2019年度陜西省自然科學(xué)技術(shù)獎勵

2019年度陜西省自然科學(xué)技術(shù)獎勵推薦項目公示內(nèi)容一、項目名稱：功能梯度結(jié)構(gòu)熱機耦合快速計算方法研究及應(yīng)用二、提名者及提名意見：該成果針對不同的問題域采用不同的計算方法，并且使得求解的問題結(jié)合了有限元方法的高效性和解析方法的精確性。在利用快速計算方法對功能梯度材料中熱機耦合的研究過程中，得到了功能梯度結(jié)構(gòu)熱機耦合問題的物理理論模型、功能梯度結(jié)構(gòu)中不同位置的熱源分布的變化規(guī)律和不同的梯度參數(shù)對功能梯度結(jié)構(gòu)熱問題的影響效應(yīng)，形成了功能梯度結(jié)構(gòu)參數(shù)反求及系統(tǒng)集成技術(shù)體系。研究成果得到了廣泛的應(yīng)用并獲得國內(nèi)外相關(guān)專家的一致好評。成果選題前沿，研究起點高，理論上有創(chuàng)新，填補了快速計算方法熱域問題的空白，有重要的學(xué)術(shù)價值和理論意義，對相關(guān)的學(xué)科建設(shè)和經(jīng)濟社會效應(yīng)具有重要的指導(dǎo)意義。成果材料齊全、規(guī)范，無知識產(chǎn)權(quán)糾紛，人員排序無爭議，符合陜西省自然科學(xué)獎提名條件。特提名為陜西省自然科學(xué)獎二等及以上。項目簡介：1、所屬科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域本項目成果主要屬于應(yīng)用基礎(chǔ)研究技術(shù)領(lǐng)域，涉及計算固體力學(xué)、材料學(xué)、數(shù)學(xué)、機械等多學(xué)科交叉。鑒于對變梯度參數(shù)性能的多變性、參數(shù)化模型的不確定性和熱力學(xué)求解的不適定性等難點，本項目提出了快速計算方法理論，建立了功能梯度結(jié)構(gòu)熱機耦合問題的不同熱域環(huán)境下的理論體系；通過研究變梯度參數(shù)模型的熱問題，率先形成了快速計算方法應(yīng)用于功能梯度熱機耦合問題的物理模型，獲取了熱分布特征信息，填補了快速計算方法在熱域問題研究的空白，并通過CAE技術(shù)探究評估了結(jié)果的科學(xué)性與準(zhǔn)確性。2、主要研究內(nèi)容（1）功能梯度結(jié)構(gòu)熱機耦合問題快速計算方法研究由于功能梯度結(jié)構(gòu)具有材料非線性和熱機耦合復(fù)雜邊界條件等結(jié)構(gòu)特點，以功能梯度材料熱力學(xué)模型為基礎(chǔ)，基于提出的快速計算方法理論建立熱機耦合的功能梯度結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，探究功能梯度結(jié)構(gòu)在熱機耦合條件下的結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)特點及功能梯度材料梯度參數(shù)對熱問題的影響規(guī)律，得到不同梯度參數(shù)在不同熱機耦合條件下結(jié)構(gòu)性能最優(yōu)的可靠模型。（2）功能梯度結(jié)構(gòu)熱機耦合模型快速計算方法的可靠性評估通過仿真計算模型優(yōu)化分析和特征參數(shù)的提取，研究基于快速計算理論求解功能梯度結(jié)構(gòu)熱機耦合模型的可靠性評估及其參數(shù)估計方法，形成系統(tǒng)可靠性方法的檢驗標(biāo)準(zhǔn)。（3）功能梯度結(jié)構(gòu)熱機耦合參數(shù)反求及有限元CAE技術(shù)研究針對功能梯度結(jié)構(gòu)的熱機耦合問題進行熱參數(shù)反求計算，建立功能梯度材料損傷程度、結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力、作用載荷等多參數(shù)同可靠模型之間的關(guān)系，并給出了反求熱機耦合模型的算法理論，得出了計算模型和反求模型間的正反參數(shù)變化規(guī)律，形成快速計算方法解決功能梯度結(jié)構(gòu)熱機耦合問題的系統(tǒng)集成方法。