2019年度陜西省自然科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)

2019年度陜西省自然科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)推薦項(xiàng)目公示內(nèi)容一、項(xiàng)目名稱：功能梯度結(jié)構(gòu)熱機(jī)耦合快速計(jì)算方法研究及應(yīng)用二、提名者及提名意見(jiàn)：該成果針對(duì)不同的問(wèn)題域采用不同的計(jì)算方法，并且使得求解的問(wèn)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(jì)算方法對(duì)功能梯度材料中熱機(jī)耦合的研究過(guò)程中，得到了功能梯度結(jié)構(gòu)熱機(jī)耦合問(wèn)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(duì)功能梯度結(jié)構(gòu)熱問(wèn)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(guó)內(nèi)外相關(guān)專家的一致好評(píng)。成果選題前沿，研究起點(diǎn)高，理論上有創(chuàng)新，填補(bǔ)了快速計(jì)算方法熱域問(wèn)題的空白，有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和理論意義，對(duì)相關(guān)的學(xué)科建設(shè)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)效應(yīng)具有重要的指導(dǎo)意義。成果材料齊全、規(guī)范，無(wú)知識(shí)產(chǎn)權(quán)糾紛，人員排序無(wú)爭(zhēng)議，符合陜西省自然科學(xué)獎(jiǎng)提名條件。特提名為陜西省自然科學(xué)獎(jiǎng)二等及以上。項(xiàng)目簡(jiǎn)介：1、所屬科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域本項(xiàng)目成果主要屬于應(yīng)用基礎(chǔ)研究技術(shù)領(lǐng)域，涉及計(jì)算固體力學(xué)、材料學(xué)、數(shù)學(xué)、機(jī)械等多學(xué)科交叉。鑒于對(duì)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(diǎn)，本項(xiàng)目提出了快速計(jì)算方法理論，建立了功能梯度結(jié)構(gòu)熱機(jī)耦合問(wèn)題的不同熱域環(huán)境下的理論體系；通過(guò)研究變梯度參數(shù)模型的熱問(wèn)題，率先形成了快速計(jì)算方法應(yīng)用于功能梯度熱機(jī)耦合問(wèn)題的物理模型，獲取了熱分布特征信息，填補(bǔ)了快速計(jì)算方法在熱域問(wèn)題研究的空白，并通過(guò)CAE技術(shù)探究評(píng)估了結(jié)果的科學(xué)性與準(zhǔn)確性。2、主要研究?jī)?nèi)容（1）功能梯度結(jié)構(gòu)熱機(jī)耦合問(wèn)題快速計(jì)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(jī)耦合復(fù)雜邊界條件等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(jì)算方法理論建立熱機(jī)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(jī)耦合條件下的結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)特點(diǎn)及功能梯度材料梯度參數(shù)對(duì)熱問(wèn)題的影響規(guī)律，得到不同梯度參數(shù)在不同熱機(jī)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(jī)耦合模型快速計(jì)算方法的可靠性評(píng)估通過(guò)仿真計(jì)算模型優(yōu)化分析和特征參數(shù)的提取，研究基于快速計(jì)算理論求解功能梯度結(jié)構(gòu)熱機(jī)耦合模型的可靠性評(píng)估及其參數(shù)估計(jì)方法，形成系統(tǒng)可靠性方法的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。（3）功能梯度結(jié)構(gòu)熱機(jī)耦合參數(shù)反求及有限元CAE技術(shù)研究針對(duì)功能梯度結(jié)構(gòu)的熱機(jī)耦合問(wèn)題進(jìn)行熱參數(shù)反求計(jì)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(jī)耦合模型的算法理論，得出了計(jì)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(jì)算方法解決功能梯度結(jié)構(gòu)熱機(jī)耦合問(wèn)題的系統(tǒng)集成方法。3、創(chuàng)新點(diǎn)（1）提出了功能梯度結(jié)構(gòu)熱機(jī)耦合問(wèn)題的理論模型，實(shí)現(xiàn)了變梯度參數(shù)模型的熱機(jī)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(shí)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(jì)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(diǎn)問(wèn)題。本成果開(kāi)發(fā)出求解普適于功能梯度結(jié)構(gòu)熱機(jī)耦合問(wèn)題的有效計(jì)算方法，采用的快速計(jì)算方法提升了熱機(jī)耦合問(wèn)題的計(jì)算效率和精度，得到了全新的求解熱機(jī)耦合問(wèn)題的新思路。首次將快速計(jì)算方法應(yīng)用于變梯度參數(shù)的功能梯度材料熱問(wèn)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(wèn)題域內(nèi)采用不同的計(jì)算方法，針對(duì)變梯度參數(shù)的功能梯度材料應(yīng)用快速計(jì)算方法，得到了變梯度功能梯度材料熱傳導(dǎo)問(wèn)題的溫度分布以及熱傳導(dǎo)特性，建立了正確的熱機(jī)耦合問(wèn)題的參數(shù)化識(shí)別方法。率先提出了快速計(jì)算方法的熱域問(wèn)題的反求技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了該方法的理論封閉。提出基于變梯度參數(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臋z驗(yàn)方法，結(jié)合成熟數(shù)值算法和條單元法實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬模型的確認(rèn)，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)模型可信度水平的量化，基于高效精確的計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)發(fā)展模型的校正，開(kāi)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(yàn)證方法通過(guò)CAE技術(shù)對(duì)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(jìn)行模擬仿真，得到了不同位置點(diǎn)空間域以及時(shí)間域的溫度變化規(guī)律，將快速計(jì)算方法的溫度解與CAE技術(shù)的溫度分布解的對(duì)比，對(duì)快速計(jì)算方法的科學(xué)性進(jìn)行驗(yàn)證。