学科前沿学习报告
土木工程学院 工程力学101班 xx 学号:2010110121xx
力学是人类认识自然的重要手段，当人类还不会说话的时候就已经在应用力学了。这个世界小到分子大到宇宙都充斥着各种各样的力，当今社会的尖端科技更是离不开力学。
我们从海洋流发电VIV驱动的水动力学问题说起。 在传统能源供应日趋紧张，地球环境日益恶化的今天，开发清洁无污染的可再生能源是大势所趋。海洋能是众多可再生能源中的一种，其能量蕴藏丰富，形式多种多样，如潮汐能、波浪能、海流能、温差能等。海洋波浪能是现今世界各国海洋能开发研究的热点与重点，英国、挪威、日本、美国等都在进行波浪能发电装置的试验与示范工作。
涡激振动(vortex-induced vibration,简称VIV)是工程中常见的重要现象。在来流作用下,结构的尾迹中旋涡以一定频率交替脱落,产生周期振荡的升力,导致结构以一定的频率和振幅振动。在一定流速下,旋涡脱落频率接近结构固有频率时,结构会发生共振造成破坏。涡激共振的预报和抑制对工程结构稳定和安全有重要意义。VIV中结构与尾迹相互作用,是个非常复杂的问题。流动具有很强的非线性特征结构的运动使尾迹流动性态与非振动结构的尾迹大不相同。这种流场变化和流固耦合作用的复杂性及规律,目前主要依靠实验研究获得,而通过DNS方法精细刻画这些过程则因为受计算量等的限制遇到很多困难,现有的大部分研究成果局限于中低Re数情况,很难满足实际工程需求。
计算力学的发展与展望。 计算力学是计算机科学、计算数学与力学学科相结合的产物。随着计算机软硬件技术的快速发展,计算力学也得到了迅速发展,成为力学工作者和工程技术人员解决自然科学和工程实践中力学问题的重要手段。数值计算方法最早成员应为有限差分法有限差分法从数学的角度用差分代替微分,将力学中的微分方程转化为代数方程,从而大大拓宽了力学学科的应用范围;有限元法的问世促进了计算力学的发展。有限元法建立了计算模型、离散方法、数值求解和计算机程序实现的统一方法,通过变分原理将原问题的泛函转化成代数方程进行求解;20世纪70年代初出现了边界元法,对于分析某些工程实际问题,边界元法具有其突出的优点。上述三种方法被称为计算力学的三大支柱。除此之外,计算力学还包含了其它一些重要分支,如加权残数法、有限元线法,半解析半数值法等。目前,计算力学的主要研究方向集中在如何建立高效的、有足够精度的计算手段上,特别是解决如何建立这些计算手段的共性问题。在计算力学的发展过程中,从结构的离散化方法、单元列式、控制方程求解、计算结果自动处理到收敛理论都可以建立成为不依赖于结构类型和几何形状的统一方式。计算模型的建立、计算方法的构造和计算软件的开发是计算力学研究中的共性问题。
计算力学的发展方向。计算机科学、计算数学和力学学科的发展推动了计算力学的发展,在新的世纪,计算力学将会在如下领域得到更大的发展。1宏细微观材料本构模型；2复杂运动系统的自动控制；3计算力学软件系统的研究；4复杂系统的计算机仿真。
高性能计算与高性能计算机。
高性能计算概述，高性能计算(HPC) 指通常使用很多处理器（作为单个机器的一部分）或者某一集群中组织的几台计算机（作为单个计 算资源操作）的计算系统和环境。有许多类型的HPC 系统，其范围从标准计算机的大型集群，到高度专用的硬件。大多数基于集群的HPC系统使用高性能网络互连，比如那些来自 InfiniBand 或 Myrinet 的网络互连。基本的网络拓扑和组织可以使用一个简单的总线拓扑，在性能很高的环境中，网状网络系统在主机之间提供较短的潜伏期，所以可改善总体网络性能和传输速率。
高性能计算机指能够执行一般个人电脑无法处理的大资料量与高速运算的电脑，其基本组成组件与个人电脑的概念无太大差异，但规格与性能则强大许多，是一种超大型电子计算机。具有很强的计算和处理数据的能力，主要特点表现为高速度和大容量，配有多种外部和外围设备及丰富的、高功能的软件系统。现有的超级计算机运算速度大都可以达到每秒一兆（万亿，非百万）次以上。高性能计算机是计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大的一类计算机，多用于国家高科技领域和尖端技术研究，是一个国家科研实力的体现，它对国家安全，经济和社会发展具有举足轻重的意义。是国家科技发展水平和综合国力的重要标志。
