系统动力学的理论基础范文

导语：如何才能写好一篇系统动力学的理论基础，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：并联机构 凯恩方法 动力学分析

中图分类号：TH112 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）04（b）-0214-01

多体系统动力学是研究由若干个刚性或者柔性物体相互连接所组成的系统的运动规律的一门新兴学科，它包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学。机械多体系统是对航空航天、数控机床、大型船舶等重型机械领域机电系统的高度浓缩。对多体系统进行动力学分析，是实现虚拟样机和虚拟现实的前提条件之一[1]。它在力学的基础上，经过半个世纪的发展，形成不同的研究方向和研究领域，并孕育而生了多款商业化软件。

它们的研究方法主要以矢量力学方法和分析力学方法为主。经过多年的发展，又形成了以凯恩力学为基础的兼顾矢量力学和分析力学优点的建模方法。

并联机构动力学建模方法已趋于成熟，但大部分动力学模型是建立在关节空间中的。在关节空间中进行仿真将增加计算量，提高了运算强度，可能导致计算精度的丧失甚至丢失。此外，在关节空间中，我们常使用的PD控制会引出并联机构运动学正解的问题[2]。并联机构的运动学正解方程复杂、极难求解。更重要的是，并联机构的运动学正解具有多组解。通过调整关节空间，未必可以使操作手臂得到我们需要的位姿。另外需要注意的是机构的可控性，当位移矩阵是病态矩阵时，机构的可控性更加容易受到影响。

该文在凯恩方法的基础上，建立了3-PUU并联机构动力学模型，方程简洁、变量少，易于计算。为并联机构的结构优化奠定了基础。

1 凯恩方程

凯恩方法的理论基础是多自由度系统动力学方程，系统的运动可以用广义速率代替广义坐标来描述。关注点在于运动，而不在是位姿，其优点在于不使用动力学函数求导，求解过程可以大大简化。应用达朗伯原理建立动力学方程，它融合了矢量力学和分析力学的优点，适用于完整系统和非完整系统[3]。利用凯恩方法求解多自由度复杂的多体系统，可以明显减少计算步骤，使求解过程变得容易简单。

结语

在对3-PUU并联机构进行动力学分析，采用凯恩方法建模时，参数少，约束少，方程少，无需求导数，计算效率较其他方法有显著的提高。

另外，各种驱动链的计算也完全是独立的，采用并行计算也可以提高动力学模型的计算速度。

参考文献

[1] V.E.Gough，S.Whitehall.Universal Tyre Test Machine.Proceedings of the 9th International Teeh.Congerss，F.I.S.1.T.A.，2011，Vol.177：112-113.

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系里设立了应用化工专业和化工分析与检验专业（高职专科），专门培养高素质、高技能的化工操作人才，其中，应用化工专业是培养化工总控工的，就业岗位包括化工工艺操作、化工工程操作，化工设备操作、维护，化工仪表控制，化工DCS操作，化工安全管理，化工产品的包装与销售等。

专业的课程设置

由完成工作所需要的能力，确定以下学习领域：1、物理化学的知识体系一般公认的物理化学的研究内容大致可以概括为三个方面:化学体系的宏观平衡性质以热力学的三个基本定律为理论基础，研究宏观化学体系在气态、液态、固态、溶解态以及高分散状态的平衡物理化学性质及其规律性。在这一情况下，时间不是一个变量。属于这方面的内容有化学热力学,溶液、胶体和表面化学。化学体系的微观结构和性质以量子理论为理论基础，研究原子和分子的结构，物体的体相中原子和分子的空间结构、表面相的结构，以及结构与物性的规律性。属于这方面的内容有结构化学和量子化学。化学体系的动态性质研究由于化学或物理因素的扰动而引起体系中发生的化学变化过程的速率和变化机理。在这一情况下，时间是重要的变量。属于这方面的内容有化学动力学、催化、光化学和电化学。物理化学的主要理论支柱是热力学、统计力学和量子力学三大部分。热力学和量子力学分别适用于宏观和微观系统，统计力学则为二者的桥梁。原则上用统计力学方法能通过个另分子、原子的微观数据来推断或计算物质的宏观现象。物理化学由化学热力学、化学动力学和结构化学三大部分组成。2、应用化工专业所需内容的选择对照操作岗位的知识和能力需要，本着实用、够用，适当拓展的原则，选取化学热力学、化学动力学两大部分，主要内容有物质PVT性质、热力学第一定律、热力学第二定律、热力学在多组分体系和相平衡体系中的应用、化学平衡、化学动力学基础、胶体、粗分散系和表面化学。根据课程内容及深度，决定选用高职高专化学教材编写组编写的《物理化学》（第三版，化学工业出版社）为基本教材，以傅献彩主编《物理化学》（第五版，高等教育出版社）为主要参考资料。3、物理化学课程定位学习物理化学需要大学物理、高等数学、基础化学的基础知识，同时，物理化学又为学习化工设备基础、化工热力学、化学反应工程、煤化工工艺学等课程打下基础。因此，《物理化学》课程是应用化工专业的重要专业课，是其他主要专业课的基础。

基于工作过程的教学方法

确定了内容，就需要对知识按照工艺岗位的实际情况，进行解构和重构，即以工作过程为载体，以工作任务为情境，构建认知系统。通过综合分析周边化工企业生产工艺，归纳典型岗位，决定选取新能凤凰甲醇的生产工艺为载体，对物理化学内容进行重构。新能凤凰甲醇的生产采用的是德士古技术工艺，主要工段有空气分离制取液氧，制取水煤浆，水煤浆燃烧气化，甲醇合成与精制，各工段对应的知识如下表：（表略）通过完成任务，提高了学生掌握知识的目的性；在学生自主决策与计划中，激发其主观能动性，掌握解决问题的方法与步骤；通过任务实施，培养其动手实践能力；通过教师的检查与评价，让学生体验成功的愉悦，激发其学习的兴趣，提高学习效率和效果。

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关键词：机械动力学；ADAMS；交互式动态教学；案例教学

作者简介：郭良斌（1973-），男，湖北武汉人，武汉科技大学机械自动化学院，副教授；丘常伟（1990-），男，湖北罗田人，武汉科技大学机械自动化学院本科生。（湖北武汉430081）

中图分类号：G642     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2012）11-0042-02

随着现代机械向高速、精密、轻型、重载和低噪声等方向发展，在机械设计人员中加强机械动力学理论的学习和实际应用，将有助于提高机械产品的动态性能和工作品质。[1]21世纪以来，随着经济全球化的发展，机械产品的市场竞争日趋激烈，客户对产品多样化和个性化的要求愈加迫切。采用以计算多体系统动力学理论为核心的虚拟样机仿真软件（如ADAMS）进行虚拟设计和任意次数的仿真测试，部分取代传统设计，有利于降低生产成本、提高设计质量、缩短研发周期，快速响应市场，有助于节约型社会的建设。[2]

虚拟样机技术不仅是计算机技术在工程领域的成功应用，更是一种全新的产品设计理念。一方面，传统的仿真一般是针对单个子系统的仿真，而虚拟样机技术则是强调整体的优化，它通过虚拟样机与虚拟环境的耦合，对产品多种设计方案进行测试、评估，并不断改进设计方案，直到获得最优的整机性能；另一方面，传统的产品设计方法是一个串行过程，忽略了各子系统之间的动态交互与协同求解，因此设计的不足往往到产品开发的后期才被发现，造成严重浪费；而运用虚拟样机技术可以快速地建立包括机械结构系统、驱动系统、过程控制系统等在内的虚拟样机，实现产品的并行设计，可在产品设计初期及时发现问题、解决问题，把虚拟样机系统的测试分析作为整个产品设计过程的驱动。[3]

为使学生了解和掌握一些基于虚拟样机技术的产品设计新理念和新工具，武汉科技大学（以下简称“我校”）从2007年开始，在机械工程及自动化专业的全体本科生中开设了“机械系统动力学及仿真”选修课程。经过5年的教学实践，该课程的教学目的、内容、方式基本明确下来，本文即是对5年教学探索的简要总结。

一、教学目的和开设时机

通过本课程的学习，学生能够对机械系统动力学建模与分析具有明确的基本概念，具有必要的专业基础知识、一定的机械系统动力学建模能力和分析计算能力，同时掌握机械系统虚拟样机软件ADAMS/View的基本操作和使用。

教学实践表明，开设本课程需要学生必须具备高等数学、线性代数、机械制图、理论力学、材料力学、机械原理、计算机算法语言等相关课程基础，我校机械专业学生在本科一、二年级已完成上述课程的学习，因此在本科三年级引入该课程是合理的。至于在三年级上学期还是下学期开设，可按各自情况酌情处理，我校安排在三年级上学期开设该课程，目的是让参加全国机械创新设计大赛、全国三维数字化创新设计大赛等大学生科技竞赛的学生能够早一些使用虚拟样机技术进行作品设计，提高作品的质量，同时也可以为毕业设计早做准备。

二、课程教学内容的选择

对于本科生而言，纯粹的计算多体系统动力学理论涉及大量的公式推导，课程内容抽象、深奥晦涩，学生不易掌握，授课难度较大。[4，5]在当前大学生特别注重课程的实用性、特别希望能学以致用的背景下，欲提高教学质量，需要转变单纯传授知识的传统教育思想，树立融知识传授、能力培养与素质提高为一体的全面发展的教育观念，着重培养学生的自学能力和动手操作能力。[5]因此在教学内容的选择上，考虑将计算多体系统动力学的建模理论和虚拟样机软件ADAMS/View的操作使用同时纳入，目的是既让学生能较快地使用ADAMS/View进行一些基本的辅助设计，又能为其贮备一些进一步自学和提高ADAMS/View使用技能所需的理论基础。

在多体系统建模理论方面，主要讲授由Chance和Haug提出的笛卡儿绝对坐标方法，它是当今较为流行的建模方法，国际上最著名的两个动力学分析商用软件ADAMS和DADS都是采用这种建模方法。在系统类型方面，由于学时限制，主要讲授平面系统笛卡儿坐标运动学和动力学，其中尤以常见运动副约束建模和运动学方程组的自动组集为重点。机械系统各构件相对运动的形式是由相应运动副的约束性质确定的，这是机械系统区别于其他系统（如机械结构）的本质特征。

