强度和韧性的“倒置关系”是材料研究领域长期存在的难题。大量的实验表明，随着金属材料内部晶粒尺寸的降低，在强度获得提升的同时，韧性将大打折扣。目前，广泛采用的高强材料韧化策略有：（1）改变组分，通过引入和调整材料的多种主要元素，同时激活多种塑性变形机制，高熵合金材料就是采用这种思路；（2）改变微结构，在材料内部引入一种或多种梯度分布的微结构，避免由于特征长度突变带来的性能突变，有效克服金属材料强度和韧性的失配问题，这种材料被称为梯度纳米结构材料。 图1 梯度结构金属材料的类型（摘自：李毅，梯度结构金属材料研究进展，中国材料进展，2016, 35: 658-665）人工制备的梯度纳米金属结构主要包括以下几种：梯度晶粒，梯度位错，梯度孪晶，梯度固溶物，梯度相，以及包含两种以上的梯度混合结构。在已经发展成熟的金属材料内部引入梯度纳米结构，可以进一步提高其强韧性匹配能力。例如，通过表面研磨处理（SMAT）在孪晶诱发塑性（TWIP）钢表面引入大量的塑性变形，使其表面晶粒细化，随着深度的增加，晶粒细化的程度逐渐降低，同时塑性变形也会导致位错演化和孪晶的产生，因此在TWIP钢内部形成了包含梯度晶粒，梯度位错和梯度孪晶的梯度混合结构。这种梯度纳米结构TWIP钢的强度可以提升50%，断裂应变仅从60%下降到52%，具有更高的强韧性匹配能力。目前，关于梯度纳米结构TWIP钢的研究集中于实验，反映物理机制的本构模型研究还鲜见报道。西南交通大学力学与工程学院张旭教授与德国马普钢铁所、中国钢铁研究总院等机构开展合作，指导博士生陆晓翀发展出考虑位错滑移和变形孪晶等物理机制的微结构尺寸相关晶体塑性本构模型。依托DAMASK平台将该模型移植有限元，并对梯度纳米结构TWIP钢的单轴拉伸变形行为展开模拟，揭示了其微结构演化与宏观性能之间的关系，量化了不同梯度结构对材料强韧性的贡献。相关研究工作已在金属材料与固体力学交叉领域顶级期刊《International Journal of Plasticity》上在线发表，论文题目为Crystal plasticity finite element analysis of gradient nanostructured TWIP steel。 论文链接： https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2020.102703作者首先使用不同晶粒尺寸Fe-15Mn-2Al-2Si-0.7C (wt.%) TWIP钢的单拉实验数据验证该模型的合理性，结果表明该模型对不同尺寸下的应力应变响应和应变强化行为都可以较好地描述，特别是细晶TWIP钢硬化率曲线中的up-turn效应。通过对内变量演化的分析及对比性模拟，作者发现这种up-turn效应源自于细晶中显著的背应力。 图2 对比不同晶粒尺寸TWIP钢的单拉实验和模拟结果由于梯度纳米结构TWIP钢的微结构十分复杂，晶粒数目众多，通过采用三维均匀化方法，建立了宏观试样尺寸的有限元模型。通过对每层单元赋予不同的晶粒尺寸，初始位错密度和孪晶体积分数，离散地描述材料内部微结构的梯度分布，并通过梯度网格划分方法进一步减少单元数目。对于材料表层微结构变化剧烈的区域，采用密度较高的网格，以保证更加精确地描述微结构的梯度变化。 图3三维均匀化方法示意图作者利用发展的晶体塑性模型，对均匀和梯度纳米结构的Fe-10Mn-0.5C-3Ni (wt.%) TWIP钢的单拉变形行为进行模拟。结果表明，在合理描述均匀结构TWIP钢应力-应变响应的基础上，通过引入微结构的梯度分布，无需修改任何参数就可以较好地描述梯度纳米结构TWIP钢的单拉力学行为。通过对比变形云图，作者发现均匀和梯度纳米结构TWIP钢的表面都会变的粗糙不平，但梯度纳米结构的表面粗糙度更加明显，产生的应变局域化形成了两个凹陷区，且凹陷区在垂直于平面方向也会发生收缩。随着深度的增加，收缩程度逐渐降低。通过对比性模拟，作者发现表面凹陷区的出现就是梯度纳米结构TWIP钢韧性略微下降的原因。而应变局域化的产生与表面纳米层晶粒的应变强化能力有关，提高表面纳米晶的硬化能力，就可以抑制表面凹陷区的出现和韧性的下降。此外，作者通过分析不同层位错密度的演化，进一步证实了上述观点。作者还通过对比性模拟量化了不同梯度结构对材料强韧性的贡献。结果表明：强度的提升源于梯度位错结构，梯度晶粒和梯度孪晶结构有助于保持材料的应变强化能力。 图4 均匀结构和梯度纳米结构TWIP钢的模拟结果对比分析。