颗粒增强复合材料损伤演化VCFEM模拟方法。
随着科学和技术的发展,复合材料因其良好的力学特性,在航空、汽车、军事、核能和电子等一些重要的工业领域得到了越来越广泛的应用。在颗粒增强复合材料中,异相材料的加入可以改善材料性能,但同时又导致了材料断裂特性和疲劳特性的下降。这正反两方面作用的产生均依赖于夹杂、空洞以及裂纹等微结构的大小、形状、材料特性以及它们的空间分布。如何能正确分析和模拟受微结构影响的复合材料力学性能,一直是力学和材料学科领域的前沿课题之一,对现代工业的发展具有重要的意义。
基于浸入边界法的流固耦合理论及其工程应用。
对于复杂流场、流固耦合和运动边界问题，浸入边界法因其具有良好的发展前景，成为新的研究热点.浸入边界法(Immersed Boundary Method)，既是一种数学建模方法，又是一种数值离散方法。在数学方法上，它是采用欧拉变量去描述流体的动态，利用拉格朗日变量描述结构的运动边界，用光滑Delta近似函数通过分布节点力和插值速度来表示流场和结构物的交互作用。它整个流场计算都使用笛卡尔网格，而不是按照物体形状生成复杂的贴体网格，无需处理从物理平面到计算平面的坐标和网格转换问题，因而可以大大提高计算效率而且节省了网格生成所需的时间。尤其对于动态边界问题，它无需在每一时间步长上实时更新网格，详见图1。浸入边界法在模拟血液流动、湍流的直接数值模拟、多相流动等方面取得成功，模拟结果和实验数据非常吻合，是目前计算流体力学领域研究的热点。尽管拥有巨大的发展前景，但目前浸入边界法的应用尚未完全成熟。未来的研究重点将会集中在以下两个方面：
第一，进一步研究浸入边界法的理论机理。寻找最佳的时间离散法，解决时间步长的限制，提高浸入边界法的计算精度，发展能解决高雷诺数和三维复杂流体问题的浸入边界法，浸入边界法与并行计算技术的结合,论证浸入边界法的收敛性和稳定性和判断算法的误差等仍是未来理论研究的主要方向。
第二，解决浸入边界法在实际工程应用的问题。目前，浸入边界法能解决的科研问题和工程问题还是相当少的。将浸入边界法直接模拟各种实际流动,解决工业生产和工程项目提出的各种问题，是未来研究的热门课题。
浸入边界法的研究方兴未艾， 随着人们对浸入边界法重视和了解的加深，其在非定常计算中不需产生贴体网格的巨大优势正在被发挥，在科研和工程应用具有广阔的应用前景。
复杂岩体精细数值模拟理论及工程应用。 岩体由结构面和结构体组成，其结构特性是岩体力学行为、变形和破坏形式的主要控制因素。现今可用于对岩体工程结构进行力学分析的数值方法多种多样，每一种方法有其针对性和特点，对一个具体的问题用数值模拟方法进行分析时，应选择一种最适合该问题的方法进行研究。自20世纪70年代以来，数值模拟方法作为一种科学有效而又快速简便的分析方法，被逐步引人到交通、水工、采矿、建筑等地下工程的力学分析、稳定性评价、方案比较等工作中。
现代材料实验及其发展。
人类社会发展和进步的历史就是一部发明材料、制造材料和使用材料的历史,正是形形色色的材料构成了丰富多彩的世间万物,材料是人类用以制成用于生活和生产的物品、器件、构件、机器及其它产品的物质，是人类赖以生存和发展的物质基础。随着现代科学技术的飞速发展,新材料的不断涌现,把各类材料分别作为独立学科或从属于某一学科进行研究的方法已不能满足当今高科技发展的需求,必须综合考虑材料的合成制备和加工技术,并且结合组织结构和性质的现代分析测试技术和方法,才能满足新材料的研制和应用的需要。现代科学技术的发展,促使新材料的研究日益向微观层次深入,材料的结构从宏观到微观、介观,按研究的层次,包含了宏观组织结构、显微组织结构、原子或分子排列结构、原子中的电子结构等。
现代材料实验的主要技术，根据各种功能的设备一般可分为下列三个独立的子系统。1，机械——动力加载系统；2，传感器系统；3控制采集分析系统。随着计算机的广泛应用，利用计算机建立的材料性能数据库可以直接给出各种材料的有关性能，利用计算力学的有限单元分析整体的应力，应变场。结合材料试验，它们将携手一起向前发展。
通过对学科前沿课程的学习，使我深刻地认识到，力学在整个人类社会的发展中充当着十分重要的角色。人类的明天将在力学的土壤上开出美丽的花朵！