在虚拟样机软件ADAMS/View的操作使用方面，以样机约束建模、ADAMS/View函数与载荷施加、机构参数化建模与优化为重点。其中的难点内容是在冗余约束系统中如何用一定量的基本副替代低副来消除冗余约束。实际机械系统为增加系统刚性、减轻构件质量常常设计了冗余约束，选择哪几个低副，且用什么样的基本副替代，这依赖于用户对一个具体的复杂系统中构件之间的运动关系和每个基本副约束自由度的特性有正确的理解，否则很难正确地消除过约束。这是决定学生能否正确使用ADAMS/View软件建模的关键问题之一，教师在教学实际中予以着重讲述。教学内容除强调必须和够用外，同时还应考虑一定的弹性，笔者在软件操作的课堂教学中布置了较多的自学内容，使学生能在后续的科技竞赛或毕业设计中进行自学，并在实践中进一步提高软件操作技能。

三、教学方式灵活化

在信息技术高度发展的今天，网络应用汇集了大量的资源，广泛且可迅速获取信息，突破了书本的局限、大大扩展了学生的视野、丰富了学生的学习内容，为学生的自主式学习创造了有力条件，教师不再被视为知识的唯一拥有者和化身。[6，7]因此教师要由传授知识转向引导和激励学生探寻、发现和创造性应用知识，充分培养学生个体的独立学习和研究能力。在相应教学方式上，教师应该由传统的“灌输式”、“填鸭式”教学方法，转变为启发式、交互式动态教学方法。[8，9]在教学手段上，针对不同的教学内容应灵活应用课堂教学、案例教学、课后作业、上机实验验证等方式。在多体系统建模理论教学中，由于数学公式多，理论性强，考虑采用渐进式和突出重点的方法进行课堂讲授，必要的公式推导以板书为主，多媒体课件为辅，增加和学生的课堂交流，努力提高教学的趣味性。另外对于关键的知识点布置课后作业，以加深学生的理解和掌握。

在ADAMS/View软件操作教学中，则采用基于交互式动态教学方法的案例教学来进行，每一次课都从一个实例开始，把ADAMS/View软件的基本功能融入到虚拟样机的建模及仿真计算过程中讲授，不仅提高了学生的学习兴趣和热情，还积极引导了学生学以致用。鼓励学生把手提电脑带到课堂上来，教师用自己的手提电脑现场演示软件的操作过程，学生可以在各自的手提电脑上同步操作，操作使用中的各种问题课上课下可及时提出和迅速解答。这种交互式的动态教学方法，充分调动学生学习的积极性、主动性，优化了课堂教学过程，提高了学习效率。软件操作部分除课堂教学外还精心设计了与重点难点内容紧密结合的上机实验，以期通过独立的软件操作加深学生对关键内容的理解和掌握，并通过教师在学院CAD室进行现场上机答疑予以监督和保障。

教学考核不再以试卷考试作为唯一方式，考核形式多样化。单纯的试卷考试较片面，不能真实检验学生对课程内容的掌握深度和应用能力；实践中采用课后作业、课程考试、上机测试和提问测试相结合的方式，综合考察学生对课程内容的掌握水平。

四、结束语

“机械系统动力学及仿真”教学实践是一个不断突出“实践性”的过程。人类的创造性活动离不开实践，只有当人们在实践中提出问题、解决问题，才会产生新的认识和升华，创造力随之提升，这种从知识到能力的飞跃蕴藏在“实践”教学手段中。由于各种条件的限制，机械专业学生的“动手环节”常常受到制约。虚拟样机技术只需要借助计算机就可完成“动手环节”，并且学生在软件应用中可以反复尝试、反复修改、大胆创新，给学生插上了“多动手”、“巧动手”的翅膀，受到了学生的欢迎。[10]本课程为我校机械学院部分学生在全国机械创新设计大赛、全国三维数字化创新设计大赛等赛事中取得好成绩，提供了有力的支持。

随着科学技术的快速发展，传统的单学科工程分析方法在准确模拟产品的真实性能方面的局限性越来越突出，多学科耦合和集成的工程分析方法可以有效解决这种局限性带来的问题，正在成为CAE行业发展的必然趋势。MSC.Software公司在ADAMS 2007之后推出了MD ADAMS（MD，Multi-Discipline多学科），它是适应多学科仿真市场需求应运而生的新一代虚拟样机技术，对本课程授课教师自身的理论基础、相关软件的操作技能和应用水平提出了更高的要求。另外，如何用简洁、生动的语言，把数量多而冗长的多体动力学模型数学公式用学生易于理解的方式讲解出来，仍然是本课程授课教师需要深入思考和不断提高教学水平的努力方向。

参考文献：

[1]邹惠君,李瑞琴,郭为忠,等.机构学10年来主要研究成果和发展展望[J].机械工程学报,2003,(12):22-30.

[2]席俊杰.虚拟样机技术的发展及应用[J].制造业自动化,2006,(11):19-22.

[3]杨莺,王刚.虚拟样机技术应引入高校工科类课程教学[J].宁波职业技术学院学报,2004,8(5):78-79.

[4]余联庆,梅顺齐,杜利珍,等.ADAMS在机械系统仿真技术教学中的应用[J].武汉科技学院学报,2008,(3):5-8.

[5]陈兵,王文瑞,郜志英.机械动力学课程教学改革[J].中国冶金教育,

2011,(4):16-18.

[6]王少林.现代教学方法设计探讨[J].吉林工程技术师范学院学报,

2010,(8):44-45.

[7]于涛.工科数学教材创新模式的构建[J].黑龙江高教研究,2008,(8):

158-159.

[8]郭卫东,刘荣,李继婷,等.机械原理课程教学方法和手段的改革与实践[J].太原理工大学学报(社会科学版),2008,(S1):57-60.

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面对当今力学基础和数学基础都较薄弱的土木专业工程硕士研究生，这两门课程的建设与改革也应顺应时展的要求，以增强学生的工程应用能力为主线，合理采用现代化教学手段，优化教学内容，改进教学方法。例如，可以结合实际的工程项目，加强案例教学，激发学习兴趣，创造学有所用的良好氛围；除了安排必要的课程教学外，应留有对课程相关的内容及实际工程问题进行学习和讨论的余地，培养学生将所学理论知识用以解决工程实际问题的能力，从而激发学生的创新能力和创造能力。为强化对土木专业工程硕士研究生工程素质的培养，初步设想力学基础课程群由以下三个知识模块组成：

1.结构动力学模块：研究结构体系在各种动荷载作用下的力学行为。通过该模块知识的学习，使学生明确动荷载作用和静荷载作用的本质区别，牢固掌握结构振动的普遍规律和结构动力分析的基本研究及计算方法，为改善工程结构系统在动力环境中的安全性和可靠性提供坚实的理论基础，从而有助于在今后的工程设计和工程建设中减少振动危害，让振动为人类服务。

2.弹塑性力学模块：研究可变形固体受到外载荷、温度变化及边界约束变动等作用时，弹塑性变形和应力状态。通过学习，使学生牢固掌握固体变形的规律，掌握非线性变形与塑性变形的概念和分析方法，深入了解结构的承载力问题，会用弹塑性理论对工程结构的应力与变形进行准确地描述和计算，以解决工程中的实际问题。

3.有限元分析技术模块：有限元法是解决工程实际问题的一种有力的数值计算工具，在土木工程分析与设计中有非常广泛的应用。该知识模块要求学生掌握有限元方法的基础理论，了解有限元法的特点及有限元法的基本步骤，掌握梁、板、壳、三维实体和一些特殊单元的线性和非线性特性，会根据研究目的及研究对象的不同，选择合适的单元建立有限元模型。目前，各种专用的和通用的有限元软件已经使有限元方法转化为社会生产力。土木专业的工程硕士研究生在学习了结构动力学、弹塑性力学的基本理论知识和有限元分析的基本方法以后，应能采用大型有限元软件（如ANSYS、ABAQUAS等）计算分析实际的工程问题。

二、课程群教学研究

由于结构动力学、弹塑性性力学、有限元分析等课程内容的学习，涉及到材料力学、结构力学、高等数学、线性代数等许多先修课程中的重点和难点，综合性很强，要求学生有较扎实的力学和数学基础知识，而目前的土木专业工程硕士研究生此方面都较欠缺。因此，该课程群的教学要求应以面向实际应用制定教学计划，从原先以力学基础理论为主逐渐转变为以理论和实践并重的培养模式，强调以理论指导实践、在实践中检验理论并强化其应用和创新的螺旋式上升的学习过程。在教学安排上，应针对各校土木专业工程硕士研究生的实际状况，充分注意和本科阶段力学知识、数学知识相衔接，及时复习课程中涉及到的达朗伯原理、矩阵运算、Fourier变换、常微分方程的求解、偏微分方程等相关知识，并对传统的经典内容加以精选，根据重点引导学生关注工程问题、注重培养学生的力学概念和理论实践能力，对繁琐的公式推导和手算能力不做过高的要求，转而强调培养学生运用现代通用有限元软件进行建模、分析计算并能对求解结果进行对错定性判断的能力，在实践中较全面、系统、深入地掌握土木工程专业的基本力学理论和分析计算方法。在教学方法上可以将老师讲解和同学讨论相结合，采用启发式、讨论式、演示式等多种教学方式，营造师生互动的课堂氛围，激发学生从多角度去讨论问题，重点培养学生发现问题、提出问题、分析问题和解决问题的能力。为了提高学习兴趣、培养科研能力，可以将学生分成3～4人一组，每组设计不同的实际工程题目，让学生自行查阅文献、分工协作、集中讨论，在教师指导下有理有据地完成项目，同时撰写科研报告，并通过分组答辩评定成绩。

三、课程群建设的预期效果

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一、 职教《物理》力学和《建筑力学》的联系。

对一般专业如市政、建筑、材料等，静力学理论、质点运动学理论、刚体运动学理论等在建筑力学中都是经常要用的。建筑力学本身所包含的内容很多，不同专业的建筑力学对物理学理论的需求是不同的。

物理作为基础理论课程，虽然承担着为后续专业学习提供理论基础和分析解决问题方法的任务，但职教物理教材的编写绝不可能仅仅为某一门后续课程服务，因而某些内容的介绍不可能像专业或专业理论课程那样具体详细。物理教材的编写为了保持其内容系统性和连续性，往往会将在建筑力学中要用到的知识和内容分散在不同的部分和不同的章节中。但由于课时少或其它原因，现行的职教物理教学仍以经典物理学为主，近代物理学部分内容一般都简略或不讲，而这些内容恰恰对学生今后建筑力学的学习是非常有益的。笔者认为，在教学过程中，物理教师要能够因地制宜地对现代物理学内容作适当的补充，为学生学习建筑力学奠定基础。

现代科学的另一个重要趋势是综合，特别是要增进对复杂系统的认识。物理作为一门基础科学，也是学生涉及最早与工程实践最有联系的一门学科，为学生后续的学习提供了许多理论基础和方法。对此，物理提供的方法是极其有用的工具。物理学研究方法既不是笼统的对经验的统计，也不是深究细微的描述分类或一丝不苟的逻辑，它强调的是事物发展的主要矛盾，阐明基本原理，得出物体运动的一般规律。实际工程的情况往往相当复杂，对这样的复杂系统进行力学分析是不容易的。因此，从物理力学到建筑力学的过渡是一个必要的渐进过程。加强物理力学和建筑力学教学的衔接是十分必要的。

