非线性力学国家重点实验室的前身是成立于rn1988年6月的非线性连续介质力学开放研究实验室rn(LNM),经过十余年的建设和发展,在1995年国家评rn估结果为“优秀”的基础上,经专家组论证和主管部rn门--中国科学院的推荐,国家科学技术部于1999rn年10月批准进行重点实验室的建设,2001年4月rn10日LNM通过了专家组的建设验收.验收专家组rn认为:rn”该实验室在建设过程中,结合中科院“知识创rn新工程”对研究目标进一步进行了凝练,在保持原来rn研究特色的基础上,近期突出纳米/微米尺度力学与rn跨尺度关联、纳/微电子机械系统力学、多尺度复杂rn流动的动力学理论与控制原理等创新方向,创新方向rn具有前瞻性、基础性和先进性.该实验室为中科院创rn新试点单位.实验室在建设期间,围绕上述目标,新建rn设了微系统力学实验室,结合国家”973”计划研制了rn微流动实验台,使LNM在微尺度和微系统的力学研rn究方面拥有了必要的实验环境和关键的测试手段,以rn及开展微尺度流动特性及机理等前沿问题实验的基本rn能力,为国内的微系统研究提供了重要条件,该实验rn室已结合“973”项目、国家自然科学基金重大项目和rn中科院重点项目等开展了工作.对原有设备的改造和rn升级也丰富了实验室的实验手段.”rn”在实验室建设期间,实验室联合主持了一项国rn家自然科学基金重大项目、一项中科院“九五”重大rn项目,参加了国家”973”计划和国家“攀登计划”各rn6个子课题的研究.获得了中科院自然科学二等奖和rn北京市科技进步二等奖各一项,白以龙院士还获得了rn何梁何利奖和周培源力学奖.发表的学术论文逐年增rn加,两年内在国内外核心期刊上共发表学术论文220rn篇,其中在国际期刊上发表94篇,另外出版专著1rn部.”rn”在实验室建设阶段,积极开展与国内外相关学rn术机构的实质性学术合作与交流.2000年主办了rn“微系统科学高级研讨班”,创建了中科院力学所-香rn港科技大学微系统联合研究实验室.在建设期间,有rn一人被聘任为的副主编.一年多来,先rn后有15位外国学者来实验室讲学,两年来共开放课rn题22项.LNM已经成为国内非线性力学的学术交rn流中心.”rn”实验室重视队伍建设,特别注重优秀青年科技rn人才的培养和引进,并做出了突出成绩.建设期间,rn获得了一项国家杰出青年科学基金,一项海外青年合rn作研究基金,有两人入选中科院“百人计划”.博士后rn和研究生的数量有了明显的提高,有8位研究生获得rn了不同等级的11项奖励.”rn”综上所述,验收专家组一致认为:非线性力学rn国家重点实验室高质量地完成了建设任务,达到了国rn家科技部对国家重点实验室的要求,已成为从事非线rn性力学研究和培养高级非线性力学人才的基地.”rn2000年度,LNM除顺利通过了由科技部和国rn家自然科学基金委员会等单位组织的2000年度对国rn家重点实验室的评估外,还获得中科院和北京市科委rn二等奖两项,并承担973、攀登计划、重大、重点等项rn目20余项,全年发表论文共计150余篇(其中国际rn期刊论文49篇、专著1部).限于篇幅,以下简要介rn绍LNM的部分进展,欲详细了解LNM研究工作、rn承担项目以及论文发表等情况的读者,请访问LNMrn主页(http://web.imech.ac.cn/).rn1.关于“非均匀材料细观损伤破坏过程、强度理论rn与强韧化力学机制”和”材料的宏微观力学与强rn韧化设计”的研究进展rn(1)提出严格考虑微裂纹群体交互作用的分析方rn法.建立了二维裂纹群体损伤演化动力学,成功地预rn示了微裂纹损伤演化全过程.针对典型细观结构群体rn(椭圆增强颗粒、短纤维、空洞、微裂纹),提出严格rn考虑交互作用的新方法.建立了二维细观结构群体与rn宏观力学参量的定量关系.发展了多相材料有效弹性rn模量的三维解析公式;建立了颗粒、纤维增强复合材rn料的弹塑性本构关系,确立了多相材料强度、韧度与rn其细观结构定量关系;提出了超晶格外延生长薄膜位rn错演化动力学方程.对多层膜和含有成分梯度变化的rn缓冲层的多层膜细丝位错,失配位错演化和应变松弛rn进行了系统的分析.分析结果与系统的实验结果相吻rn合.rn(2)发展了非有序细观结构集体演化的非平衡统rn计力学.发现了细观非均匀性对宏观强度的作用主要rn是通过其集体演化行为表现的.