本发明公开了一种数控机床实验模态分析方法，包括 1)利用仿真软件生成随机值序列，并选择采样率以获得感兴趣的频带范围；2)加工凸台试件，使得试件表面生成的断续切削宽度符合上述随机值序列，从而得到对数控机床产生结构随机冲击的激励；3)在数控机床的各部件上布置传感器，以获取机床结构振动响应信号；4)切削凸台试件，完成结构模态激励；5)选定振动响应幅值较大的测点作为基准点，按基于多参考最小二乘复频域法(LSCF)辨识得到机床结构模态参数。本发明可以在无需外加激励条件下，通过加工特定试件完成对数控机床激振，完成模态测试，大大降低模态实验的激振成本和减小激振所造成的损失。

本发明提供了一种模态频率对质量的灵敏度分析方法，构造结构导纳矩阵并获得前ｍ阶模态频率，从结构第一个节点开始添加质量摄动项，将加速度导纳信息代入矩阵修正公式形式获得摄动后的加速度导纳，提取结构的频率信息，获得结构模态频率对质量的灵敏度，按照节点顺序改变质量摄动点位置获得对应得灵敏度，从而获得整个结构模态频率对质量的灵敏度。本发明方法首先通过有限元计算获得结构的加速度导纳，当结构质量发生摄动时，利用矩阵变换公式无需有限元二次计算，只需要初始的加速度导纳信息进行数值计算即可获得摄动后的加速度导纳，简化计算效率，更加方便，实现了基于加速度导纳对质量的灵敏度快速计算方法，具有实际工程意义。

本发明提供了一种柔性桁架结构基于刚度影响的重分析方法，首先基于有限元分析获得柔性平面桁架位移频响函数，构造位移频响矩阵，当某一单元的弹性模量发生改变时，确定全局总刚度矩阵变化量，基于矩阵修正公式，根据初始位移频响矩阵快速获得修正后的结构响应，完成频响动态重分析求解。因此，无需进行多次有限元计算，利用初始的频响动态响应信号及明确结构的局部刚度变化，即可完成刚度摄动后结构的动态分析，简化计算效率，更加方便，具有实际工程意义。

本发明提供了一种基于质量影响的快速灵敏度分析方法，构造速度导纳矩阵，并获得前m阶模态频率，从结构第一个节点开始添加质量摄动项，将速度导纳矩阵代入矩阵修正公式获得摄动后的速度导纳矩阵，辨识结构的频率，获得结构模态频率对质量的灵敏度，按照节点顺序改变质量摄动点位置，重复前述步骤获得对应得灵敏度，从而获得整个结构模态频率对质量的灵敏度，绘制灵敏度曲线。本发明当结构的质量发生变化时，利用矩阵变换公式无需进行有限元再次计算，只需要初始的速度导纳信息进行数值计算即可获得摄动后的速度导纳，简化计算效率，更加方便，实现了基于速度导纳对质量的灵敏度快速计算方法，具有实际工程意义。

本发明公开了一种考虑力载荷的板结构屈曲温度分析方法，计算考虑热效应的结构线性刚度矩阵和热应力刚度矩阵，计算板结构在力载荷作用下的结构位移；建立考虑结构变形的板结构线性刚度矩阵和非线性刚度矩阵，计算给定热载荷作用下的结构热应力刚度矩阵；计算结构屈曲因子，计算得到板结构此时的屈曲温度；计算所得屈曲温度和给定热载荷的误差值，若误差值在容许值范围内，则得到板结构最终的屈曲温度等于所得屈曲温度，否则将所得屈曲温度作为新的给定热载荷，并更新对应温度的结构材料参数，重新计算直至最终获得考虑力载荷的板结构屈曲温度。本发明能够有效提高复杂环境下板结构屈曲温度分析精度。