4、科學(xué)價(jià)值本成果首次實(shí)現(xiàn)了快速計(jì)算方法在功能梯度結(jié)構(gòu)熱機(jī)耦合域的應(yīng)用，以不同方向采用不同方法進(jìn)行高效分析，針對(duì)航空航天等領(lǐng)域常用的功能梯度材料的熱機(jī)耦合問(wèn)題進(jìn)行研究，既保證了計(jì)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(jī)耦合技術(shù)及CAE高級(jí)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(jì)算理論對(duì)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(kuò)展此方法打下了堅(jiān)實(shí)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(jí)數(shù)值仿真領(lǐng)域有了一定的影響力。本項(xiàng)目共發(fā)表100篇論文，其中SCI計(jì)40多篇，EI計(jì)60多篇，他引四百多次，授權(quán)專利5項(xiàng)，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(píng)論。采用快速計(jì)算方法研究功能梯度結(jié)構(gòu)熱機(jī)耦合問(wèn)題，解決熱邊值條件施加的技術(shù)難點(diǎn)問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了基于高效的快速計(jì)算方法解決實(shí)際工程熱機(jī)耦合問(wèn)題的集成系統(tǒng)，形成普適性的結(jié)果，為國(guó)際上熱域內(nèi)的新方法研究提供了較高的參考價(jià)值，相關(guān)的科研成果得到了較高的評(píng)價(jià)。四、客觀評(píng)價(jià)快速計(jì)算方法的成功研發(fā)，為功能梯度材料的計(jì)算提高了精度與效率，在此成果的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)共發(fā)表論文100多篇（SCI檢索40多篇，均發(fā)表在國(guó)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(qǐng)或授權(quán)專利10多項(xiàng)，編寫(xiě)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(jiǎng)，西安工業(yè)大學(xué)科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)，陜西省優(yōu)秀論文三等獎(jiǎng)，陜西省創(chuàng)新成果二等獎(jiǎng)等多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。依托本成果發(fā)表的SCI論文得到國(guó)際權(quán)威專家的肯定評(píng)價(jià)：第三方代表性客觀評(píng)價(jià)摘錄如下：本項(xiàng)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(bào)，物理學(xué)報(bào)等國(guó)內(nèi)外知名期刊所引用。顯示出本項(xiàng)目的研究成果獲得國(guó)內(nèi)外專家的高度認(rèn)可。第三方代表性客觀評(píng)價(jià)摘錄如下：(1)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)1所提出的功能梯度結(jié)構(gòu)熱機(jī)耦合問(wèn)題的物理理論模型，解決了長(zhǎng)期以來(lái)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(wèn)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(zhǎng)寧湖教授在引文中推介了該發(fā)現(xiàn)點(diǎn)，稱功能梯度材料的實(shí)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(jiǎn)單函數(shù)，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)1所提出的功能梯度結(jié)構(gòu)熱機(jī)耦合問(wèn)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(shì)（代表引文5）。(2)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)2首次提出了快速計(jì)算方法應(yīng)用于熱域的研究，發(fā)表于國(guó)際著名傳熱期刊INTERNATIONALCOMMUNICATIONSINHEATANDMASSTRANSFER中，開(kāi)發(fā)出求解普適于功能梯度結(jié)構(gòu)熱機(jī)耦合問(wèn)題的有效計(jì)算方法，使所求解的問(wèn)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(wèn)題，并將該計(jì)算方法擴(kuò)展于新的計(jì)算領(lǐng)域。臺(tái)灣國(guó)立成功大學(xué)的Chen在論文Estimationforinnersurfacegeometryofatwo-layer-wallfurnacewithinnerwallmadeoffunctionallygradedmaterials中推介了該發(fā)現(xiàn)點(diǎn)，Chen將共軛梯度法和差分原理的逆算法這種與快速計(jì)算方法相似的研究方法應(yīng)用于求解傳熱反問(wèn)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(diǎn)，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(duì)控制方程進(jìn)行建模，然后進(jìn)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(diǎn)3首次將快速計(jì)算方法應(yīng)用于變梯度參數(shù)的功能梯度材料熱問(wèn)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(diǎn)，稱通過(guò)合理設(shè)計(jì)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(diǎn)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(duì)項(xiàng)目的主要學(xué)術(shù)和技術(shù)創(chuàng)造性貢獻(xiàn)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(xiàng)目進(jìn)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(jì)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(cè)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(yàn)證及報(bào)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(xiàn)：1．西安工業(yè)大學(xué)：項(xiàng)目總體規(guī)劃及實(shí)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(shuō)明該項(xiàng)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(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及仿真創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”共同研發(fā)完成的，取得了快速計(jì)算方法領(lǐng)域的重要理論和應(yīng)用研究成果。（1）本項(xiàng)目完成過(guò)程中，第1完成人田建輝作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人在項(xiàng)目中負(fù)責(zé)總體項(xiàng)目進(jìn)展，主持項(xiàng)目研究；項(xiàng)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(xiàng)目六