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主要学术成绩、创新点及其科学意义

  本研究群体在非线性板壳固体力学、电磁固体力学、智能结构控制、风沙环境力学和滑坡力学等方面取得了一批极具特色且具有较大影响的研究成果。已发表SCI收录论文60余篇，被国内外引用200余次，其中属SCI论文引用130次，单篇引用最高达20次。

1．非线性板壳固体力学：

    非线性板壳固体力学是上世纪非线性科学研究的主要内容之一，并作为固体力学的重要研究内容受到广泛关注。上世纪80年代，郑晓静就非线性板壳固体力学中的著名von Karman轴对称薄板方程的解析方法开展了深入研究，给出圆薄板非线性大变形时的级数解、迭代解和摄动解的解析函数形式、收敛性证明、以及这三类解法之间的关系，从理论上使这一棘手问题得以解决。这一研究受到学术界的高度评价，中国力学学会在推荐郑晓静获首届“中国青年科技奖”给出的评价为“是五十年来该领域最完备的一项研究，处国内外领先地位”，被国务院学位委员会和国家教委授予“有突出贡献的中国博士学位获得者”称号，其专著《圆薄板大挠度及应用》获全国优秀科技图书二等奖等。随后周又和针对谐振弹性元件的圆薄板在静载作用下大变形基础上的自由振动随外载变化的特征开展的定量研究，给出了半解析的有效分析方法与定量结果。这两项研究成果先后获甘肃省科技进步二等奖。

2．电磁固体及智能结构：

    电磁介质结构和超导结构在当前信息、能源、新型交通等高科技领域得到广泛的应用，如与能源工程相关的热核聚变反应堆在强电磁场作用下的超导磁体与第一壁结构、超导发电机、超导传输电线、超导电动机与超导储能装置等，与未来新型交通有关的高速磁悬浮列车等，其装置的使用品质与安全设计直接与其电磁结构在电磁场作用下的力学特性相关联。智能结构和微电机械是当前研究的热点课题之一，多以电磁材料制成的（微）传感器件与致动器件的设计和电-磁-力特征性能以及控制系统作为研究重点。特别在微小尺度下，如在纳米尺度下其力-电-磁-热多场耦合的特征与宏观尺度模式将完全不同，还涉及到跨越不同量级尺度即由小尺度不连续模型向大尺度整体模型的转换与过渡问题等。

本研究群体已在电磁固体结构、压电智能结构动力控制、微电机械等力学特性、基于小波理论的压电控制信号识别与控制的理论分析等方面开展了研究。相关成果多次在“国际理论与应用力学大会”（IUTAM）及其专题研讨会(symposium)上报告，并应邀在国际会议做大会报告；已发表相关SCI收录论文50余篇，获国家科学技术学术著作出版基金资助由科学出版社出版《电磁固体结构力学》专著一部，二项研究项目获省部级科技进步奖。其主要创新点有

(1) 在结构压电主动控制方面，首次给出其非线性问题的定量结果，从理论上揭示了圆板频率主动控制的规律，并证实了热弹性和大振幅振荡对其固有频率和可控性的影响；在智能结构的压电动力控制方面，成功地将最新数学工具小波理论应用到控制程序的定量分析中，给出了有关结构变形模式识别的显示表达式，建立了抑制外界干扰的控制程序，这一控制模式可以有效地避免因压电片由观测溢出与控制溢出耦合而导致的控制失稳。        

   (2) 在超导载流磁体的力学性能研究领域，建立了含有全部变形模式并反映磁弹性相互作用的非线性模型，提出了一全新的半解析半数值的定量分析方法，有效地获得了其磁弹性弯曲问题和磁弹性失稳问题的临界电流，所得理论预测结果与实验良好一致。在此基础上，对于中间支持和非圆形载流超导线圈的几何参数等对临界电流的影响等规律给出了理论预测结果。

   (3) 在铁磁介质板的非线性磁弹性相互作用方面： a.提出倾斜磁场中铁磁板的磁弹性弯曲模型，指出已有工作中经摄动法给出这一问题为磁弹性屈曲模式的不正确，定量揭示了磁场倾斜角的影响为其使磁弹性失稳的临界磁场减小这一涉及结构安全设计的重要规律； b. 以变分原理和直接推导为两条途径对处在横向磁场中的铁磁板的磁弹性屈曲失稳建立了一新的理论模型，所得临界磁场的理论预测值与实验值一致，从而使这一长期遗留的理论预测值较大高于实验值的问题获得解决； c. 对于梁式铁磁板处在面内纵向磁场中的固有频率上升的实验现象，运用变分原理建立了完全不同于现有模型的另一新的理论模型，完成对这一实验现象的理论预测和解释； d. 对于铁磁板运用变分原理建立了统一两类不同性质模型 (它们分别对应于磁弹性屈曲与固有频率上升的两类实验) 的一般模型，给出了其结构处在复杂磁场环境中的磁力表达式；其次，从理论上论证了文献中所有其它理论模型均不能同时模拟已有的两类铁磁板磁弹性力学基础实验现象； e. 对于软铁磁体的磁弹性力学问题建立了广义变分原理，并由此导出了能模拟已有两类典型实验的铁磁体磁弹性力学模型，从而为复杂形状的铁磁结构如壳体的磁弹性力学特征的模拟提供了合理的理论模型； f. 对于铁磁板壳结构的非线性磁弹性相互作用的力学特征建立了定量分析的数值程序；并对几何非线性变形的铁磁简支梁式板在外加磁场中的磁弹塑性屈曲与后屈曲、弯曲与失稳后的力学特征等问题实现了定量分析。 