二、物理力学和建筑力学教学衔接

1、教学内容的衔接

教学改革是这几年来职教教学的热门话题，如何加强基础课程与专业课以及专业基础课程之间的教学联系，是近年来研究较多的内容之一。职教物理力学和建筑力学有着非常紧密的联系，如何加强其教学法衔接，是值得探讨研究的重要问题。

建筑力学课程就其内容来说，由理论力学和材料力学两部分组成，随着职教教学不断改革，建筑力学的课时数已经锐减。因此，在实际教学中理论力学内容涉及少一些，一般只能讲静力学部分，而在材料力学学习中还要用到运动学和动力学等相关的知识。职教物理力学同样包含了静力学、运动学和动力学等部分，因而笔者认为，在物理教材编写上，要力求做到与建筑力学的有机衔接，真正为专业课程的学习起到一个好的基础作用。同时在职教物理教学中，物理教师不应该仍然死守着过去那种保证本课程教学完整性的传统思想，相反要能够针对不同的专业要求对教学内容进行重组、调整，引入相互交叉的、必备的相关知识，并贯彻少而精的教学原则，使教学内容多与学时少的矛盾加以解决，以适应不断改革的教学要求。

此外，物理力学概念、定理、定律和公式在建筑力学中也得到广泛使用，例如：力和力矩平衡原理，作用力和反作用力原理，力的分解和合成原理，功的原理，牛顿定律，转动定律等等。但现有的职教物理和建筑力学教材对同一概念及定理定律的表述往往不一致，二者之间的脱节很容易造成学生的误解。由于教基础课程的教师不懂专业课，而专业课程的老师也不去研究基础课程，因而缺少教学沟通，造成教学脱节。如何在教材编写和教学过程中加强它们之间的联系，对我们教师提出了较高的要求。

2、研究和解决问题方法的教学衔接

物理力学和建筑力学研究的侧重点不同，物理侧重于对事物运动普遍存在的基本规律的研究，建筑力学更侧重于对工程实践中存在的力学规律的研究，因而其研究方法也有所不同，但它们有着许多共性和相似之处。因此在基础课的教学中不能仅仅局限于本课程的要求，应尽可能做到为专业课程服务。

物理力学在分析和解决问题的方法上也应尽可能做到与建筑力学一致。例如：对任意力系向一点简化，在建筑力学中总是简化为一个力(主矢)和一个力偶(主矩)，在此基础上，还可以进一步简化，得到简化的最后结果或者说简化到最简单的力系，而物理力学中一般只考虑主矢，不考虑主矩，往往易使学生产生误会。

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关键词：课程群；力学；知识模块；教学方法

中图分类号：G643 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）14-0214-02

近年来，随着我国高等教育规模的不断扩大，研究生的整体理论水平出现了明显的下滑现象，尤其是土木专业工程硕士研究生普遍的力学基础和数学基础都较薄弱，这给结构动力学与弹塑性力学等力学类基础课程的教学带来了很大的困难。而结构动力学与弹塑性力学都是土木工程专业硕士研究生的主要技术基础课程，理论性很强，在学生的知识结构中起着重要的承上启下作用。因此，如何提高力学类课程的教学质量，促进土木专业硕士研究生工程能力和素质的提高，是值得认真探索和研究的问题。

一、课程群建设的目标

由于课程群承载着技能培养目标、协调着课程之间的关系，使培养目标更明确化[1]。因此，为促进教学资源优化配置，提高土木专业工程硕士研究生的培养质量，强化教学效果，把课程体系中内在联系紧密的结构动力学和弹塑性力学等课程建设成力学基础课程群，以面向土木工程实际应用为目标，强化对学生工程素质和工程理念的教育。通过此课程群的学习，使土木工程的专业硕士研究生能够站在一定的理论高度，较全面扎实地掌握工程结构静、动力分析的典型方法及其原理，会应用所学力学知识解决实际的工程问题。

二、课程群主要建设思路及知识模块

结构动力学和弹塑性力学都是技术性很强的专业基础课程，涉及数学建模、演绎、计算方法和数值模拟等多个研究领域，它们的共同特点是公式多而冗长、计算难而复杂、求解繁琐而难以掌握、涉及面广而不易理解[2]。面对当今力学基础和数学基础都较薄弱的土木专业工程硕士研究生，这两门课程的建设与改革也应顺应时展的要求，以增强学生的工程应用能力为主线，合理采用现代化教学手段，优化教学内容，改进教学方法。例如，可以结合实际的工程项目，加强案例教学，激发学习兴趣，创造学有所用的良好氛围；除了安排必要的课程教学外，应留有对课程相关的内容及实际工程问题进行学习和讨论的余地，培养学生将所学理论知识用以解决工程实际问题的能力，从而激发学生的创新能力和创造能力。为强化对土木专业工程硕士研究生工程素质的培养，初步设想力学基础课程群由以下三个知识模块组成：

1.结构动力学模块：研究结构体系在各种动荷载作用下的力学行为。通过该模块知识的学习，使学生明确动荷载作用和静荷载作用的本质区别，牢固掌握结构振动的普遍规律和结构动力分析的基本研究及计算方法，为改善工程结构系统在动力环境中的安全性和可靠性提供坚实的理论基础，从而有助于在今后的工程设计和工程建设中减少振动危害，让振动为人类服务。

2.弹塑性力学模块：研究可变形固体受到外载荷、温度变化及边界约束变动等作用时，弹塑性变形和应力状态。通过学习，使学生牢固掌握固体变形的规律，掌握非线性变形与塑性变形的概念和分析方法，深入了解结构的承载力问题，会用弹塑性理论对工程结构的应力与变形进行准确地描述和计算，以解决工程中的实际问题。

3.有限元分析技术模块：有限元法是解决工程实际问题的一种有力的数值计算工具，在土木工程分析与设计中有非常广泛的应用。该知识模块要求学生掌握有限元方法的基础理论，了解有限元法的特点及有限元法的基本步骤，掌握梁、板、壳、三维实体和一些特殊单元的线性和非线性特性，会根据研究目的及研究对象的不同，选择合适的单元建立有限元模型。目前，各种专用的和通用的有限元软件已经使有限元方法转化为社会生产力。土木专业的工程硕士研究生在学习了结构动力学、弹塑性力学的基本理论知识和有限元分析的基本方法以后，应能采用大型有限元软件（如ANSYS、ABAQUAS等）计算分析实际的工程问题。

三、课程群教学研究

由于结构动力学、弹塑性性力学、有限元分析等课程内容的学习，涉及到材料力学、结构力学、高等数学、线性代数等许多先修课程中的重点和难点，综合性很强，要求学生有较扎实的力学和数学基础知识，而目前的土木专业工程硕士研究生此方面都较欠缺。因此，该课程群的教学要求应以面向实际应用制定教学计划，从原先以力学基础理论为主逐渐转变为以理论和实践并重的培养模式，强调以理论指导实践、在实践中检验理论并强化其应用和创新的螺旋式上升的学习过程。在教学安排上，应针对各校土木专业工程硕士研究生的实际状况，充分注意和本科阶段力学知识、数学知识相衔接，及时复习课程中涉及到的达朗伯原理、矩阵运算、Fourier变换、常微分方程的求解、偏微分方程等相关知识，并对传统的经典内容加以精选，根据重点引导学生关注工程问题、注重培养学生的力学概念和理论实践能力，对繁琐的公式推导和手算能力不做过高的要求，转而强调培养学生运用现代通用有限元软件进行建模、分析计算并能对求解结果进行对错定性判断的能力，在实践中较全面、系统、深入地掌握土木工程专业的基本力学理论和分析计算方法。在教学方法上可以将老师讲解和同学讨论相结合，采用启发式、讨论式、演示式等多种教学方式，营造师生互动的课堂氛围，激发学生从多角度去讨论问题，重点培养学生发现问题、提出问题、分析问题和解决问题的能力。为了提高学习兴趣、培养科研能力，可以将学生分成3～4人一组，每组设计不同的实际工程题目，让学生自行查阅文献、分工协作、集中讨论，在教师指导下有理有据地完成项目，同时撰写科研报告，并通过分组答辩评定成绩。

四、课程群建设的预期效果

通过力学基础课程群的建设，以适应面向实际工程应用的培养目标为主导，进一步修订完善力学基础课程群的教学内容，改进教学方法，使土木工程专业的工程硕士研究生，既能站在一定的理论高度，较全面地掌握实际土木工程结构分析的基本原理及其典型方法，又会借助有限元分析技术解决实际的工程问题，并为以后的科学研究工作打下坚实的力学基础。

参考文献：

[1]蒋方纯，陆云帆.工学结合教学改革中课程群建设的需求与设计.深圳信息职业技术学院学报，2010，8（1）：15-18.

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【关键词】 中药;药代动力学;方法学

药物动力学是应用动力学的原理与数学处理方法,定量地描述药物通过各种给药途径进入机体后的吸收、分布、代谢和排泄等过程的动态变化规律,即研究给药后药物在体内的位置、数量、疗效与时间之间的关系。药物动力学又被称为“药物代谢动力学”、“药代动力学”等,其中“代谢”含义包括了药物在体内的吸收、分布、代谢和排泄。药物动力学是一门新兴的介于药学与数学之间的边缘学科,已成为生物药剂学、临床药剂学、药理学、临床药理学、分子药理学、生物化学、药剂学、毒理学等学科的基础推动着这些学科的蓬勃发展。近几十年药物动力学的研究成果对指导新药研究、制定临床最佳给药方案、评价制剂质量、改进药物剂型等方面发挥了重要作用。中药药代动力学,其研究对象是中药及其复方,是指在中医药理论指导下,利用动力学的原理与数学处理方法,定量地描述中药有效成分、有效部位、单味中药和中药复方通过各种给药途径进入机体后的吸收、分布、代谢和排泄等过程的动态变化规律。中药药物动力学对中药现代化和中药走向世界具有极为重要的意义。其研究方法大体可分为:血药浓度法和生物效应法两大类。同时随着中药药代动力学研究的越来越受重视,先进检测技术的不断增加,出现了一些新技术新方法,如临界流体萃取、在体微透析、核磁共振、生物电阻抗、细胞培养研究体外吸收模型、证治药动学[1]、中药血清药理学[2]、中药胃肠药动学等。下面就对常用的药代动力学研究方法进行简要介绍。

