高強(qiáng)度鋼板熱成形關(guān)鍵力學(xué)問題研究結(jié)題摘要

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(dāng)今國(guó)際汽車行業(yè)和學(xué)術(shù)界的最新研究方向和永恒的研究主題之一。高強(qiáng)度鋼板的熱成形技術(shù)，是當(dāng)今制造更節(jié)能、更安全轎車車身的最佳途徑。該技術(shù)涉及到了十分復(fù)雜的金屬材料熱-力-相變等多物理場(chǎng)耦合和多尺度問題，以及熱邊界摩擦非線性力學(xué)問題，使得這項(xiàng)新技術(shù)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(duì)這一現(xiàn)狀，本項(xiàng)目對(duì)典型高強(qiáng)度硼鋼材料22MnB5進(jìn)行了大量的高溫力學(xué)性能宏、微觀實(shí)驗(yàn)，研究了高強(qiáng)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(chǎng)塑性流動(dòng)準(zhǔn)則及成形能力，構(gòu)建了宏、微觀結(jié)合的多尺度熱塑性大變形本構(gòu)理論模型；在此基礎(chǔ)上，建立了基于動(dòng)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(shí)驗(yàn)檢測(cè)和理論分析推導(dǎo)了考慮板料上下表面接觸的熱傳導(dǎo)溫度分布模型和三維實(shí)體的四面體溫度場(chǎng)模型，使之能夠更加真實(shí)地模擬熱沖壓合模的熱邊界條件和熱傳導(dǎo)條件對(duì)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(shí)現(xiàn)了熱成形關(guān)鍵力學(xué)問題研究的成果轉(zhuǎn)化。同時(shí)，本項(xiàng)目還對(duì)典型熱成形車身關(guān)鍵零部件碰撞安全性結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)行了研究，采用量綱分析法建立了熱成形高強(qiáng)度鋼冷卻速率-強(qiáng)度硬度規(guī)律指數(shù)模型，通過實(shí)驗(yàn)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(duì)所研究問題最為合適的虛擬“樣機(jī)”流程列式，本項(xiàng)目對(duì)高強(qiáng)鋼熱成形關(guān)鍵力學(xué)問題進(jìn)行了全面深入的研究，進(jìn)而為解決車身輕量化采用的高強(qiáng)度鋼板熱成形工藝所面臨的力學(xué)難題提供了有共性意義的理論、方法和關(guān)鍵技術(shù)。 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(dāng)今國(guó)際汽車行業(yè)和學(xué)術(shù)界的最熱點(diǎn)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(dāng)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(qiáng)度鋼板的熱成形技術(shù)，是當(dāng)今制造更節(jié)能、更安全轎車車身的最佳途徑。本項(xiàng)目將針對(duì)轎車車身關(guān)鍵結(jié)構(gòu)零部件輕量化設(shè)計(jì)制造所亟待解決的關(guān)鍵力學(xué)問題，諸如：涉及熱－力－相變耦合多物理場(chǎng)和多尺度本構(gòu)方程的建立，具有尺度效應(yīng)的微觀與宏觀材料與力學(xué)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定，相變膨脹、應(yīng)變率和熱邊界摩擦相關(guān)的多物理場(chǎng)彈塑性大變形有限元方法，以及輕量化車身典型結(jié)構(gòu)件的碰撞安全性力學(xué)分析與性能優(yōu)化等，凝練科學(xué)問題，開展多學(xué)科的聯(lián)合研究，為熱成形工藝生產(chǎn)線和熱成形件的模具制造提供強(qiáng)有力的力學(xué)基礎(chǔ)支撐。