   (4) 对于弹性轨道上磁悬浮列车的动力控制稳定性问题，分别采用分支理论的算法和Liapunov指数给出了控制参数的稳定性区域与系统稳定性的判别方法，建立了轨道变形、磁悬浮与控制系统相耦合的定量模拟程序，并从理论上分析了二级悬浮多自由度系统弹簧非线性因素对系统稳定性的影响以及出现分叉与混沌的参数范围，从而为实际高速磁悬浮列车的动力稳定性研究奠定了基础。

(5) 对于利用表面波测量回转角速度的压电陶瓷体，给出了包含科氏惯性力与离心惯性力影响的表面波波速特征关系，并论证了离心惯性力的影响与科氏惯性力的影响为同量级进而前者不应在理论分析中被略去 (以往的理论分析通常根据基本方程中的角速度量级比较而略去离心惯性力的影响项)；并且从理论上给出了回转体表面声波的存在性证明。

本研究群体与国际电磁固体力学和智能结构领域方面的著名学者和研究组一直保持良好和密切的联系：国际电磁固体力学知名学者Kenzo Miya教授所领导的日本东京大学核工程研究实验室以日本电磁材料与力学学会的名义向兰州大学捐资300万日元设立研究生奖励基金，以保持和推动双边的长期合作研究；美国国家工程院院士、国际电磁固体力学开创人、美国康乃尔大学理论与应用力学系两任主任Y.H.Pao(鲍亦兴)教授与F.C. Moon教授先后来兰州大学讲学并与本研究团队开展学术交流。鲍教授专门致信本群体负责人周又和称赞“兰州大学力学系，近以电磁力学之研究闻名国内。经与师生座谈，果然名不虚传”。Moon教授也就本群体与美国康乃尔大学理论与应用力学系在今后人才培养与合作研究签署了备忘协议。

3．风沙运动的力学机理与滑坡的力学分析：

我国西部广大地区地处沙漠（或沙漠化）、高寒冻土和湿陷性黄土地带，由此产生的风沙灾害、滑坡灾害、与冻土融冻过程给西部地区的社会、经济发展和人民生活造成极大损失和危害。力学工作者在对这些自然现象的客观认识和灾害的准确预报中有着明显的学科优势。本群体参与组织“973”项目“中国北方沙漠化过程及其防治研究”的工作并主持第二课题“风沙运动的力学机理与土壤风蚀的定量研究”。近五年来，本群体在地学学科等重要学术期刊已发表学术论文30余篇，其中SCI收录论文10余篇，包括影响因子大于2.0的有5篇（JGR 3 篇，PRE 1篇， EPJE 1篇），表明相关工作已开始得到学术界特别是地学界的关注。如周又和等人在《Physical Review E》上发表的关于提高输沙率实验数据处理精度的文章是我国风沙运动机理研究方面在此类高层次国际物理学术期刊的第一篇文章，论文评审人认为：“这是一项引人关注且完整的研究。作者们完成了一系列给人深刻印象的实验，并积累了大量好的数据。受本领域经典工作的启示，他们拟合得到了切实可行的公式。” 又如郑晓静等人近两年在国际地学权威学术期刊《Journal of Geophysical Researches》上连续发表了3篇关于风沙电及其对风沙运动影响的实验测量与理论模拟论文（具不完全统计，国内风沙领域近50年来在这一高级别学术期刊上发表的学术论文仅在6篇左右），均受到评审人的高度评价：“这一研究处理了一个极其重要的课题，是为数不多的给出沙粒电荷与临界风速和输沙率标准方程关系有力解释的研究之一。论文具有潜在重要的贡献。”、“这一论文的确包含原创性的内容。新的结果主要是跃移粒子电荷的测量与电荷对粒子运动的影响。”、“这一论文是相当有趣的，并且对于陆地与行星（如火星）表面大气层里的尘土跃移计算将是有用的。”、“文章大大改进了原有观点。它给出了一个关于跃移输沙率的全面的理论研究。在处理静电力影响方面，这一理论比已有工作更透彻。”等等。其研究成果的主要创新点有

(1) 通过输沙率的风洞实验测量，提出了关于单宽输沙率这一重要物理量实验数据的高精度处理程序与方法，在此基础上给出了由实验测量结果的合理拟合公式，这为规范多达50余种单宽输沙率公式的适用性提供了基础。

(2) 通过风洞实验，测量了“均匀沙”与混合沙的风沙电现象，获得了沙粒带电与风沙电场的定量分布结果；通过考虑沙粒带电和风场与沙粒运动的相互耦合作用，定量研究了沙粒带电对沙粒运动及宏观输沙率等物理量的影响规律；通过考虑蠕移、跃移和悬移等风沙基本运动，给出与实验测量结果具有一致性的风沙电场分布的理论预测方法和定量结果。

(3) 建立了沙粒与沙床面的随机碰撞模式，由此获得的沙粒起跳初速度分布函数与风洞内由粒子动态测量仪对贴近地面测得的沙粒运动速度分布相一致。这些结果为风沙运动的跨尺度定量模拟研究奠定了基础。

(4) 在强沙尘暴的风沙介质对电磁波衰减影响研究中，提出考虑沙粒的局部带电的电磁波散射模式，实现对由强沙尘暴导致的电磁波衰减的理论预测，使在强沙尘暴中观测的衰减值一直高于理论预测值30倍左右的原因得以弄清。

 (5) 针对草方格防沙工程，从流体力学基本理论出发，提出流场涡排列模式，在此基础上给出的草方格理论预测尺寸与多年工程实践摸索出的结果相吻合。对于防沙工程中的栅栏，在实现定量分析的基础上，给出其优化设计的基本原则和依据。