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    力學學科簡介

    一、學科概況

    我校力學學科的發展起始于1976 年招收的力學師資班。進入二十一世紀,隨著西部大開發的步伐加快,國家基本建設力度進一步加大,1998年工程力學獲碩士學位授予權,并于2003 年增設理論與應用力學本科專業,2008年理論與應用力學本科專業取消,同年增設工程力學本科專業,2006年固體力學獲碩士學位授予權,目前已有力學一級學科碩士授權點。

    “力學是工程的基礎”,力學學科一直是純理論研究和工程問題的橋梁。所有的工程問題都要建立力學模型進行理論研究,所有的理論研究都要通過力學模型還原于工程。近年來, 我校力學學科在學術梯隊、學位點、實驗室等建設上都已具備了良好的工作基礎,部分領域的研究成果已達到國際或國內先進水平,具有一支學術水平較高、結構比較合理的學術梯隊,該學科不僅對其他工科專業建設起到重要支撐作用, 而且對本科教學也起到很好的推動作用。

    二、學科研究方向和特色

    力學學科現已涵蓋了固體力學、流體力學及一般力學。力學學科在基礎研究、應用研究、人才培養、服務地方經濟建設等方面都發揮了巨大作用。特別在基礎研究方面,主要開展結構在復雜載荷作用下的靜動態響應研究。首次建立了精確考慮軸線可伸長的幾何非線性理論,給出了Euler-Bernoulli梁和Timoshenko 梁的非線性動力學數學模型;利用現代數學分析與數值電算方法有機結合的手段,全面研究了正交各向異性薄板的熱過屈曲和非線性振動響應。逐漸形成了結構非線性力學、復合材料結構力學、新型材料的多物理場耦合力學等3個研究方向。

    1.結構非線性力學

    由于結構大變形導致的幾何非線性和材料本構關系的物理非線性,使得描述結構宏觀力學行為的控制方程成為非線性的。該方向主要研究結構或構件的非線性靜動態響應。研究工作主要包括:

    (1) 結構大變形研究

    基于連續介質力學的基本理論,考慮非線性效應,建立具體問題的數學模型,研究非線性問題的分析和求解方法,采用現代數學分析手段及數值計算方法尋求解析解或數值解。近年來,已在結構的非線性彎曲、振動和穩定性等方面開展了系列研究工作。首次精確考慮軸線可伸長的幾何非線性,建立了彈性梁非線性力學精確模型,研究了保守載荷和隨動載荷作用下梁的大變形問題、熱彈性穩定性和振動響應;在板殼研究方面考慮剪切變形的影響,得到了中厚度板殼構件在熱-機載荷作用下的非線性力學行為的系列成果。

    (2) 嵌入新材料結構研究

    基于各向異性復合材料理論和等應變假設,研究嵌入形狀記憶合金絲和壓電層結構的非線性靜態和動態力學行為。分別考慮嵌入材料和基體材料的本構關系,采用等效單層板理論,分析了嵌入的新材料對結構非線性靜態變形與應力的影響,研究此類結構在熱環境中的動態響應特性。

    (3) 瞬態熱彈性研究

    基于三維熱彈性理論,采用狀態空間法和打靶法相結合的數值方法,分析了復合材料結構的熱沖擊問題。求解了熱沖擊時結構中三維熱應力分布形式,以及彈性沖擊波在復合材料介質的傳播特征。

    本研究方向有教學科研人員6人,其中教授2人,副教授2人,講師2人,博士2人,碩士3人。先后發表學術論文60余篇,其中被SCI/EI/ISTP收錄15篇。近五年來分別獲得甘肅省自然科學三等獎1項,甘肅省高??萍歼M步獎一等獎1項、三等獎1項。成果達到國際上該領域的先進水平。本方向研究得到了國家自然科學基金、教育部博士點基金及甘肅省自然科學基金等的資助。

    2.復合材料結構力學

    主要研究新型復合材料結構的彎曲、振動和穩定性等宏觀力學行為,其中包括功能梯度材料結構和多孔固體芯材夾層結構靜動態力學行為。

    (1) 功能梯度復合材料結構研究

    功能梯度復合材料結構具有在溫度梯度劇烈變化環境中緩和熱應力,抵抗熱變形的特殊作用,成為航空航天、核能工程、石油化工等工程技術領域最具潛力的結構材料。由于其材料性質的非均勻和各向異性,使得其很多靜動態的力學行為都不同于一般材料。材料性質的沿厚度方向的連續變化導致描述其力學行為的控制方程為變系數的,尤其是在熱環境中,從而對問題的分析求解帶來很大困難。該類結構的熱彈性力學行為研究已經成為固體力學的熱點領域。近年來,本方向考慮材料的梯度變化、物理性質的溫度依賴性、剪切變形等因素的影響,研究了變溫環境中功能梯度材料梁、板、殼結構在機械載荷作用下的非線性變形問題、穩定性問題及其動態力學行為。該研究已形成了穩定的研究方向,取得系列研究成果。