1 血药浓度法

适用于有效成分比较明确的中药及其复方制剂,通过中药复方给药后,用现代分析仪器如气相色谱法、气-质联用法、高效液相色谱法或液-质联用等,分析生物样品中有效成分原型或代谢物,进行中药复方的体内成分分析、体内过程和动力学研究。目前用药物浓度法进行药代动力学研究已成为中药复方药代动力学研究的热点,近年这方面的研究报道很多。如报道大鼠口服黄芩汤后用HPLC法测定血浆中的多种成分:黄芩苷、汉黄芩苷、千层纸素A苷、黄芩素、汉黄芩素、千层纸素A、芍药苷、甘草苷、甘草素、甘草酸、乌拉尔甘草次酸、paeonimetabolin-I(PM-I),再分别计算各自的药动学参数[3];用HPLC法测定大鼠口服甘草附子汤后血浆中乌拉尔甘草次酸的药动学参数[4];用SPE和HPLC法研究大鼠口服四物汤后血浆中白花素、芍药苷的药动学特征[5];用LC-ESI-MS法研究大鼠口服黄连解毒汤后血浆中小檗碱、巴马丁的药动学特征[6]。然而,在采用药物浓度法进行中药复方药代动力学研究中,尽管有些报道检测了复方给药后体内多种成分,再对每一种成分逐一进行动力学分析,从而避免了单一成分的药动学脱离了中医药整体观思想,但这些研究仍没有阐明多种成分与复方药效的关系,因此,这种多种成分的药动学研究也难以合理地阐明中药复方的药代动力学特征。中药复方药代动力学研究中,上述常用的药物浓度法也存在缺陷[7]。由于中药复方化学成分的复杂性、中药药效的多效性和中医临床应用的辨证施治及复方配伍的中医特色等特点,使得中药复方药代动力学研究有别于化学药品的药代动力学研究,而有其特殊性和复杂性[8]。

2 生物效应法

适用于有效成分尚不明确的中药及其复方制剂。采用单一组分为指标,用体液药物分析方法求得的药动学参数代表中药整体的药动学有很大的局限性。20世纪80年代初期产生了以药效为指标进行药动学研究的理论和方法,主要包括毒理效应法、药理效应法和微生物指标法。这些方法体现了整体观,从而使中药药动学研究迈向了一个新阶段。

2.1 毒理效应法 该法分为急性累计致死率法及LD50补量法。急性累计致死率法基本原理是将药物动力学中的血药浓度多点测定原理与用动物急性致死率测定药物蓄积性的方法结合起来,即给多组动物不同时间间隔给药,求出不同时间体存百分率的动态变化,由此推算药动学参数。LD50补量法在急性累计致死率法基础上进行了改进,将第2次腹腔注射同量药物改为求测LD50(t)。其优点是结果更精确,误差小;但动物用量成倍增加,操作更加复杂。用此法进行药代动力学研究的有含剧毒药马钱子的九分散和疏风定痛丸,结果表明:兔体内,两者均符合一房室模型;马钱子在体内吸收迅速,而疏风定痛丸吸收较九分散慢,从而降低毒性和不良反应[9],为临床合理用此类中药提供了依据。刘延福等[10]研究附子理中丸在小鼠体内的药动学参数,结果表明:按一级动力学消除,呈二室开放模型。此法观察指标明确,实验操作简便,但只适用于药理效应和毒理效应是同一组分的中药。同时它以药物毒性为主要指标来反映药代动力学规律,不能代表有效量的药代动力学规律。

2.2 药理效应法 基本原理和方法是假定药物在体内呈线性配置,药物在作用部位的药量Q(t)与药物效应强度(E)存在函数关系Q(t)=f[E(t)],而Q(t)又与给药剂量(D)成正比。所以给药后某时刻生物相药量Q(t)与该时刻的效应强度E之间的函数关系便可以用给药剂量D与效应强度E的函数关系D=f[E(t)]来表示,建立“时间-效应曲线”,然后再变换为“血药浓度-时间曲线”,求出动力学参数。该法以越来越广泛地用于中药及其复方制剂地药动学研究中。如富杭育等[11-14]分别以解热、发汗、抗炎、抑制肠蠕动等药理效应为指标,研究了麻黄汤、桂枝汤、银翘散、桑菊饮等的药物动力学。卢贺起等[15]以血小板聚集抑制率为药效指标,研究了四物汤的药动学,结果表明:家兔经口服给药后体内过程符合一室模型,t1/2α=0.37 h,t1/2β=0.4 h。药理效应法研究中药复方药动学,更能体现中医药的整体思想,符合中医药的基本理论,是一极具发展前景的方法。但由于生物差异性,以及测定方法的准确度、精密度等限制,所得参数具有表观性;难于找到灵敏又准确地定量疗效的药理指标;而且由于所选药效指标的不同,测得的药动学参数差异较大。

2.3 微生物指标法 其原理主要是含试验菌株的琼脂平板中抗菌药扩散产生的抑菌圈直径与其浓度的对数呈线性关系。选择适宜的标准试验细菌菌株,可以测定体液生物样品浓度,计算药动学参数。王西发等[16]选用金葡菌为试验菌株,用此法测定了鹿蹄草素在兔体内的药动学参数。潘嘉等[17]以抑菌效应为指标,测定川芎挥发油药动学参数,符合一室开放模型。此法适用于具有或以抗菌活性为主要药效的中药制剂,有简便易行,体液用量少等优点。但特异性不高,测定结果包括具有抗菌活性的代谢物;机体内外抗菌效应作用机制的差异、细菌选择的得当与否、可在一定程度上影响药代参数的准确性。

3 PK-PD模型、PB-PK模型的建立及应用

3.1 PK-PD模型应用 药物PK-PD模型[18]反应了药物浓度-时间-效应的三维关系,体现了特定时间内药物浓度与药效之间的关系,故能描述和预测一定剂量下药物的时间-效应过程。药物动力学(PK)解释的是“机体对药物的处置”问题;药效动力学解释的是“药物对机体的作用”问题,将二者分开研究所得到的信息并不全面和充分。与药效或不良反应密切相关的被测药物浓度随时间的变化过程是我们迫切需要掌握的信息,这样的PK研究才有意义;PD研究只涉及时间-效应关系,未涉及到效应室中药物浓度随时间变化的药效变化过程,实际情况中药效峰值出现时间常滞后于血药浓度峰值(药效与血药浓度之间存在逆时针滞后环),孤立的进行PK或PD研究不能阐明药物的体内过程,故有必要建立PK-PD结合模型,对药物的浓度-时间-效应关系进行估算,通过对靶部位药物浓度及药效的关联度分析,评估药物的体内过程。

3.2 PB-PK模型应用 血药浓度法和生物效应法目前占据了复方药动学研究的主导地位。PB-PK模型结构与生物体解剖结构大致对应[19],参数来自生理解剖资料和药物理化性质,PB-PK模型以生理解剖资料和药物理化性质为基础来分析药时数据,且有强大的种属间外推(Interspecies Extrapolation)能力[20],所得参数更具有实际的生理意义,相比房室模型更有优越性和实用价值,可提供其他模型不能提供的参数(如药物在人体器官内的代谢速率常数、进入器官的弥散系数等等),故有必要加强中药复方的PB-PK模型研究以PB-PK模型参数提供更多有实际意义的参数为复方配伍规律进行参考。

4 小结

目前中药药代动力学研究尚处于探索阶段。对中药药动学研究,虽然已经取得了很大进展,但仍然在许多方面存在着问题需要我们去解决。首先对中药的整体观难以把握,目前对于中药复方的研究多数以其中一种或几种成分为代表以此成分的代谢过程来表示整个复方的代谢过程。很明显中药方剂中依靠单一成分作用于单一靶点而发挥全部药效功能的情况很少见,无论复方还是单方都是个复杂的系统,多个成分相互拮抗和协同产生的综合作用。所以在研究中不应背离中医药整体观的理论基础,过分依赖西药化模式和西药植物药的研究思路。其次中药化学成分是复杂和多样的,中药处方的变异性和状态的不可预测性,给药物治疗的物质基础研究带来许多问题,上述对纯化学来源的药物可以分析的方法,还是难以全面认识中药作用的物质基础。还有众多的中药复方虽然临床疗效确切,但长期临床应用是按中医理论和经验用药的,对其作用机制的内涵以及与物质基础的关系,尤其是从药代动力学角度进行研究与国际水平还有相当差距。但是我相信随着药代动力学的不断发展,不断涌现出来的新方法和理论许多新技术如:超临界流体萃取、在体微透析、核磁共振、生物电阻抗、细胞培养研究体外吸收模型等,将会将为单味和复方中药的药代动力学研究开辟了新思路。

参 考 文 献

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一、现有教学存在的问题

物理化学是由物理、化学、数学等知识构成的一门理论基础课程，包括化学热力学、动力学、结构化学等基础理论，研究宏观、微观规律。现有的本科专业物理化学课程教学，包括物理化学理论学习和实验教学。物理化学理论课程主要讲授理论知识、原理，物理化学实验教学通过实验现象来验证理论，并对实验现象进行分析、解释。物理化学课程是一门理论性非常强的课程，很难将其与实际相联系，然而，物理化学所包含的理论知识在实际应用过程中又广泛存在。与其他以应用为目的的课程，具有本质的不同，实际应用更注重最终结果，很少对于原理、规律进行探讨研究，这导致物理化学知识在实际应用中很难体现。社会、企业需求人才与现有高校培养的人才严重不匹配，因此，必须进行应用技术型转型发展。应用技术大学转型发展，是当前部分高校为适应社会发展、企业需求而提出的变革性改革。物理化学课程作为一门理论基础课程，更需要转型发展，以应用为中心开展教学。基于应用技术型转型发展这一主题，提出物理化学课授课内容、授课方式、考核方式的改革措施。

二、课程教学改革的内容

1.授课内容改革

现有轻化工程专业物理化学课程授课内容大体包括热力学、动力学、电化学、胶体化学等理论。其优点是知识体系具有高度的完整性、相关性、系统性，知识体系完善，即使是18世纪形成的知识点、化学规律也系统的包含，因此，非常适用于知识的系统学习。然而，其缺点是现有物理化学课程内容的系统性、完整性与实际应用的广泛性、局部性存在着严重的不匹配。在现有的课程内容中，热力学部分是一个系统的知识体系，其中包含能量守恒定律、能量转换及反应热效率等系统知识，其中包含的热力学参数有热、功、内能、焓、熵、自由能等，这些知识系统，对于实际生产过程中的技术人员或操作人员，在实际应用过程中几乎很少涉及。在企业生产过程中，企业的工人、技术人员只需按照正确的操作流程进行即可，而无需对工艺进行系统的分析、研究。即使企业在进行技术改进、创新过程中，涉及理论知识的应用分析，也仅是对部分理论的应用，不需要系统的知识体系。这些理论知识更适用于一个企业项目建设的前期工作，在企业还没有进行生产时将某个实际项目中涉及的问题通过物理化学的理论知识进行系统的分析、研究。