本申請(qǐng)（重點(diǎn)）項(xiàng)目針對(duì)水中懸浮隧道面臨的科技挑戰(zhàn)，設(shè)定研究?jī)?nèi)容為：水流和水波對(duì)橋體結(jié)構(gòu)的載荷作用，支撐系統(tǒng)與基礎(chǔ)承載特性，材料和結(jié)構(gòu)的服役完整性，并進(jìn)行模型試驗(yàn)和原型橋（Prototype）整體方案優(yōu)化設(shè)計(jì)。試圖解決水中懸浮隧道涉及的4個(gè)最關(guān)鍵的力學(xué)問題：波流載荷響應(yīng)，流固土耦合，橋體結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力學(xué)行為，材料與結(jié)構(gòu)的環(huán)境損傷與破壞。研究結(jié)果將豐富和發(fā)展水中固體結(jié)構(gòu)的波流載荷響應(yīng)和流固土耦合力學(xué)行為的科學(xué)知識(shí)，并為世界上第一座水中懸浮隧道（阿基米德橋）的設(shè)計(jì)和建造提供科學(xué)依據(jù)和關(guān)鍵技術(shù)原理，使中國(guó)成為阿基米德橋的應(yīng)用基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)開拓的創(chuàng)始國(guó)家之一。

絕熱演化作為一種新型量子計(jì)算模型，當(dāng)它剛被提出時(shí)就受到了廣泛的關(guān)注。本文在相關(guān)絕熱計(jì)算研究的基礎(chǔ)上，考慮了在絕熱量子計(jì)算環(huán)境下，絕熱搜索算法中若干關(guān)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(yàn)概率分布對(duì)設(shè)計(jì)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(guān)系等。 本文得到的主要結(jié)論是： 1．討論了一般化模型插值路徑在絕熱計(jì)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(dāng)?shù)膶?shí)例，相對(duì)常規(guī)類型絕熱演化，所得到絕熱計(jì)算將無優(yōu)勢(shì)甚至可能完全失效，即算法時(shí)間復(fù)雜度無無窮大，從而提示我們?cè)谠O(shè)計(jì)絕熱算法時(shí)，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(qū)動(dòng)哈密頓量在絕熱計(jì)算中的實(shí)用性，即經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)額外驅(qū)動(dòng)哈密頓量形式固定時(shí)，若其前面系數(shù)配置不當(dāng)?shù)脑挘媒^熱算法將會(huì)完全失效；當(dāng)系統(tǒng)絕熱演化路徑形式相對(duì)固定，但允許額外驅(qū)動(dòng)哈密頓量形式變化時(shí)，僅特定形式的額外驅(qū)動(dòng)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(xiàn)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(shí)現(xiàn)問題，所獲的線路模型下時(shí)間分片數(shù)與絕熱算法的時(shí)間復(fù)雜度是一致的，而之前能夠得到的結(jié)論是局部絕熱計(jì)算的演化時(shí)間是與其對(duì)應(yīng)量子線路模型實(shí)現(xiàn)時(shí)的時(shí)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(shí)現(xiàn)。 4．將常規(guī)絕熱搜索算法中所有數(shù)據(jù)元素等幅疊加方式看成是以這些數(shù)據(jù)元素的先驗(yàn)概率分布方式組織時(shí)的特殊情形，研究了數(shù)據(jù)元素的先驗(yàn)概率分布對(duì)絕熱算法性能的影響。并且發(fā)現(xiàn)，若適當(dāng)利用這些先驗(yàn)概率分布的信息，相應(yīng)的絕熱算法性能可以大大得到改善。 5．改進(jìn)了相關(guān)文獻(xiàn)給出布爾函數(shù)估計(jì)的絕熱算法設(shè)計(jì)，得到即使不添加輔助驅(qū)動(dòng)哈密頓量的常規(guī)絕熱演化亦能夠于常數(shù)時(shí)間復(fù)雜度內(nèi)實(shí)現(xiàn)布爾函數(shù)估計(jì)的目標(biāo)。 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(duì)應(yīng)算法時(shí)間復(fù)雜度，從而可以擺脫依賴絕熱定理來估算絕熱算法時(shí)間復(fù)雜性度的限制，同時(shí)也為估算絕熱計(jì)算所需關(guān)鍵系統(tǒng)資源提供導(dǎo)向作用；另一方面，這一研究結(jié)果也可以看成是對(duì)之前相關(guān)文獻(xiàn)中提出相關(guān)公開問題的一個(gè)部分回答。