高強度鋼板熱成形關鍵力學問題研究

全球環(huán)境與能源問題的日趨惡化，使汽車輕量化研究成為當今國際汽車行業(yè)和學術界的最新研究方向和永恒的研究主題之一。高強度鋼板的熱成形技術，是當今制造更節(jié)能、更安全轎車車身的最佳途徑。該技術涉及到了十分復雜的金屬材料熱-力-相變等多物理場耦合和多尺度問題，以及熱邊界摩擦非線性力學問題，使得這項新技術的理論研究比常溫下的常規(guī)金屬板材冷沖壓成形研究具有更大的難度。針對這一現(xiàn)狀，本項目對典型高強度硼鋼材料22MnB5進行了大量的高溫力學性能宏、微觀實驗，研究了高強度鋼板連續(xù)快速冷卻與相變條件下熱、力及相變耦合的多物理場塑性流動準則及成形能力，構建了宏、微觀結合的多尺度熱塑性大變形本構理論模型；在此基礎上，建立了基于動力顯式和靜力顯式兩大類算法的熱塑性成形大變形有限元算法；通過實驗檢測和理論分析推導了考慮板料上下表面接觸的熱傳導溫度分布模型和三維實體的四面體溫度場模型，使之能夠更加真實地模擬熱沖壓合模的熱邊界條件和熱傳導條件對模具冷卻效果和板料淬火過程的仿真和優(yōu)化，成功將上述理論模型引入自主研發(fā)的熱成形數(shù)值仿真模擬軟件KMAS/HF（King Mesh Anaysis System/Hot Forming）中，實現(xiàn)了熱成形關鍵力學問題研究的成果轉化。同時，本項目還對典型熱成形車身關鍵零部件碰撞安全性結構拓撲優(yōu)化進行了研究，采用量綱分析法建立了熱成形高強度鋼冷卻速率-強度硬度規(guī)律指數(shù)模型，通過實驗和典型算例比較各種仿真分析列式在問題優(yōu)化求解效率，可行域性態(tài)特性等的優(yōu)劣，確定了對所研究問題最為合適的虛擬“樣機”流程列式，本項目對高強鋼熱成形關鍵力學問題進行了全面深入的研究，進而為解決車身輕量化采用的高強度鋼板熱成形工藝所面臨的力學難題提供了有共性意義的理論、方法和關鍵技術。 2100433B

全球環(huán)境與能源問題的日趨惡化，使汽車的輕量化研究成為當今國際汽車行業(yè)和學術界的最熱點的研究方向和永恒的研究主題之一。轎車車身重量占整車重量的相當大比重，減小白車身自重是降油耗及減排放的最有效措施之一。高強度鋼板的熱成形技術，是當今制造更節(jié)能、更安全轎車車身的最佳途徑。本項目將針對轎車車身關鍵結構零部件輕量化設計制造所亟待解決的關鍵力學問題，諸如：涉及熱－力－相變耦合多物理場和多尺度本構方程的建立，具有尺度效應的微觀與宏觀材料與力學參數(shù)的實驗測定，相變膨脹、應變率和熱邊界摩擦相關的多物理場彈塑性大變形有限元方法，以及輕量化車身典型結構件的碰撞安全性力學分析與性能優(yōu)化等，凝練科學問題，開展多學科的聯(lián)合研究，為熱成形工藝生產線和熱成形件的模具制造提供強有力的力學基礎支撐。

本申請（重點）項目針對水中懸浮隧道面臨的科技挑戰(zhàn)，設定研究內容為：水流和水波對橋體結構的載荷作用，支撐系統(tǒng)與基礎承載特性，材料和結構的服役完整性，并進行模型試驗和原型橋（Prototype）整體方案優(yōu)化設計。試圖解決水中懸浮隧道涉及的4個最關鍵的力學問題：波流載荷響應，流固土耦合，橋體結構靜、動力學行為，材料與結構的環(huán)境損傷與破壞。研究結果將豐富和發(fā)展水中固體結構的波流載荷響應和流固土耦合力學行為的科學知識，并為世界上第一座水中懸浮隧道（阿基米德橋）的設計和建造提供科學依據和關鍵技術原理，使中國成為阿基米德橋的應用基礎研究和關鍵技術開拓的創(chuàng)始國家之一。

絕熱演化作為一種新型量子計算模型，當它剛被提出時就受到了廣泛的關注。本文在相關絕熱計算研究的基礎上，考慮了在絕熱量子計算環(huán)境下，絕熱搜索算法中若干關鍵問題，研究了絕熱演化路徑的適用性、絕熱算法的量子線路模型、先驗概率分布對設計高效絕熱算法的作用、推廣量子態(tài)保真度與絕熱算法性能之間關系等。 本文得到的主要結論是： 1．討論了一般化模型插值路徑在絕熱計算中的局限性。研究發(fā)現(xiàn)，即使系統(tǒng)的保真度不為零，若該模型被賦予不恰當?shù)膶嵗?，相對常?guī)類型絕熱演化，所得到絕熱計算將無優(yōu)勢甚至可能完全失效，即算法時間復雜度無無窮大，從而提示我們在設計絕熱算法時，此類型演化路徑的使用并不能隨意。 2．首次全面地研究了額外驅動哈密頓量在絕熱計算中的實用性，即經過研究發(fā)現(xiàn)，當額外驅動哈密頓量形式固定時，若其前面系數(shù)配置不當?shù)脑挘媒^熱算法將會完全失效；當系統(tǒng)絕熱演化路徑形式相對固定，但允許額外驅動哈密頓量形式變化時，僅特定形式的額外驅動哈密頓量可以被用來提高絕熱算法效率，而此形式正好為已知幾乎所有文獻中所廣泛使用，從而給出這一現(xiàn)象的一種很好解釋。 3．解決了全局絕熱演化的正確量子線路實現(xiàn)問題，所獲的線路模型下時間分片數(shù)與絕熱算法的時間復雜度是一致的，而之前能夠得到的結論是局部絕熱計算的演化時間是與其對應量子線路模型實現(xiàn)時的時間分片數(shù)相吻合的；基于此，首次給出一種非線性絕熱演化的量子線路模型實現(xiàn)。 4．將常規(guī)絕熱搜索算法中所有數(shù)據元素等幅疊加方式看成是以這些數(shù)據元素的先驗概率分布方式組織時的特殊情形，研究了數(shù)據元素的先驗概率分布對絕熱算法性能的影響。并且發(fā)現(xiàn)，若適當利用這些先驗概率分布的信息，相應的絕熱算法性能可以大大得到改善。 5．改進了相關文獻給出布爾函數(shù)估計的絕熱算法設計，得到即使不添加輔助驅動哈密頓量的常規(guī)絕熱演化亦能夠于常數(shù)時間復雜度內實現(xiàn)布爾函數(shù)估計的目標。 6. 證明了具有一般化模型的絕熱演化同樣可以利用系統(tǒng)初末態(tài)之間的保真度來估算對應算法時間復雜度，從而可以擺脫依賴絕熱定理來估算絕熱算法時間復雜性度的限制，同時也為估算絕熱計算所需關鍵系統(tǒng)資源提供導向作用；另一方面，這一研究結果也可以看成是對之前相關文獻中提出相關公開問題的一個部分回答。