基于以上分析可看出，高等教育教学的原则是以企业需求为中心。企业技术人员需要理论知识，但需要的程度可以是不系统的。对于应用技术型大学转型发展，就是要适应企业的需求，那么，相应的课题内容也必然要与企业实际需求相匹配。地方本科院校，定位发展也是基于本地的需求，不同地区、不同企业对技术人员的要求是不同的，因此，物理化学课程教学内容应该是基于地方企业的需求，辽东学院轻化工程专业应该以辽宁地区相关企业需求为主，兼顾其他地区相关企业需求为辅来进行教学内容的改革。

因此，课程内容改革需要分成几个阶段，第一个阶段是辽宁地方企业和其他地区企业技术人员需求知识的调研、总结。对相关企业调研，总结企业技术人员知识的构成体系，分析知识的需求重点。第二个阶段是基于企业需求的物理化学课程教学内容制定，相关企业技术人员涉及的知识，则在物理化学教学内容改革时保留，并重点讲授。对于企业不涉及的知识或涉及较少的知识，仅是从学习角度，体现物理化学完整性的知识，可作为学生辅助学习知识。第三个阶段是不断完善、更新教学内容。社会进步、企业发展、产品更新、工艺改进，必然涉及知识的更新，因此，课题教学内容的更新，是对企业需求的不断完善。

2.授课方式改革

现有的物理化学课程教学授课方式包括理论讲授和实验实践教学。理论教学的优点是通过学习学生可对物理化学知识进行系统的掌握，缺点是学生学习后，总是在问学了有什么用?实验教学的优点是将理论知识通过学生动手实践来验证、分析、应用这些理论知识，缺点是实践方式死板、学生仅是为了验证知识，而不是去应用知识。应用技术型大学的理论教学和实践教学的优点应该是与企业需求相匹配，然而，现有高等教学的优点恰恰不是企业需求的。企业需求的恰恰是我们所最不具备的，也就是现有理论教学和实践教学的缺点。在授课内容满足企业需求的基础上，授课方式也需要进行改进。现有理论教学授课方式的缺点是学生不知道学了有什么用，那么，在应用技术型转型发展过程中，应通过理论授课告诉学生有什么用。与之对应的授课方式可考虑学校教师与企业兼职人员共同授课，校内教师讲授基础知识，企业兼职人员讲授实际应用的知识，从而完善知识的传授、应用。

现有的物理化学实验课程按照实验类型可分为验证型、综合型、设计型实验，应结合企业的实际生产过程，增加创新型实验，针对企业生产的某个实际工艺流程，对工艺流程进行了解、验证、提出问题、应用理论知识分析问题、以理论知识解决实际生产问题。创新型实验室可以是教师的研究课题中的某个工艺技术，也可以是一个企业生产中的一个流程，通过实验，发现问题，解决问题。

3.考核方式改革

现有的理论课程教学考核形式以考试为主，以考察学生对知识的掌握为核心。优点是可系统地评价学生对知识的掌握情况，缺点是不以知识的实际应用为核心。结合授课内容、授课方式，考核方式也应该以应用为主。考核的核心是在实际应用中的知识，因此，物理化学课程考试可包括理论知识的系统考试、实际应用知识考试、应用知识解决问题的考核三个部分，相应的成绩包括平时考核(10%)、理论知识(20%)、企业应用知识(30%)、解决问题应用知识(40%)。

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关键词：教学改革；研究生教学；教学内容；软件平台

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）31-0038-02

一、历史与现状

《计算流体动力学及其应用》是能源动力方向硕士和博士研究生的一门学科基础课程。自上世纪90年代开设以来，前后经历了三次大的变革。在1995—2000年期间，课程名为《叶轮机械的数值模拟计算》，只针对能源动力学院流体机械专业方向的研究生开设；自2001年起，课程改名为《计算流体动力学及其应用》，面向能源动力一级学科及其下属各二级学科的研究生，并成为能源动力学科方向研究生的一门基础课程；2006年以前，课程授课内容以计算流体动力学方面的原理和方法为主，选课学生主要为能源动力学科方向的研究生；从2006年开始，为适应广大研究生的选课需要，我们对教学内容进行了适当调整，辅以CFD商用软件的实例和应用，以期实现理论性与实践性并重的教学理念，并将课程面向全校研究生开放。随着计算机技术的飞速发展，计算流体动力学的应用日益广泛。众所周知，计算机硬件水平的提升，将相应地促进CFD商用软件功能更加强大，应用更加广泛，最终使得CFD商用软件得到了前所未有的发展。同时，随着研究生招生规模的扩大，使得选修《计算流体动力学及其应用》课程的研究生人数大增，从上个世纪90年代的十几个学生，到现在的一百多个学生，而且涉及众多学科，比如船海、化工、建筑、电气、交通、材料、光电等。《计算流体动力学及其应用》课程的历史与现状在一定程度上给我们将要进行的教学改革提出了新的要求，同时也为我们指明了课程建设的新方向，值得我们深入思考，并付之于实践。

二、课程定位

《计算流体动力学及其应用》作为一门研究生的学科基础课程，我们在进行改革之前，应该首先考虑它的定位。华中科技大学作为一所教育部的“985”和“211”的高校，一直以“研究型”大学著称。学校对于研究生的培养非常重视，导师为每一位研究生制定了详细的培养计划，课程的选修均有所考量。基于选修《计算流体动力学及其应用》课程的研究生人数众多，涉及的院系广泛，经任课教师讨论，申请学校研究生院同意，决定将该课程定位为高水平研究生课程。所谓高水平研究生课程，初步确立的含义为，高水平的学者，采用高水平的教材，以先进灵活的形式教授课程，旨在培养学生坚实宽广的理论基础和系统深入的专门知识。高水平课程在内容上应该具有基础性、专业性和前沿性，前沿性可以体现在任课教师结合自己的科研实践，在讲授中融入一些与课程相关的前沿内容。

三、教改实践

基于高水平研究生课程这样一个定位，我们开始着手进行课程的教学改革，具体内容包括：组建教学团队、改革教学内容、建设实践教学平台。首先，组建一支高水平、高素质的教学团队。教学团队由三位教师组成，他们均具有博士学位，高级职称。其中，课程负责人张师帅副教授，长期从事计算流体动力学及其应用方面的教学及研究工作，自2006年起，一直担任该课程的主讲教师；任课教师郭照立教授，是目前国内计算流体动力学方面的顶尖学者，国家杰出青年基金获得者，并具有较高的国际知名度。郭教授团队在国内外权威学术刊物和会议上发表科学论文100余篇，SCI收录90余篇，SCI引用1200余次；任课教师陈胜副教授是一位青年学者，在格子Boltzmann算法研究方面颇有建树。将《计算流体动力学及其应用》课程建设成一门高水平研究生课程，得到了教学团队中每一位教师的支持，大家一致赞同经常开展教学交流，学习先进的教学方法和教学手段，进一步提高教学效果。其次，我们对教学内容进行了改革。教学团队根据选课研究生人数众多，涉及的学科方向广泛，重新制定了《计算流体动力学及其应用》课程的教学大纲，确保讲授内容的基础性、专业性和前沿性。课程主要内容包括：控制方程的离散化方法、流场的求解计算方法、湍流模型及其应用、网格生成与计算技术、复杂流动的介观模型和数值方法、格子Boltzmann算法及其应用、经典CFD软件的基本用法等。而对于控制方程的离散化方法，将重点介绍有限差分法和有限体积法；对于流场的求解计算方法，将重点介绍SIMPLE及其系列算法；对于湍流模型及其应用，将重点介绍k-ε模型及其应用；对于网格生成与计算技术，将重点介绍结构网格和非结构网格的生成方法以及并行计算方法。同时，还将邀请国内外计算流体动力学方面的专家学者前来开展专题讲座。对《计算流体动力学及其应用》课程进行教学改革是全体任课教师的共同愿望，大家积极讨论，并提出在现有教材的基础上，编写具有自己特色的教材等建议。在改革教学内容的同时，教学团队还利用学院现有的条件，建立“计算流体动力学”软件平台，该平台拥有高性能的计算工作站，可以开展并行计算、直接数值模拟等大型计算研究，为研究生开展离散方法、网格生成方法、计算方法以及复杂流动模型等研究工作创造了良好条件，同时也为对计算流体动力学方面的前沿研究课题感兴趣的大学本科生开展创新性研究工作提供了良好条件。与此同时，该平台还拥有多种商用CFD软件，比如FLUENT、CFX、STAR-CD、PHOENICS、Flo-EFD等，成为广大研究生开展自主学习、自主实践、相互交流的优良场所。还可以根据研究生的需求，安排任课教师不定期地通过软件平台为学生解惑答疑，引导研究生探索创新，提高学术水平。

众所周知，研究生学术水平的高低是一所大学学术水平的反映，更是一个国家科技创新能力的反映。研究生不仅需要扎实掌握专业基础知识，更需要具有较强的创新意识和创新能力。目前，高等学校在培养研究生创新能力、提高研究生学术水平方面还有待加强。为此，本文提出了通过对《计算流体动力学及其应用》课程进行教学改革，并将之建设成具有基础性、专业性和前沿性的高水平课程，进一步培养研究生的创新能力，提高研究生的学术水平。同时，本文对实践过程中的一些具体措施和经验进行了探讨。

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[关键词] 力学 学科 发展报告

福建省力学学科在广大的省内力学工作者长期不懈努力下，通过与国内外同行广泛交流、相互学习，以及不断从国内外引进优秀力学人才，近十年来取得不少成果。目前，虽然总体上在国内还无法处于先进行列，但在某些领域的一些研究成果达到了国内甚至国际先进水准，国内影响也日益增加。但是，福建毕竟是力学小省，从事力学研究的队伍很小，真正从事力学理论、基础研究的人才更少。迄今，我省高校还没有设置力学专业，更没有力学或航空航天学院。正因为我们没有强大的力学研究队伍，我们的研究成果不够系统，也无法形成国内外影响力大的研究团队。力学是目前世界上发展非常快的一个学科，是众多工程技术的基础，其研究成果被广泛应用于先进的航天航空技术、舰船技术、兵器技术、尖端的建筑领域、车辆技术、机器人技术、高速精密机床、电子技术、防震救灾等等。力学学科强的省份，其工程技术各个领域普遍也强。由于经济实力有限，福建省同其他一些省市一样，对力学等基础学科重视不够，导致工程技术人才队伍总体素质不是很高，研究后劲不足。除了高层建筑、大型桥梁、水库等事关国计民生的大项目外，很少见到生产企业借助力学寻找疑难问题的答案，或开发设计新产品。为此，总结力学学科发展，不仅仅是有助于本学科更快更好的发展，更重要的是促进力学对工业进步的推动作用。此外，还可以帮助年轻的力学工作者、力学爱好者，以及政府有关部门，更快更好了解我省乃至全世界力学发展动态、应用与存在的问题，促进力学人才队伍的发展壮大。虽然我省力学人才数量与培养机制在国内处于劣势，然而，力学学科也同其他学科一样， 有能力、也期待在海西建设中发挥更大的作用、得到更快的发展。