3、創(chuàng)新點（1）提出了功能梯度結(jié)構(gòu)熱機耦合問題的理論模型，實現(xiàn)了變梯度參數(shù)模型的熱機耦合的應(yīng)用。該理論模型結(jié)合功能梯度材料的結(jié)構(gòu)特性,建立了線性組份的功能梯度結(jié)構(gòu)模型，實現(xiàn)了快速而精確求解功能梯度材料熱傳導(dǎo)特性的目的。率先提出了快速計算方法應(yīng)用于熱域的研究，解決了功能梯度結(jié)構(gòu)參數(shù)性能的多變性，參數(shù)化模型的不確定性等難點問題。本成果開發(fā)出求解普適于功能梯度結(jié)構(gòu)熱機耦合問題的有效計算方法，采用的快速計算方法提升了熱機耦合問題的計算效率和精度，得到了全新的求解熱機耦合問題的新思路。首次將快速計算方法應(yīng)用于變梯度參數(shù)的功能梯度材料熱問題的研究中，為功能梯度結(jié)構(gòu)的研究提供了新思路。在不同的問題域內(nèi)采用不同的計算方法，針對變梯度參數(shù)的功能梯度材料應(yīng)用快速計算方法，得到了變梯度功能梯度材料熱傳導(dǎo)問題的溫度分布以及熱傳導(dǎo)特性，建立了正確的熱機耦合問題的參數(shù)化識別方法。率先提出了快速計算方法的熱域問題的反求技術(shù)，實現(xiàn)了該方法的理論封閉。提出基于變梯度參數(shù)實驗?zāi)Ｐ偷臋z驗方法，結(jié)合成熟數(shù)值算法和條單元法實現(xiàn)數(shù)值模擬模型的確認(rèn)，準(zhǔn)確實現(xiàn)模型可信度水平的量化，基于高效精確的計算方法實現(xiàn)發(fā)展模型的校正，開發(fā)出求解普適于功能梯度結(jié)構(gòu)熱力學(xué)性能研究的集成軟件包。并且該驗證方法通過CAE技術(shù)對材料組份呈線性變化的功能梯度板在熱源載荷作用下的溫度分布進行模擬仿真，得到了不同位置點空間域以及時間域的溫度變化規(guī)律，將快速計算方法的溫度解與CAE技術(shù)的溫度分布解的對比，對快速計算方法的科學(xué)性進行驗證。4、科學(xué)價值本成果首次實現(xiàn)了快速計算方法在功能梯度結(jié)構(gòu)熱機耦合域的應(yīng)用，以不同方向采用不同方法進行高效分析，針對航空航天等領(lǐng)域常用的功能梯度材料的熱機耦合問題進行研究，既保證了計算的高效性又保證了結(jié)果的精確性。此成果應(yīng)用于變梯度功能材料熱機耦合技術(shù)及CAE高級數(shù)值仿真研究中，是應(yīng)用領(lǐng)域的推廣，為熱域的研究提供了另一條新思路。所提出的數(shù)值計算理論對于企業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量的提升起到了關(guān)鍵性的指導(dǎo)作用，為其他領(lǐng)域擴展此方法打下了堅實的理論基礎(chǔ)。產(chǎn)品的優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于企業(yè)中，得到了企業(yè)的認(rèn)可，并在CAE高級數(shù)值仿真領(lǐng)域有了一定的影響力。本項目共發(fā)表100篇論文，其中SCI計40多篇，EI計60多篇，他引四百多次，授權(quán)專利5項，培養(yǎng)研究生4名。相關(guān)研究成果被MathematicalProblemsinEngineering,CMES,InternationalJournalofHeatandMassTrans等知名期刊引用十余次并作評論。采用快速計算方法研究功能梯度結(jié)構(gòu)熱機耦合問題，解決熱邊值條件施加的技術(shù)難點問題，開發(fā)了基于高效的快速計算方法解決實際工程熱機耦合問題的集成系統(tǒng)，形成普適性的結(jié)果，為國際上熱域內(nèi)的新方法研究提供了較高的參考價值，相關(guān)的科研成果得到了較高的評價。四、客觀評價快速計算方法的成功研發(fā)，為功能梯度材料的計算提高了精度與效率，在此成果的基礎(chǔ)上，團隊共發(fā)表論文100多篇（SCI檢索40多篇，均發(fā)表在國際權(quán)威雜志），EI學(xué)術(shù)論文60余篇。8篇代表性論文的累積他引次數(shù)近90余次。