因其广阔的工业应用范围和越来越高的精度、效率要求，DC-DC变换器系统已经引起电气工程师和控制工程师的广泛研究和关注。DC-DC变换器系统本身固有的非线性特性，已经使得传统线性控制方案，如PID控制等，无法取得满意控制效果。此外DC-DC变换器系统负载的突变、输入电压的波动、半导体器件的电磁干扰和参数变化等各种因素都严重破坏DC-DC变换器的精度要求。面向DC-DC变换器系统，我们已经拥有一整套的建模、分析和设计方案。利用干扰观测器技术对有负载突变、输入电压波动和模型误差引起的干扰进行实时精确估计，从而进行精确补偿，消除干扰造成的不利影响，可以与滑模控制和其他先进的非线性控制算法结合，实现基于干扰观测器的非线性抗干扰技术。我们提出了从建模、分析、先进控制方法设计到具体实现参数、规律总结凝炼等一整套的DC-DC变换器系统先进控制解决方案，成果已经成功应用于多种工业设备。一方面可以通过软件算法设计保证和提升DC-DC变换器系统的精度和效率，另一方面，可以实现系统对于负载突变、输入波动、电磁干扰的有效抑制，提升系统的抗干扰性能。目前成果已有多篇SCI高水平论文发表，申请授权多项发明专利，技术成熟，解决方案尤其适合多元干扰严重、模型偏差和精度要求高的应用场合。

1. 项目概述TDS-303静态应变测量数据采集仪、DRA-107A数字动态应变仪均由日本欧美大地仪器公司制造，其测量范围为 ±640000µε，测量精度为±0.05%。可用于压力容器、压力管道及结构的静态、动态应变测量。操作简便，测量精度高，用途广泛。SDAES 30通道数字化声发射检测系统采集声发射数字及波形信号，应用人工神经网络对所采信号进行模式识别，对应不同的模式分别输出相应的指示，并输出TTL信号以驱动控制操作。压力容器压力管道静态应变测试及实验应力分析。压力容器压力管道动态应变测试及实验应力分析。压力容器压力管道缺陷动态声发射检测及寿命预测。2. 技术水平：分析手段齐全，仪器设备国内领先。

XZF16-3D型远程多路信号综合分析仪是采用虚拟仪器技术和网络测试技术技术的智能仪器，是基于Internet网或域网（LAN）测试的远程实时在线测试仪。它具有实时性好、可靠性强、功能丰富等优点，适用于电路、电子（模拟和数字）、电气工程、信号分析等各烊实验和其它电气量测试，能取代传统的仪器、仪表、数据记录仪等。 XZF16-3D型远程多路信号综合分析仪具有以下几个基本模块 1）远程监控：可实时监控各远程实验点的实验情况，实时地获得实验数据，在线状态检测，人机对话，实验记录等；有多种监控方式，工作方便灵活简便。 2）16通道示波器l 可对16通道被测信号（8通道电压，8通道电流）进行同步采集和显示；l 可进行波形的放大或缩小；l 直接从仪表上讯取电压或电流信号的均方根值、平均值、最大值、最小值；l 测量交流电压、电流的频率等。3）任意波形发生器l 可产生2路幅值、频率和相位可标准正统波、三角波、锯齿波、矩形波（占空比可调），并可在这些波形上叠加噪声；最大速率50000S/s。l 可产生半波整流、全波整流、电压跌落、噪声和任意波形等信号；l 可直接合成数字波形（DDS）。l 可远程控信号发生器。4）数字1/0和脉冲信号的测量l    可实现24位数字信号的输入和输出，输出均带有过载保护和自恢复功能；l    可实现脉冲序列的产生（频率、占空比可选择）、单脉冲的产生，最大输出频为200MHZ；l    脉冲周期（频率）、脉冲宽度、触发脉冲宽度的测量；l    脉冲个数的测量，晨、量大车入频率为100MHZ；5）录波器（波形记录仪）l    可实现16路被测信号波形的存储，存度不小于1G个采样点；l    可实现波形再现（重放）、波形分析、波形合成、波形统计。6）信号分析：l 频谱分析（FFT）：幅频特性和相频行性；l FIR有限冲击响应滤波器、IIR无限冲击响应滤波器；l 信号相关、信号卷积、信号的积分和微分等信号分析功能。 7）功率分析：可实现信号功率谱的计算和显示，可测量单相和三相信号的有功功率、无功功率、视在功率、功率因素、电压与电流的相位差等。 8）动态分析（矢量分析）：可动态在显示各信号的矢量关系，对矢量图可进行放大和缩小，可进行波形的相加、相减、相乘的动态合成。 9）李沙育图形：可对任意两个信号进行图形分析。本综合分析仪的图形界面采用三维图形，与用户熟悉的仪器面板接近，美观实用，操作简便，实时波形显示直观，各功能模块切换方便。实验中所需的仪器、仪表都集成在一个系统中，而且扩充了传统仪器所不具备的各种测试功能（如矢量图等）所以，对实际电子电路的测试和分析用本综合分析仪比用传统仪器要快速、准确、方便、灵活；实验接线少；仪器上的软件包开发的和软旋钮不存在损坏的问题；生成和打印实验报告方便等。