目前，我省力学学科研究领域主要集中固体力学、流体力学、计算力学、机械动力学与控制、细观力学、实验力学、结构力学等方面。研究内容既有理论方面的，也有许多工程实际应用的，还有关于力学教育的。本学科报告将根据上述7个领域展开。

1固体力学

固体力学研究变形固体在外界因素（如载荷、温度、湿度等）作用下受力、变形、流动、断裂等。包括杆件及理想弹性体变形和破坏；变形固体塑性变形与外力的关系；细长杆稳定性理论；杆系结构、薄板壳以及它们的组合体；裂纹尖端应力场、应变场以及裂纹扩展规律。复合材料构件的力学性能、变形规律和设计准则。固体力学不但促进了近代土木建筑、机械制造和航空航天等工业的进步和繁荣，而且为广泛的自然科学提供了范例或理论基础[1-2]。大到桥梁、航天航空器、核动力结构，小到计算机芯片、生物组织以及近年来高速发展的微/纳米机械等都需要借助固体力学理论和方法。

1.1 我省固体力学研究现状

1.1.1 断裂与疲劳方向

通过三点弯曲疲劳试验，分别跟踪监测了40Cr钢及它的两种表面处理试样疲劳损伤过程，得出了40Cr钢经过两种表面处理对其疲劳裂纹萌生寿命有显著影响的结果，提出了对疲劳裂纹萌生寿命测量的一种新方法[3]。根据材料对称循环持久极限和静载强度极限，导出任意循环特征下材料持久极限的估算公式。通过非线性有限元方法对橡胶―钢球支座的橡胶层与钢球粘结界面上及橡胶中间层在扭转载荷作用下存在中心裂纹和环形边缘裂纹的情况进行了数值模拟，给出撕裂能与裂纹尺寸、载荷和橡胶层厚度的关系曲线[4]。针对抽油机井常用油管在循环载荷作用下的疲劳断裂问题进行了理论与实验研究。在实测油管载荷谱与应变谱的基础上应用弹塑性有限元法计算油管螺纹内的应力应变场，并进行了有关的疲劳实验，以得到油管的疲劳强度。

* 第一执笔人：严世榕，福州大学车辆振动与电子控制研究所所长、教授。

1.1.2 板壳、薄壁杆件及复合材料方向

利用群论方法提出周期区域的分片正交多项式连续函数，在周期区域内利用正交分片多项式逼近位移函数可以大大地降低计算量[5]。推导了一般各向异性板弯曲的积分方程，运用加权残数配点法求解了正交各向异性板弯曲的积分方程。提出了两种新的近似基本解加权双三角级数广义各向同性板解析形式的基本解和加权双三角级数的叠加。根据Timoshenko几何变形假设和Boltzmann叠加原理，推导出控制损伤粘弹性Timoshenko中厚板的非线性动力方程以及简化的Galerkin截断方程组;然后利用非线性动力系统中的数值方法求解了简化方程组[6]。假设翘曲位移及切向位移的分布函数，考虑剪切变形的影响，利用最小势能原理建立了单位均布畸变荷载作用下的薄壁杆件畸变角微分方程[7]。采用一般解法对该畸变角微分方程进行求解，并推导求解的初参数法。采用加权余量法提出一个简支工字型梁在横向荷载作用下临界荷载的计算公式；利用这个式子算出的值与试验结果以及其它数值方法等得到的结果吻合得很好，说明文献[7]提出的公式能迅速、有效地计算薄壁杆件的横向临界荷载。以均布荷载下的抛物线钢管拱为研究对象，在考虑双重非线性的有限元分析基础上，提出纯压钢管拱稳定临界荷载计算的等效柱法[8]。提出了基于杆件连续分布的结构优化方法，优化结果不仅更接近理论解，而且克服了理论解的非均匀各向异性材料的制造困难，也完全避免了各种数值拓扑优化普遍具有的数值不稳定问题[9]。

1.1.3 弹性动力学方向

分析了一般粘弹结构特征值问题的特点，建立了一般粘弹结构的模态分析方法。与粘弹结构已有的模态分析方法相比，该方法通用于更一般的粘弹结构，在形式上不涉及粘弹本构关系项，并只涉及一种模态向量[10]。导出了时间步长内计算扰动的确定方法，并进一步采用同步计算消除计算扰动效应和后续步计算消除计算扰动效应，两种途径抵消其不利影响。基于Distorted-Born Iterative方法，提出了一种求解弹性波强非线性逆散射问题的迭代方法。在数值模拟运算时利用矩阵法进行离散处理，并采用正则化原理避免求解病态矩阵方程。应用多重尺度法推得从平方非线性振动系统势能井逃逸的时间。近似势能法用于克服非线性带来的困难。推导了系统的运动学、动力学方程。分析表明，结合系统动量及动量矩守恒关系得到的系统广义Jacobi关系为系统惯性参数的非线性函数。证明了借助于增广变量法可以将增广广义Jacobi矩阵表示为一组适当选择的惯性参数的线性函数。在此基础上，给出了系统参数未知时由空间机械臂末端惯性空间期望轨迹产生机械臂关节铰期望角速度、角加速度的增广自适应控制算法。在高速公路刚架拱实桥动测及单车荷载作用研究基础上，建立多车荷载激振模型，发展了研究刚架拱桥车激共振特性的可视化仿真方法，探讨刚架拱桥在高速多车荷载作用下的共振条件，分析车距、车速和车数对竖向瞬态振动峰值的影响，编制运行多车荷载下振动仿真分析可视化程序。提出了基于压力传感器的汽车重心实时监测机理的力学模型。利用该模型能实时监测汽车的整车重量、重心位置，提供安全装载和安全车速监测与报警，可为汽车安全系统提供可靠的重心计算力学模型，为研制汽车重心实时监测系统提供了必要参数与依据。论述数值计算中新的小波基无单元方法，即用小波基函数取代传统无单元方法中的幂级数基之后，使无单元法具有了小波变换的局域化和多分辨率等优良特性，并能有效地克服有限单元法的网格敏感性和单元之间应力不连续现象，从而不但拓展和丰富了无单元法的理论内容，也为其工程应用开辟了新的途径[11]。

1.1.4 工程应用

推导了T型截面梁的弯矩-轴力-曲率关系，提出了分析大偏心体外预应力筋的应力增量和梁弯曲性能的通用方法。比较荷载作用前后，转向座和锚具的变形差，计算出体外筋的应变和应力。因此这一方法考虑了体外筋的变形协调条件，同时自动地考虑了体外筋偏心距的损失。以B样条函数结合配点法直接求解框剪间有限个作用力与力矩，导出的递推公式对任意水平荷载可直接应用。采用动力特解边界元法在时域内求解坝-水-地基动力相互作用问题特性，研究了坝体、地基和系统阻尼对坝体的动力特性、动水压力、动力放大系数及稳定系数的影响。提出了一种求解柔性多体系统控制方程数值方法，在每一时间步，利用Newmark-β直接积分法计算迭代初值，基于控制方程及约束方程的泰勒展开，推导出Newton-Raphson迭代公式，对位移及拉格朗日乘子进行修正。引用Blajer提出的违约修正方法对数值积分过程中约束方程的违约进行修正。提出了地震作用下摩擦耗能支撑参数优化的一种新的数学模型，在给定的几条地震波作用下，在满足框架的规范层间位移角限值要求下，框架各层安装的耗能支撑刚度之和最小，从而实现安装较少的耗能装置而能达到相同的抗震要求[16]。

1.2 与国内外发展现状的对比与不足

整体上，我省还没有建立起几个系统、稳定的固体力学研究方向。与国内外比较尚处于相对落后的研究水平。许多研究领域尚处于空白。系统性、原创性研究成果就更少了。

1.3 国内外固体力学发展趋势预测

固体力学的研究对象向跨尺度和复杂性方向发展；研究手段以跨学科、交叉性和系统性为特色。 其基本理论以研究力与热、电、磁、声、光、化学及生命领域的相互作用，实现从原子、分子的微观结构到纳米结构、细观显微结构，直至宏观结构的多尺度关联理论框架的建立。固体力学可以将地震、边坡失稳、泥石流、矿井崩塌等自然灾害提炼成为具有群体缺陷、裂纹和裂隙的不连续、非均匀介质的力学演化过程，预测和防范突发灾害的发生。固体力学在陆地和海洋石油勘探采集和输运、核电技术、风能技术、高坝技术和高功率水力发电技术、大型工程结构的选址等重大工程中也将发挥愈来愈重要的作用。集传感功能和驱动功能为一体的智能材料和结构蕴含着许多与传统领域不同的力学问题。新型材料与结构的多场耦合力学，包括力－电－磁－热耦合场基础理论与体系、破坏理论、智能结构性能等是固体力学领域充满生机的研究方向。 利用生物学和生物技术来设计材料与器件将极大地冲击整个工程界、生物界和医学界。

1.4 我省固体力学发展对策

目前普遍强调工程应用的大社会背景对力学这门基础性学科的发展是极为不利的。鼓励自由探索，促进系统性、原创性、基础性的研究工作是促进力学学科发展的最重要基础工作。主要体现在如下几个方面：

（1）固体力学作为影响广泛的重要基础学科，需要长期、稳定地投入。自由探索和基础研究是科学新思想、新理论和新方法的重要源泉。需要以全面发展的观点长期稳定地处理好基础研究、应用基础研究和工程需求的关系，营造在各方面都鼓励创新的环境。

（2）人才培养，特别是充分发挥优秀人才作用是力学学科发展的重要源泉。建立有利于人才培养的长期、公正、公平、合理的科研成果和科技人才评价体系，力学学科的科学研究和人才培养尤其要避免急功近利。各高校在力学学科的建设上不能以其能否直接解决工程实际问题为取舍的依据，而要以现有人才和研究基础为依据。稳定、扎实的力学学科人才培养可以直接惠及众多相关学科的发展。

