《複雜力學系統跨尺度耦合動力學問題研究》是依託北京大學，由劉才山擔任項目負責人的重點項目。
基本介紹
- 中文名：複雜力學系統跨尺度耦合動力學問題研究
- 依託單位：北京大學
- 項目負責人：劉才山
- 項目類別：重點項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
複雜力學系統動力學演化過程中總會包含多尺度的耦合效應，正確理解微觀尺度下物理機制，並建立與巨觀現象有序行為之間的聯繫，是研究跨尺度耦合動力學問題的重要內容。本項目將以乾摩擦以及受衝擊的乾沙類散體介質為對象，基於接觸力學和所發展的變結構動力學理論，研究乾摩擦中所展現的Stick-Slip現象形成的原因，以及外部環境（特別是高頻振動）對巨觀摩擦性質的影響。揭示乾沙類散體介質由於顆粒之間的摩擦接觸和碰撞過程所導致的巨觀行為表征，包括1D有序散體鏈結構中的孤立波現象描述和無序3D乾沙介質的粘性力特性。期望能夠建立在能量水平上表征多尺度耦合效應以及與之關聯的波動效應，發展多尺度耦合動力學問題的基本方法。並開展基礎力學實驗，驗證相關的理論模型，並將其套用到太陽能帆板展開、月球著陸衝擊等相關航天工程問題當中。本項目的研究內容不僅具有重大的科學價值，並且在諸多學科中具有廣泛的套用背景。
結題摘要
物體界面之間的摩擦接觸與碰撞等微觀尺度行為對巨觀尺度的複雜動力學回響產生重要的影響。本項目圍繞其中的跨尺度動力學問題，在以下幾個方面取得了相應的重要成果： （1）碰撞動力學模型理論 考慮準靜態接觸模式下所觸發的材料彈塑性及完全塑性行為，建立了恢復係數與接觸體的動力學條件及碰撞體的材料參數之間的顯式關係，修正了Johnson在《Contact Mechanics》中所給出的錯誤的標度率關係；提出了處理多點接觸碰撞問題的LZB方法；在LZB理論模型基礎上，建立了處理線、面碰撞問題統一的力學模型和計算格式，該理論成果為分析空間結構在地震載荷作用下的動力學行為提供重要理論支撐。 （2）粘性滾動摩阻理論 將彈性圓柱體的滾動過程規劃為具有等效邊數的線碰撞過程，建立了高速旋轉運動的滾動摩阻效應模型，提出了滾動摩阻力矩與角速度平方呈線性關係的粘性滾動摩阻理論，成功解釋了轉動圓盤有限時間的奇異性，該理論對正確理論輪軌接觸動力學等問題具有重要意義。 （3）多尺度行為的幾何約束化與非完整約束力學 通過引入約束實現界面力學行為的幾何化，解決了摩擦接觸邊界約束導致的Painleve疑難問題，從理論上證實了該問題對應界面上的一個衝擊動力學行為。建立了非完整約束力學中Lagrange乘子與接觸約束力之間的關係，並將理論套用於腳踏車的穩定性分析。 （4）包含複雜摩擦碰撞接觸作用的仿真計算及平衡態下的巨觀行為描述 以跳動啞鈴剛體和多米諾骨牌為研究對象，研究了外部能量輸入與摩擦接觸碰撞能量耗散之間的平衡關係，解釋了微觀尺度的接觸碰撞與穩定巨觀力學行為的關聯，發展了有效的數值計算分析方法；基於DEM建立了包含複雜接觸與摩擦作用的顆粒介質的本構方程，揭示了散體材料性質與其剪下強度的關係。 （5）研究成果在航天工程的套用 相關理論成果為月壤採樣、太空飛行器軟著陸，對接過程等重大航天工程問題提供了重要的技術支撐。