申請或授權(quán)專利10多項，編寫著作10多部。部分成果獲得2018年陜西省高?？茖W(xué)技術(shù)二等獎，西安工業(yè)大學(xué)科學(xué)技術(shù)二等獎，陜西省優(yōu)秀論文三等獎，陜西省創(chuàng)新成果二等獎等多個獎項。依托本成果發(fā)表的SCI論文得到國際權(quán)威專家的肯定評價：第三方代表性客觀評價摘錄如下：本項目所列的8篇代表性成果，被POLYMERCOMPOSI（IF=1.943）,MATERIALS（IF=2.467），INTERNATIONALCOMMUNICATIONSINHEATANDMASSTRANSFER（IF=4.03），CMES-COMPUTERMODELINGINENGINEERING&SCIENCES（IF=0.706），應(yīng)用力學(xué)學(xué)報，物理學(xué)報等國內(nèi)外知名期刊所引用。顯示出本項目的研究成果獲得國內(nèi)外專家的高度認(rèn)可。第三方代表性客觀評價摘錄如下：(1)發(fā)現(xiàn)點1所提出的功能梯度結(jié)構(gòu)熱機耦合問題的物理理論模型，解決了長期以來功能梯度材料在構(gòu)建相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，求解相關(guān)理論解的難題，提供了一定的理論依據(jù)。為求解功能梯度材料問題提供了一種新的思路的方法。重慶大學(xué)航空航天工程學(xué)院院長寧湖教授在引文中推介了該發(fā)現(xiàn)點，稱功能梯度材料的實際材料結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，很難用傳統(tǒng)方式預(yù)先定義簡單函數(shù)，發(fā)現(xiàn)點1所提出的功能梯度結(jié)構(gòu)熱機耦合問題的物理理論模型，在構(gòu)建的相應(yīng)數(shù)學(xué)模型方面具有特殊優(yōu)勢（代表引文5）。(2)發(fā)現(xiàn)點2首次提出了快速計算方法應(yīng)用于熱域的研究，發(fā)表于國際著名傳熱期刊INTERNATIONALCOMMUNICATIONSINHEATANDMASSTRANSFER中，開發(fā)出求解普適于功能梯度結(jié)構(gòu)熱機耦合問題的有效計算方法，使所求解的問題結(jié)合了有限元方法的高效性和解析方法的精確性,解決了解析法的應(yīng)用局限性和傳統(tǒng)數(shù)值法的精確性較差等問題，并將該計算方法擴展于新的計算領(lǐng)域。臺灣國立成功大學(xué)的Chen在論文Estimationforinnersurfacegeometryofatwo-layer-wallfurnacewithinnerwallmadeoffunctionallygradedmaterials中推介了該發(fā)現(xiàn)點，Chen將共軛梯度法和差分原理的逆算法這種與快速計算方法相似的研究方法應(yīng)用于求解傳熱反問題，在論文中肯定了這種理論方法的準(zhǔn)確性。（代表引文4）。\o"巴基斯坦"巴基斯坦薩哈德科技信息技術(shù)大學(xué)的ZeeshanKhan在引文推介了該發(fā)現(xiàn)點，稱具有不同梯度參數(shù)的功能梯度材料板在外熱源載荷作用下的熱傳導(dǎo)研究，采用了對控制方程進行建模，然后進行解析和數(shù)值求解的方法，為內(nèi)熱源的研究提出了解決方案。（代表引文1）。(3)發(fā)現(xiàn)點3首次將快速計算方法應(yīng)用于變梯度參數(shù)的功能梯度材料熱問題的研究中，該研究成果發(fā)表于期刊InternationalJournalofHeatandMassTransfer，SCI他引2次。福建工業(yè)大學(xué)的Lian在引文推介了該發(fā)現(xiàn)點，稱通過合理設(shè)計功能梯度材料的組分，可以使其組成和結(jié)構(gòu)根據(jù)需要呈現(xiàn)連續(xù)梯度變化，這種結(jié)構(gòu)特點使材料的熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力得到緩解（代表引文3）。五﹑代表性論文專著目錄J.H.