（3）从固体力学学科的性质、现状和发展趋势，以及国家需求来看，目前的重要科学问题和前沿领域主要有：微纳米力学、多尺度力学与跨尺度关联和计算、新材料与结构的多场耦合力学、生物材料与仿生材料力学、科学与工程计算与软件、仪器设备研制及实验力学新技术与新表征方法。国家建设需求的重要支撑点和应用发展方向主要有：固体强度与破坏力学、计算力学软件、固体力学在国家安全以及航空航天工程中的应用、大型工程结构与工业装备的力学问题、爆炸与冲击力学、环境与灾害关键力学问题等。

2流体力学

2.1 计算流体力学

流体力学是力学的一个分支，它主要研究流体的运动以及流体和其它介质间相互作用和流动的规律。流体涉及面广，它可以是气、水，也可以是油或其它流变物质。流体力学在气象、水文、石油勘探、船舶、飞行器和工业机械等领域均有广泛应用。流体力学数学上的描述是著名的Navier-Stokes方程及其各种变化。

空气动力学是流体力学针对空气运动问题的一个分支，也是流体力学研究的一个主要内容。20世纪初，飞机的出现极大地促进了空气动力学的发展。航空器的研究需要了解飞行器周围的压力分布、飞行器的受力状况和阻力等问题，这就促进了流体力学在实验和理论分析方面的发展。20世纪中后期，流体力学开始和其他学科互相交叉和渗透，形成了新的交学科，如物理-化学流体动力学、磁流体力学等。

流体力学研究的手段主要有三：实验，理论分析，数值计算。理论分析是根据流体力学基本方程，通过数学方法进行分析，得出各种定量和定性结果。由于流体运动的复杂性，实验方法在流体力学中占有重要的地位。现代流体力学就是在纯理论的古典流体力学与偏重实验的古典水力学结合后才蓬勃发展起来的。实验对于验证流体运动的基本规律，测定经验参数，解释物理现象均有重要意义。

随着计算机技术和各种高效计算方法的发展，使许多原来无法用理论分析或实验研究的复杂流体问题有了求得数值解的可能性，形成了“计算流体力学”学科。从20世纪60年代起，在飞行器和其它相关工程的设计中，开始大量采用数值模拟，使得数值模拟成为与实验和理论分析相辅相成的一个重要研究手段，并正在成为流体力学的主要发展方向。数值模拟方法特点如下：

①给出流体运动区域内的离散解，而不是一般理论分析方法所关注的解析解；

②它的发展与计算机技术的发展直接相关，因为复杂的流动问题要求大计算量的运算；

③若物理问题的数学模型是正确的，则可在较广泛的流动参数（如马赫数、雷诺数、气体性质、模型尺度等）范围内研究流体力学问题，且能给出流场参数的定量结果。

厦门大学在计算流体力学学科开展了多方面的研究，其主要研究力量分布在数学、海洋、化学、材料、物理机电等院系，并建立了多套高水平的大型计算服务器。特别值得一提的工作是：数学科学学院在可压和不可压粘性流体数学模型的理论探索和高阶数值模拟的研究中取得了具有国际水平的成果，丰富和发展了下面几个重要方法:

2.1.1 谱方法（Spectral method）[17-19]。该方法是一类高阶方法，它利用整体高阶多项式逼近偏微分方程的解。它主要有两种形式：从弱形式出发的Galerkin谱方法和从强形式出发的配点法，它们都可以认为是加权残差法的特殊形式。其中配点方法更像差分法，它要求在配置点上满足原方程，与差分法不同的是：它用高阶多项式的准确求导代替了导数的差分逼近。Galerkin谱方法与有限元方法在原理上类似，都是先将偏微分方程定解问题转化成与之等价的变分形式，然后通过试探函数和检验函数的选取来逼近解，它们的主要不同在于试探函数和检验函数的选取以及高维情况下基函数的构造。谱方法的收敛速度取决于解的正则度，当解无限光滑时可以达到指数阶收敛，即比任何代数阶的收敛速度都快，这是谱方法相比差分法和有限元法的一个主要优点。

2.1.2 拟谱法和谱元法[20-21]。拟谱方法（Pseudo-spectral method）是一类准谱方法，可以通过从弱形式出发的广义Galerkin谱方法构造，也可以由强形式出发的配点法得到。两者在某些特殊情形下是等价的，但对绝大多数问题，配点法无法导出简洁的弱形式，导致理论分析十分困难。现在配点法正渐渐淡出研究人员的视线。基于广义Galerkin方法的拟谱方法的构造分两步：首先构造问题的Galerkin谱方法，然后利用高精度Gauss型数值积分近似弱形式中的积分。有别于标准谱方法中使用的正交多项式基，在拟谱方法中，基函数通常选择基于数值积分的Lagrange多项式基，这给计算，尤其是非线性问题的计算带来了很大的便利。由于Gauss型数值积分的高精度，在大多数情形下拟谱方法的收敛速度与谱方法相同。传统意义下的谱方法对于复杂区域的处理能力极其有限，这限制了它的应用范围。20世纪80年展起来的谱元法（spectral element method）很好地解决了这个问题。谱元法结合了谱方法和有限元法各自的优点，既能处理复杂的计算区域，又有谱方法的高精度，它在不可压流体的计算中取得了很大的成功，如今已是计算流体中最常用的方法之一。谱元法与hp-有限元方法很相似，但两者在发展的初期有许多不同点，hp-有限元使用的多项式阶数不高，所使用的基函数也与谱元法不一样。不过随着两类方法的发展，它们呈现出越来越多的共同点，有些学者已把两类方法归结为同一种方法。由于谱方法还具有低耗散，低色散的优点，如今它已成为湍流数值模拟的主要方法。

2.1.3 湍流大涡模拟（Large eddy simulation，LES) [20-22]。 自然界中的流体运动主要有两种形式，即层流（laminar） 和湍流（turbulence），层流是指流动时流线相互平行的流动，而湍流则是无规则脉动的，有强的涡旋和掺混性。目前一般的看法是：无论是层流还是湍流，它们都服从Navier-Stokes (NS)方程。由于湍流运动特征尺度的多样性，一般来说，直接数值模拟(DNS)仅局限于湍流机理的基础理论研究和一些较简单的问题。湍流大涡模拟（LES）是介于DNS和雷诺平均NS(RANS) 之间的一个折衷方法。LES需要的网格点数比DNS大大减少，这使得它能够应用于许多实际工程计算中。LES仅计算大尺度部分，而亚格子尺度运动（SGS）通过附加模型实现。目前广泛使用的SGS模型有1963年Smagorinsky 提出的“涡粘性” 模型及其变种，如“尺度相似性” 模型，“动力学模型”，“代数涡粘性”模型和“重正化群”模型等，这些模型均在某些特定的情形和适当的假设下适用， 且跟所选择的数值方法相关。较新的LES模型包括速度估计模型以及无(显式)模型的单调积分LES(MILES)和谱消去粘性（Spectral vanishing viscosity， 即SVV)LES。MILES的基本思想是借助非线性高频限制器来限制高频波段上的能量振荡，可以起到与显式SGS模型同样的效果。而SVV-LES是在谱元法框架内提出的，其基本思想是通过引入线性高频粘性项来抑制可解尺度量在截断频率附件的震荡。与其它LES方法相比，SVV-LES简单且无附加计算量。

3计算力学

20世纪50年代，随着计算机的发展，计算力学这个力学和科学计算的交叉学科得到了快速发展，特别是60年代后有限元法及其相应软件产业的迅猛发展，使得计算力学这个新兴学科迅速渗透到土木、水利、机械、航空、电子及生命科学等各个领域，成为计算机辅助设计（CAE）的重要核心内容，也使得力学这个传统的学科焕发了新的强盛的生命力。在当今科学研究和工程实践中， 科学计算已经成为与科学理论、科学实验并行的重要科学方法。2006年美国自然科学基金委员会了《基于数值模拟的工程科学》的研究报告，明确指出计算力学和数值模拟在工程科学发展中的重要地位。

近年来我省科技工作者在计算力学及其工程应用方面开展了积极的研究工作，取得了一定的科技成果。在计算力学方法方面，我省学者系统地发展了土木水利、机械、航空航天等领域常见的梁板壳结构的高效无网格分析方法，该方法采用整体坐标建立板壳无网格近似，不仅简便直接，适用于任意复杂形状的壳体，并且可以避免参数变换，大大提高了计算效率。同时该方法利用稳定节点积分构造离散方程，兼顾了稳定、效率和精度，为快速准确地分析和设计这种类型结构提供了一种有效的数值工具。同时，针对福建省暴雨天气常见的土质边坡失稳而产生的滑坡问题，建立了暴雨条件下土质边坡突发失稳的大变形高效无网格模拟法，该方法可有效模拟失稳剪切带所引发的边坡非线性大变形损伤破坏全过程，实现边坡失稳的高效无网格法全过程仿真分析，可为暴雨条件下边坡工程的设计施工、滑坡灾害的预报、预防和加固处理提供理论依据和指导，有重要的理论和实际工程意义。另外，在杂交元研究方面提出了基于基本变形模式的正交化单元构造方法，不仅概念明晰，而且由于不依赖于材料参数而大大提高了计算效率。并且，在拓扑优化方面提出了类桁架结构连续体的拓扑优化方法，有效地避免了棋盘格问题。这些计算力学方法所取得的研究成果得到了国内外同行的引用和认可。

在工程应用方面，我省学者对汽车减震及管道密封橡胶构件的受力断裂行为进行了非线性有限元和无网格分析和模拟，提出了合理的设计方案。对于大型土木结构例如大跨桥梁、大坝与深水进水塔以及深埋特长隧洞等结构，应用有限元法进行了动力抗震抗风分析，取得了满意的结果，提供了有效的工程服务。另外，应用从微观第一原理到宏观有限元无网格计算的多尺度高性能计算方法，成功地进行了材料微观设计。

虽然我省计算力学研究与应用已经得到快速发展，但在国内仍然处于相对落后的地位，表现在原创性研究偏少，参与解决工程实际问题不够。当前我省相关科研工作者应抓住海西发展的大好时机加大科研力度，争取在高性能计算方法、大规模工程问题数值仿真分析、灾害条件下工程机构性能的计算模拟及评估预防、先进的汽车仿真方法与应用以及高性能材料计算设计等方面取得新的突破，同时密切联系实际，切实提高解决海西建设中的工程技术问题的能力。

4机械动力学与控制

近年来，福州大学、厦门大学、福建农林大学、华侨大学等在机械动力学与控制方面做了不少工作。我省的机械动力学与控制在以下几个方面的研究在国内具有较鲜明的特色和一定的影响力。

