般被假设为两类问题：类强度和类韧性，如图1所示。本文将这两类问题进一步分为类强度、大范围屈服和小范围屈服三种模式，在热力学一致框架下提出了基于能量准则的率相关相场模型，可以准确模拟各种动态失效模式的萌生和演化过程。文章首先研究了力热耦合失效问题中相场法特征长度的物理意义，结果表明率效应或者温度效应显著时特征长度的选择会影响能量耗散过程，这一点与静态问题相场模型明显不同。接着对不同...

 结构智能集成一体化要求装备通过结构设计与集成，实现形状、性能和功能在时间和空间维度上可控变化，在不同模态或不同环境下实现变形、变性和变功能的“三变”。目前的力学超结构（超材料）已经难以满足日益提高的应用需求。智能驱动力学超结构（超材料） (Active Mechanical Metamaterials, AMMs) 是一类具有感知外界激励、主动判断并作出响应功能的材料，能够通过“感知-响应”来满足应用场景的需求和模态变化，受到了科学家的广泛研究。AMMs内部精巧的人工设计微结构和自身智能材料的刺激响应特性，使其不仅继承了力学超结构的超常力学性能，还具备了强大的驱动功能。AMMs的微观和宏观结构是根据几种基本的力学构筑原理设计的，即相变原理、应变失配原理以及力学失稳原理。考虑到刺激响应材料的可控性和实际工作效率，研究人员使用温度、化学物质、光、电、磁场和压力作用这些外部物理场作为激励场。北京理工大学方岱宁院士李营教授团队应邀从力学构筑原理和刺激响应材料两方面，系统性地总结了AMMs的前沿工作和最新进展（如图1），对比了不同类型AMMs的特点和适用场景，并讨论了AMMs的功能和工程应用，...

2021年6月18日，国际顶级光学期刊Advanced Optical Materials (IF="8.26)" 以“Highly Efficient Gradient Solid Immersion Lens with Large Numerical Aperture for Broadband Achromatic Deep Subwavelength Focusing and Magnified Far Field”为题，在线报道了北京理工大学先进技术结构研究院方岱宁院士团队在结构型宽带微波透镜方面的研究进展。博士生陈锦为论文第一作者，厦门大学陈焕阳教授和北京理工大学陈明继副研究员为本文的共同通讯作者。 相对于采用金属超材料设计的窄带透镜，梯度折射率透镜能够在更宽的频率范围内实现无色差高分辨聚焦和远场放大等功能。研究团队受到经典鱼眼透镜的启发，通过提高聚焦点处的折射率，引入透镜边界处的全反射机理，从而提高了透镜的聚焦精度，如图1所示。通过基元结构设计和精细加工，实现了聚焦半径0.15λ水平的大数值孔径宽带高分辨聚焦微波透镜，这样的聚焦精度水平原来只在窄带的金属超材料透镜中...

　　2021年3月18日，国际顶级光学期刊Laser & Photonics Review(IF=10.65)以“Conformally Mapped Mikaelian Lens for Broadband Achromatic High Resolution Focusing”为题，在线报道了北京理工大学先进技术结构研究院方岱宁院士团队在结构型宽带高分辨聚焦微波透镜方面的研究进展。博士生陈锦为论文第一作者，陈明继副研究员为本文的共同通讯作者。 　　大数值孔径无色差高分辨聚焦透镜在高分辨成像、高精度光刻等领域具有重要的工程应用。如何设计制造宽带无色差高分辨率透镜是光学与微波领域共同关注的问题之一。研究团队按照先进结构工程逆向设计的指导思想，通过保角变换光学理论，推导出聚焦点在边界对称轴处的四分之一米卡良透镜折射率分布；并通过基元结构设计和精细加工实现了聚焦半径0.2λ水平的大数值孔径宽带高分辨聚焦微波透镜。 　　为提高聚焦点处聚焦精度，受到传统固体浸入式透镜启发，将聚焦点处设计为折射率较大的材料，能够提高透镜的聚焦性能，达到0.2λ的聚焦半径，如图1所示。得到折射率空间分布后...