因此,通过沟通这两rn个物质层次的非平衡统计规律的研究,建立统计演化rn方程、截断方式,实现了从细观物理过程到宏观力学rn行为的贯通.rn(3)设计并制作了2种新型夹具(获实用新型rn专利),从而在相应的试样上进行力学量和细观量的观rn测.分别对合金钢、有序合金、非晶和细晶合金的微rn结构进行跨越6个尺度量级(10 nm～10 mm)的观rn测;对微损伤群体演化进行分析;对微结构及微损伤rn与力学量进行关联表征.表明短裂纹群体损伤导致的rn疲劳寿命与晶粒尺度成反比;疲劳极限应力与晶粒尺rn度的平方根成反比.用局域最大裂纹尺度和局域裂纹rn总数刻画短裂纹萌生和发展的随机性.揭示了激光熔rn凝表面层非晶和细晶以及有序合金的细-微结构,并rn用微区硬度的微区弹性模量表征微结构的力学性质.rn(4)建立了细观结构、增强体(粒子、纤维)、基rn体及界面对宏观力学行为影响的力学模型.确定了复rn合材料的组份配比、组态结构与宏观力学行为关系.rn发展了新的数值离散方法,开发的模拟软件首次在三rn维空间内模拟出大自由度的复杂非均质系统,计算裂rn纹、缺陷与增强体相互作用下材料损伤破坏的细、宏rn观全历程,成为研究跨尺度关联问题的得力工具.rn2.关于“脆性介质损伤累积统计和破坏预测的非线rn性演化理论”的研究进展rn非均匀脆性介质的破坏呈现为灾变现象,但灾变rn阈值的宏观不确定性给灾变预测带来困难.基于耦合rn斑图映射模型提出了灾变的一种共性特征,称为临界rn敏感性:当系统接近灾变点时,它对外载及随机损伤rn等外界扰动的响应变得极为敏感.临界敏感性的发现rn不仅有助于加深对灾变性破坏机理的了解,而且,它rn作为灾变的一种共同前兆,为灾变预测提供了线索,rn它可能是地震预测的加卸载响应比方法的物理机理.rn3.关于”MEMS的力学检测”、“微电子机械系rn统的微尺度力学检测和计算机辅助设计”与”微rn机械材料力学行为”的研究进展rn(1)和北大微电子所合作,设计并制作了微机械rn加速度计,进行了有关测试;对其进行冲击载荷下的rn失效机理和可靠性分析,表明其主要失效模式有:可rn动与不可动以及可动部件之间的粘着、硅梁断裂、整rn体碎裂等.结合该部分工作,建立了理论模型,还应用rnANSYS软件进行了微系统模拟以及微梁在冲击载荷rn下的失效计算,得到了和实验结果较为一致的结论.rn(2)针对MEMS中的“表面效应”进行了深入rn研究,指出:应用Tabor数、粘着数(adhesion parnrameter)和剥离数(peel number)表征不同微结构rn之间的粘着,可以作为MEMS结构的设计参数.rn(3)针对MEMS领域中公认的必须迫切解决的rn设计工具--”MEMS材料数据库”进行了创建且rn已经初具规模,包括:(a)不包含“尺度效应”的rnMEMS主要材料的物理和力学性能;(b)包含有”尺rn度效应”的力学性能;(c)碳纳米管的若干物理、力学rn性能以及若干分子动力学的数值结果等;d)MEMSrn材料性能指数.rn(4)开发了面向对象的Windows可扩展基础软rn件平台,可用于微执行器的性能模拟.rn(5)针对MEMS制备的新工艺--Ni诱导横rn向结晶(MILC)应用纳米硬度计进行了微力学检测.rn(6)研究了van der Waals力在纳米薄膜生rn长中的作用;针对MEMS用硅和多晶硅LPCVDrn和PECVD薄膜进行了微米/亚微米尺度的压痕实rn验,得到了同一压痕深度下不同加载速率下的微硬度rn的测试结果以及压痕过程中的多次“pop-in”和单次rn”pop-out”的新现象;提出了“应变率梯度塑性动力rn学理论”的新概念.rn4.关于”考虑多尺度效应薄膜脱胶的理论和实验”rn的研究进展rn(1)建立理论模型.同时采用了“EPZ模型”、rn”SSV”模型以及“unified”模型刻划了薄膜脱胶时的rn界面分离过程;同时采用塑性应变梯度理论刻划尺度rn效应.从这一理论模型出发完整地预测出薄膜脱胶的rn多尺度效应.结合实验结果,即可获得塑性应变梯度rn理论中微尺度参量的取值,又获得了薄膜脱胶时裂尖rn无位错核的厚度值;rn(2)建立多重尺度问题的数值方法.在先前提出rn的”纯位移导数”的新有限元方法的基础上,完善和rn发展这一方法并将它成功地应用于对薄膜脱胶多尺度rn效应的预测;rn(3)薄膜表面及界面性能的实验研究.通过精细rn的实验和量测,获得了微尺度下材料所表现的强烈的rn尺度效应特征,也为组织和实施更精细而难度更大的rn薄膜微撕裂实验和微劈裂实验打下了坚实的基础.rn5.