    (2) 多孔材料加芯夾層結構研究

    薄膜金屬等多孔材料由于重量輕、易加工和力學性能好而得到工程領域的青睞。多孔材料的微結構力學性質較為復雜而且容易出現內孔壁失穩的情況,但是其宏觀力學性能往往比較穩定。由于多孔材料的力學特性相比一般材料差異很大,夾層結構的本構描述、變形特點假設,研究的方法等問題都需要重新探討。以多孔材料為加芯層合結構的靜動態力學行為研究具有重大意義。本方向目前考慮多孔材料的宏觀物理性質及其非均勻性,在剪切理論下對泡沫金屬夾芯層合結構的非線性靜態力學行為進行了研究,取得部分有意義的研究成果。

    本研究方向有教學科研人員6人,其中教授3人,副教授2人,講師1人,博士3人,碩士3名。近五年,研究工作得到國家自然科學基金、甘肅省自然科學基金、甘肅省教育廳基金項目等多項基金資助。發表學術論文30余篇,其中被SCI/EI/ISTP收錄10篇,培養了多名碩士研究生。

    3.新型材料的多物理場耦合力學

    本方向主要研究新型材料如壓電材料、電磁材料、電活性聚合物、超導材料等在電、磁、熱、彈等多物理場耦合作用下的靜動態響應,為新型材料結構在工程實際中的功能性設計及安全性設計提供理論基礎。主要的研究工作包括:

    (1) 基于熱波理論的廣義電磁熱彈耦合問題研究

    代表性的研究工作有:提出了混合拉普拉斯-有限元方法,成功求解了壓電板的壓電熱彈耦合問題;給出了半無限大體磁熱彈耦合問題的解析解;研究了材料屬性隨溫度變化彈性體的熱彈耦合問題;研究了旋轉體的廣義熱彈耦合問題等。研究成果受到了國內外學術同行的關注。該方向屬目前固體力學領域研究的熱點方向。

    (2) 電活性聚合物薄膜非線性變形研究

    電活性聚合物屬高分子聚合物,有“人工肌肉”的美譽。目前,針對該類材料的非線性大變形已作了卓有成效的研究工作,近期成功解決了美國人工肌肉公司開發的一款萬能肌肉作動器的力學響應問題,研究成果發表在國際重要學術刊物Journal of Applied Physics上。當然,對“人工肌肉”,還有大量力學問題有待解決。

    (3) 超導材料的交流損耗及斷裂問題研究

    采用局部絕熱假定從磁熱相互作用的角度考慮臨界電流密度非均勻分布效應對磁通跳躍和交流損耗的影響,并對高溫超導薄膜的磁場和電流密度的分布及其損耗情況進行了研究,得到了一些有較高學術價值的研究結果。目前同時也在進行超導材料的斷裂問題的研究。

    該方向有教學科研人員7名,其中教授1名,副教授3名,講師1名,博士4名,碩士3名。圍繞以上方向,已在國內外學術刊物上發表論文40余篇,其中被SCI/EI/ISTP索引的論文有20余篇。培養了多名碩士研究生。研究工作受到國家自然科學基金、中國博士后科學基金、甘肅省自然科學基金等的資助,項目資助近10項。該方向的學術帶頭人為甘肅省力學學會副理事長,蘭州大學博士后,哈佛大學訪問學者,國家自然科學基金數理力學部力學學科通訊評議專家。

    三、學術團隊成員和科研項目

    工程力學教學部共有教師22人,其中教授6人,副教授(高級工程師)8人,講師3人,具有博士學位8人。

    本學科梯隊現有成員19人,正高級職稱6人(博導2人),副高職職稱7人,其中具有博士學位的9人。團隊人員中碩士以上學位18人。已經形成一支老中青結合、職稱結構、學歷結構分布比較合理的教學科研隊伍。其中3人是《Int J. of Applied Mechanics》、《Applied Mathematical Modelling》等國際期刊的審稿人。力學學科成員均為甘肅省力學學會會員。本學科先后成功承辦了第十一屆全國現代數學和力學等學術會議以及數學力學物理學高新技術交叉研究學會第十三屆學術年會。

    在科學研究方面,已完成國家自然科學基金2項,省級項目6項。在研國家自然科學基金3項,聯合研究國家自然科學基金2項,參加研究國家973項目1項,省級項目5項。發表的論文已被SCI、EI檢索的近40篇。





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