4.1 机器人系统动力学与控制问题的研究

福州大学在单臂、多臂、柔性臂空间机器人系统的运动学规划、动力学分析及控制系统设计等方面进行了系统的研究工作。他们研究了载体姿态无扰、末端爪手障碍规避、机械臂关节受限等不同目标要求下的多种运动学规划方法。在控制系统设计方面，分别给出了单、双臂空间机器人关节空间轨迹及末端爪手惯性空间轨迹跟踪的非线性反馈控制、变结构滑模控制、Terminal滑模控制、模糊变结构控制、鲁棒控制、自适应控制、复合自适应控制、终端滑模自适应控制、鲁棒自适应混合控制、自适应Backstepping滑模控制、自适应模糊滑模控制、基于模糊神经网络的动力学控制、基于速度滤波器的鲁棒控制、模糊小波神经网络控制、模糊基函数自适应神经网络控制、基于RBF神经网络的自适应补偿控制、模糊神经网络自学习控制、神经网络前馈控制及闭链双臂空间机器人基于内力优化配置原则的滑模变结构控制、RBF神经网络滑模补偿控制等一系列相关的控制方案[23-35]。在柔性臂空间机器人控制系统设计方面，给出了各类期望运动的Terminal滑模控制、Backstepping反演控制、于奇异摄动法的Backstepping反演控制、关节运动自适应控制及柔性振动的快速实时抑制、运动模糊控制及柔性振动主动抑制、运动鲁棒跟踪控制及柔性振动主动抑制等多种控制方案。其成果以150余篇论文形式，在国内外学术期刊及会议上发表与交流。此外，福州大学还开展了爬墙机器人安全系统的控制研究，对其提出了变结构控制方法、模糊控制方法等[36-37]。

4.2 机械系统动力学研究

福州大学针对立井提升系统动力学与控制、摊铺机和振动压路机动力学分析、以及汽车底盘动力学控制[38-42]等方面进行了系列研究，分析了影响提升设备动力学特性的有关结构参数、运动参数，提出了减少其工作过程振动的变结构控制与模糊控制方法；针对高等级道路建设中重要设备――摊铺机的国产化改造与开发设计，系统研究了其工作原理、动力学特性等，建立了相关的动力学模型，确定了影响整机正常工作的动力学特性及其影响因素；为消化吸收并赶超国外先进的汽车电子控制技术，开展了系统的汽车底盘总成的动力学与电子控制技术的系列研究，其研究成果有助于相关新产品的问世或改进。福州大学还对轴向运动弦线横向振动控制进行了多种控制方法的研究[43-46]，其成果可用于指导相应产品的开发设计。

4.3 研究不足与展望

迄今，还没有系统地将机械动力学及其控制的研究成果应用于产品开发与产品的更新换代中。目前，国内急需高精尖机床的开发技术与动态分析优化技术等。我省目前是工程机械大省，但还不是强省，进一步提高相关产品性能与可靠性，仍然需要开展大量的工作。我省的工程机械产品的更新换代（如集成优化、计算机智能控制等）、工程机械新产品开发设计与分析、汽车整车集成优化与设计分析、新型汽车电子控制系统开发设计、高速设备性能分析与改进、机械设备计算机智能故障诊断、微型机械产品开发设计等等，均以力学的分析研究为其成功的关键。

为改变这个落后局面，尤其是海西经济建设中更好发挥力学的作用，需要政府、企业、高校等投入更多人力物力，更积极主动地对重要机械产品、大批量生产的机械产品与汽车等开展机械动力学分析研究，对相关进口软件进行二次开发或早日开发出自己的专用机械动力学分析软件，以提高企业的产品开发能力与开发速度。同时增强完善实验能力与手段，实现对重要机械产品开展动力学特性实验，以确保产品性能稳定与可靠性。积极利用国内外的动力学研究成果，开展重要设备、大型设备、危险设施或设备的动态故障诊断研究，确保这些设备、设施安全可靠高效地运行。

5细观力学

细观力学是固体力学的一大分支，即采用连续介质力学方法分析具有细观结构的材料的力学问题，是固体力学与材料科学的交叉学科，其发展对固体力学研究层次的深入以及对材料科学规律的定量化表达都有重要意义。

前几年我省在细观力学方面的研究进展不多，近几年来才有所发展。研究主要集中在PZT和PLZT铁电陶瓷的电致疲劳机理，微观电畴原位观测，应力、高温、腐蚀性环境介质等耦合作用下固体材料的微结构和变形断裂行为的演变规律等几个方向：

①根据铁电材料自发应变与自发极化不唯一性，以及晶界的不同取向，提出自发极化过程中材料能量密度是变形梯度和电位移向量的非凸函数，从能量角度出发，导出铁电铁弹材料的自极化稳定构形所应满足的必要条件，利用两电畴的Gibbs 自由能之差作为畴变方向的判据，由要求板的Gibbs 函数最小来确定畴变量的大小。②进行了PZT 铁电陶瓷四点弯曲试样在交变力、交变电场及机电耦合疲劳作用前后的微裂纹和电畴的观察，获得裂纹扩展与极化方向，加载类型之间关系。③发展了一种原位XRD观测电畴系统，对电疲劳过程中PLZT铁电陶瓷试样表面X射线衍射峰随疲劳次数的变化进行了原位观测。同时，利用SEM观察了疲劳前后试样的断口形貌，并系统地进行了电场特征和温度对PLZT试样电疲劳性能影响的实验观测。④基于Raman散射原理，建立原位观测电畴翻转的Raman测试系统，对三种不同预极化处理的PLZT试样在静电场作用、电循环作用下的裂纹尖端的畴变行为进行了系统研究；通过原位Raman观测PLZT材料在准同型相界附近的相变过程。⑤系统进行牛皮质骨在拉伸、剪切、撕裂三种载荷类型下的裂纹起裂韧性研究。研究了皮质骨中矿物成分对皮质骨动态粘弹性性能的影响，发现皮质骨中的矿物质成分存在将降低胶原纤维的可动性，增强材料的粘弹性特性。⑥对牙齿等生物复合材料的性能进行了研究，发现牙齿具有很明显的压电效应，压电性能与湿度和细管的分布密切相关。⑦研究在不同保护气氛中，不同退火温度对碳化硅纤维的材料断裂强度的影响，揭示了微结构的演变和宏观性能之间的相互关系。2004年3月29～31日，张颖教授于厦门组织召开了全国细观力学会议，清华大学，中科院力学所，浙江大学，同济大学，复旦大学等国内知名高校和研究所的众多教授、专家参加了本次会议。

细观力学和微纳米力学在全球、全国范围内正在迅速扩展和深入，具有多学科交叉的强烈特征，国际竞争非常激烈。我省学者在细观力学方面和微纳米力学方面的投入较少，今后应该在非线性，动态，多物理场，跨尺度、尺度效应，微纳米力学和器件等方面加大研究投入。

6实验力学

1991年，福建省力学学会成立了实验力学专业委员会。福建省力学学会实验力学专业委员挂靠福州大学土木工程学院。

为更好开展实验力学工作，经过多年多方面努力，我省实验力学条件不断改善。2006年6月福州大学“工程结构福建省高校重点实验室”被批准成立，2008年与台湾大学联合成立了“福建省海峡两岸地震工程研究中心”，2008年“土木工程本科实验教学中心”获批“福建省本科实验教学示范中心”。2008年福州大学土木工程学院实验中心拥有土木综合实验馆、工程结构实验馆、岩土及地下工程实验馆、水利工程实验馆等场馆，总面积超过1.7万多平米，现有仪器设备总价值超过6000万元。其中装备的美国MTS大型结构加载系统价值超过1280万元，共有7个作动器，具备静载全过程、疲劳、多维拟静力和多维拟动力试验功能。此外，正在建设的“福州大学地震模拟振动台三台阵系统”（价值2500余万元）包括三个振动台，其中中间为固定的4m×4m水平三自由度振动台，两边为2.5m×2.5m可移动的水平三自由度振动台各一个，三个台在12m32m的基坑内呈一直线布置，其中边台最大可移动距离10m，可实现多台同步或异步地震输入，拓展了地震模拟实验的空间，该台阵系统将于2009年12月全面建成投入使用。该台阵系统的建成将使福州大学成为目前世界上少数几个拥有地震模拟振动台台阵的单位之一。

7结构力学

结构力学是土木工程专业的专业基础课，涉及建筑工程、结构工程、道路工程、桥隧工程、水利工程及地下工程等。一方面它以高等数学、理论力学、材料力学等课程为基础，另一方面，它又成为钢结构、钢筋混凝土结构、土力学与地基基础、结构抗震等专业课程的基础，在基础课和专业课的学习中起着承前启后的关键作用。

为增强基础教育并提高结构力学在工程中的应用，自上世纪90年代初，我省高校兴起结构力学教学法研究热潮，把结构力学教学改革推向新的高度，对教学内容进行了模块结构改革，将结构力学教学内容归纳为基础型、扩展型和研究型模块。使用高等教育出版社出版的由龙驭球、李廉锟等教授主编的统编教材的同时，在结构动力学部分，融入结构抗风、抗震、车激振动等学科前沿知识，增加了隔震结构动力反应的内容，补充和修正了传统教学内容中关于“伴生自由振动”的相关结论，实现了与学生原有知识的有机融合；有两项重要教研成果：阶梯形变截面梁“图乘贴补简化”计算方法和刚架拱“考虑二阶效应影响线”问题引入课堂讨论，更新了教学内容。

上世纪90年代末，我省结构力学平面教材和多媒体立体化教材建设取得突破，先后出版了《结构力学解题与思考》（陈，中国矿业大学出版社，1999。2007年该书由煤炭工业出版社修订再版）、《广义结构力学及其工程应用》（陈，中国铁道出版社，2003）、《结构力学》（祁皑参编，清华大学出版社，2006）等。

正如王光远院士所指出，结构力学学科呈现出“从狭义到广义，从被动到主动，从确定到不确定，并与结构工程渗透融合”的发展趋势。我国在力学领域的理论研究已位居世界先进行列，但在应用软件的研制方面落后了一大步，具有自主知识产权的应用软件寥若晨星。结构力学作为专业基础教育与国际先进水平接轨，体现现代结构力学教育思想；完善教学资源库建设，加强国际教学交流是当务之急。根据工科专业特点，面向能力培养、面向工程实践、面向信息时代、面向一流水准，应是我省结构力学研究与教学所追求的目标。

参考文献：

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课题组成员：

1、严世榕，福州大学车辆振动与电子控制研究所所长、教授。

2、周瑞忠，福州大学土木工程学院教授（本文顾问）。

3、周克民，华侨大学土木工程学院教授。

4、许传矩，厦门大学数学科学学院教授。

5、王东东，厦门大学建筑与土木学院教授。

6、陈力，福州大学机械工程学院教授。

7、周志东，厦门大学材料学院副教授。