关于“尾迹流动旋涡位错与转捩数值研究”的研rn究进展rn(1)从流体动力学基本方程(N-S)的DNS解出rn发,揭示了尾迹型流动非线性波动中由展向局部非均rn匀性引起的旋涡位错及其形成的大尺度旋涡重联.刻rn画了旋涡位错重联结构的特征,建立了动力学模型,rn提出了机制分析.rn(2)用LES结合Smagorinsky SGS模型计算rn亚临界雷诺数(Re=500)三维圆柱绕流,研究大rn尺度湍流统计特性及近尾迹结构,所得升力、阻力、rn脱落频率、峰值雷诺应力流场时均剖面与已有实验及rnDNS计算相符很好.rn6.关于”复杂流动机理与控制”研究进展rn(1)在尾迹转捩非线性特征数值研究方面:从rn近尾迹到下游尾迹存在着多种不同尺度旋涡结构的激rn发,相互作用与演化,模态竞争.大尺度Karman涡rn出现斜脱落,流向变形;大小尺度涡的相互作用缠绕rn与重联,直到下游破碎,经历有一系列复杂的变化,rn呈现出重要的非线性特征:1)揭示了尾迹三维不稳rn定性非线性增长特征;2)Re数在200～250范围,rn大尺度Karman涡的脱落有明显的展向相位差变,rn形成斜脱落,脱落后的Karman涡不平行柱轴,在下rn游进一步变形形成不同曲向的马蹄涡,它的更下游发rn展导致破碎.随着时间增长,涡的破碎位置向上游移rn动.流动从有序转向无序;3)揭示了尾迹中大尺度rn展向涡与小尺度流向涡间的强相互作用,导致小尺度rn流向结构的破坏,两种尺度旋涡间的相互缠绕,形成rn大尺度涡与邻近且具有相反符号大尺度涡间的跨涡街rn旋涡重联.这种重联在空间分布具有随机性.rn(2)平面尾流中粒子动力学研究方面:针对粒rn子在平面尾流中的复杂运动行为,采用Lagrange观rn点,研究了粒子尺度对粒子在Karman涡街流场中的rn扩散产生的影响.结果表明,粒子的运动轨迹在流场rn中出现聚集.随着粒子尺度的增加,粒子的轨迹将出rn现一个周期倍分岔到准周期轨道或混沌轨道的过程,rn同时相应的吸引域随着减小、粒子聚集的时间也随着rn缩短.最后经过临界突变,粒子的轨迹全部从尾流区rn逃逸.rn(3)针对粒子在平面尾流中的复杂运动行为,揭rn示了粒子尺度对粒子扩散产生的影响,即出现一个周rn期倍分岔到准周期轨道或混沌轨道的过程.进一步证rn明了在不同的旋涡空间参数下,平面尾流的流线拓扑rn具有三种类型,它们以零流线的分布为特征.当考虑rn到旋涡空间参数的不同,即随着该参数的增加,粒子rn轨迹的分岔过程将得到抑制.rn(4)采用非线性动力学方法,对DNA序列进行rn的平面度规表示,该方法可用于确定短的核苷酸串缺rn失.进一步通过计算分形维数来度量DNA序列中短rn核苷酸串缺失,并确定出长的核苷酸串的重复.上述rn特征均偏离于随机符号序列.rn7.关于“多尺度复杂流动的数值模拟”的研究进展rn(1)利用所建立的平面混合流的直接数值模拟数rn据库,分析了可压缩效应对湍流特征的影响.指出,rn随着对流马赫数的增加,脉动压力梯度增加,导致湍rn噪声的产生.rn(2)针对声波与激波干扰的流动特征,构造了具rn有四阶精度的群速度直接控制方法.方法用于数值模rn拟涡-激光器波强干扰的气动声场,给出了复杂流场rn的演化和四极小声的发生、发展与演化过程.研究了rn激波强度对声场的影响,声波传播特征的噪声产生的rn机理.rn(3)在直接模拟的基础上,从能量方程出发,研rn究了可压缩效应对充分发展槽道湍流近壁拟序结构的rn影响.rn8.关于”微流动特性研究”和“微孔流动中液体分rn子凝聚尺度的临界效应研究”的研究进展rn(1)研究不同性质液体在微管道流动中的尺度效rn应:对简单分子液体(去离子水、三种有机液体等)在rn25μm内径的石英圆管内的流动进行了实验研究.实rn验结果表明,在定常层流条件下,圆管内的流量与两rn端压力差成正比,其压力-流量关系符合经典HagenrnPoiseuille流动关系.这说明对分子结构简单但分子rn量较大的液体,在微米尺度的管道流动中,低Re数rn下的流动规律仍符合连续介质假设的经典流体力学模rn型.rn(2)微系统性能分析:对数字式推进器的气动、rn传热、强度等问题作出综合分析,指出”非定常热传rn导”非线性效应将成为推进器微型化过程中的主要限rn制因素.rn(3)用LNM新建的低湍流度水洞进行平板的层rn流和湍流边界层的定量测量,得到了湍流边界层的能rn谱及流向脉动速度等流动参量,为边界层流动控制研rn究提供精确测量数据.rn