Tian,K.Jiang.

Heatconductioninvestigationofthefunctionallygradedmaterialsplateswithvariablegradientparametersunderexponentialheatsourceload.InternationalJournalofHeatandMassTransfer.2018,122：22－30（SCI源刊收錄）J.H.

Tian,L.L.Ma.TheDisplacementAnalysisInvestigationforVariableGradientParametersFunctionallyGradedMaterialsBasedonStripElement.MathematicalProblemsinEngineering.2018,2018：1－9（SCI源刊收錄）J.H.

Tian,

K.

Jiang.

Heat

Conduction

Investigation

of

Functionally

Graded

Material

Plates

Under

Exponential

Heat

Source

Load.

Numerical

Heat

Transfer

Part

A.2017,72(2):141-152（SCI源刊收錄）J.H.Tian,X.Han,S.Y.Long,G.Q.Xie.Ananalysisoftheheatconductionproblemforplateswiththefunctionallygradedmaterialusingthehybridnumericalmethod.Computers,Materials,&Continua,2009，10（3）:229-242.（SCI源刊收錄）J.H.Tian,X.Han,S.Y.Long,Y.Cao,G.Y.Sun,G.Q.Xie.Ananalysisofthetransientheatconductionproblemforplateswiththefunctionallygradedmaterialusingthehybridnumericalmethod.ComputerModelinginEngineering&Sciences,2010，63（2）：101-116.（SCI源刊收錄）DingFeng,HeZhengjia.Cuttingtoolwearmonitoringforreliabilityanalysisusingproportionalhazardsmodel.InternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology.2011,57:565-574.（SCI源刊收錄）LiYuyan，LiXiaoling，HuangXieqing.Researchonfactorsinfluencingthemechanicalpropertiesofmetallicrubber.Mechanicsofcompositematerials,2011,47:571~580.（SCI源刊收錄）J.H.Tian,X.Han,G.R.Liu,S.Y.Long,J.Q.Qin.Investigation1oftheSiCnano-barrelaxationcharacteristics.ActaPhysicaSinica:2007,56（02）:643－648.（SCI源刊收錄）主要完成人員情況：姓名排名職務(wù)/職稱工作單位完成單位對項目的主要學(xué)術(shù)和技術(shù)創(chuàng)造性貢獻田建輝1副教授西安工業(yè)大學(xué)西安工業(yè)大學(xué)負(fù)責(zé)總體項目進展龍述堯2教授湖南大學(xué)湖南大學(xué)理論推導(dǎo)及算法研究丁鋒3教授西安工業(yè)大學(xué)西安工業(yè)大學(xué)理論計算及程序編制李宇燕4副教授西安工業(yè)大學(xué)西安工業(yè)大學(xué)程序調(diào)試及力學(xué)測蔣科5工程師西安工業(yè)大學(xué)西安工業(yè)大學(xué)算例驗證及報告整馬輪輪6工程師西安工業(yè)大學(xué)西安工業(yè)大學(xué)理論推導(dǎo)及程序編七、完成單位單位情況：完成單位排序及貢獻：1．西安工業(yè)大學(xué)：項目總體規(guī)劃及實施。2．湖南大學(xué)：技術(shù)合作及支持。八、完成人合作關(guān)系說明該項目成果是由西安工業(yè)大學(xué)的田建輝副教授所負(fù)責(zé)的“復(fù)雜工程動態(tài)設(shè)計及仿真創(chuàng)新團隊”共同研發(fā)完成的，取得了快速計算方法領(lǐng)域的重要理論和應(yīng)用研究成果。（1）本項目完成過程中，第1完成人田建輝作為項目負(fù)責(zé)人在項目中負(fù)責(zé)總體項目進展，主持項目研究；項目第2、3、4、5、6位完成人，作為課題組主要完成人員，先后參與了上述課題的理論研究和相關(guān)的研究應(yīng)用。（2）項目六