|
項目名稱： 電磁材料結構多場耦合非線性力學行為的理論研究
推薦單位： 教育部
項目簡介： 本項目屬固體力學學科，與數學、物理、控制等學科密切關聯。
電磁材料結構在電磁場環境中的力學行為是新型能源裝置以及智能結構和器件研制的一個重要依據，并由于其明顯的多場耦合和非線性特征，導致一直缺乏可靠的定量預測，進而也影響到相關理論模型的正確建立。本項目通過研究：1）鐵磁可變形體的磁彈性廣義變分原理及磁力表征；2）超磁致伸縮材料的本構關系；3）多場耦合非線性力學的定量分析方法；4）電磁材料結構關鍵力學行為的理論揭示，實現了對具有多場耦合和多重非線性特征的電磁材料板殼結構彎曲、失穩、振動和控制等基本問題的定量分析，發現并定量揭示出電磁材料結構多場耦合問題的非線性本質特征和按通常解耦方法處理所丟失的關鍵力學行為。
本項目針對鐵磁、超磁致伸縮材料和高溫超導體及其懸浮系統所建立的基本理論模型，解決了相關理論預測結果與實驗長期不符的難題，闡明了相關結構力學行為發生的機理；所提出的壓電小波控制模式，避免了傳統模式可能存在的控制失穩。由此形成了一條對電磁材料結構力學行為定量分析和預測的合理、完整、可行的研究路線，發展并推進了電動力學與連續介質力學的有機結合，豐富并完善了電磁固體力學的理論框架和分析方法以及對其多場耦合非線性行為特有規律的認識，為改進相應的設計標準和規范，以保證設計的可靠性和安全性提供了理論基礎和依據。
本項目發表論文135篇（SCI收錄75）、專著2 部。他引653次（SCI他引237），獲教育部提名國家科學技術獎勵自然科學一等獎。得到本領域著名學者Nayfeh、Noda和Shindo等的多次實質性引用和評述（附件2.6-9）;所提出的磁彈性模型等被分別評價為：是自Maxwell提出電磁應力張量以來，該領域幾項代表性進展中的最新的一個（附件2.1）、"建立了一個新的理論"（附件2.3）和"是便于應用的"（附件2.4）等。促成日本應用電磁材料與力學學會于1995年和2007年兩度向蘭州大學捐資共400萬日圓設立獎學金（附件4.5）。
主要發現點： 核心發現點一：發現了在磁場作用下可變形鐵磁體內磁力的一組新的表征。基于本項目針對鐵磁彈性耦合系統所提出的廣義變分原理，對難以由實驗直接測量得到的分布磁體力和磁邊界力，發現并給出了一組具有普適性的全新的正確表征公式。對這種由外加磁場在可變形鐵磁體內所感應出的磁力的表征，是磁彈性理論建立的關鍵。(電磁固體力學, 代表性論文1)
核心發現點二：實現了對鐵磁結構磁彈性力學三類典型實驗的正確預測。1）對橫向磁場中鐵磁懸臂板磁彈性失穩實驗，所給出的臨界磁場預測值與實驗值的相對誤差均在10%以內，而Moon和Pao (美國工程院院士，電磁固體力學著名學者)的結果高出實驗值30-80%；2) 對面內磁場中鐵磁懸臂板固有頻率上升實驗，所給出的預測與實驗規律一致（其它理論模型的預測均與實驗規律相反）；3）對均勻磁場中鐵磁柱殼實驗，所給出的環向應變預測值與實驗值的相對誤差在20%左右（Moon等人的預測與實驗的相對誤差超過100%）。由此也有力論證了所提出的磁力表征新模型的正確性。 (電磁固體力學, 代表性論文2)
核心發現點三：建立了超磁致伸縮材料的一組封閉解析形式的力-磁耦合非線性本構關系，實現了對其全部實驗特征的完整描述。基于微觀與宏觀相結合得到的這一本構關系，所預測的超磁致伸縮材料在低場、中場和高場情形的本構行為均與實驗結果吻合，并由此從理論上揭示出由原有各本構關系所無法給出的此類材料的若干典型特征和規律。同時，因其為封閉解析形式和材料參數易測等明顯優點，被發表在J. Appl. Phys.的文章評價為"是便于應用的"（附件2.4）。（電磁固體力學，代表性論文3）。
重要發現點一：提出了電磁材料結構多場耦合非線性力學行為定量分析的有效方法，實現了對其彎曲、失穩、振動和控制等的理論預測。1）提出的分場迭代耦合遞進的計算模式，解決了具有多場耦合和多重非線性特征的鐵磁板殼結構力學行為的定量分析問題；2）采用本項目得到的高精度解析解，率先給出了von Karman型圓板（殼）結構非線性壓電主動控制的定量分析結果；3）提出的梁板結構壓電振動控制的小波模式，避免了傳統控制模式可能存在的變形識別不唯一和激發出高階振動的控制失穩。(非線性力學, 代表性論文2，4-7)
重要發現點二：揭示出電磁材料結構在多場耦合作用下的若干關鍵性特征。1）揭示出了電磁材料結構多場耦合問題的非線性本質特征；2）發現傾斜磁場中鐵磁懸臂板的變形是磁彈性彎曲而非屈曲問題，并且其微小傾角是影響磁彈性穩定性的一個敏感因素；3）澄清了磁通蠕變是導致高溫超導懸浮體振動中心漂移的主要原因；4）闡明了極低溫環境中超導體電-磁-熱相互耦合作用發生磁通跳躍失穩的全部實驗特征及其轉換機制；5）揭示了外加電場對納米線楊氏模量的影響規律，并得到美國標準技術局學者在NanoTech.上的直接肯定和認同（附件4.1）。（計算固體力學，代表性論文2，8-10）。
主要完成人： 鄭曉靜
確定研究方向和選題。提出超磁致伸縮材料的本構關系（核心發現點3）；完成對鐵磁材料結構多場耦合非線性力學行為的有效定量求解方法研究和求解工作以及和小波求解法的改進（重要發現點1）；完成超導懸浮系統多場耦合特有效應定量揭示和電場對材料楊氏模量影響的研究途徑（重要發現點2）；合作完成鐵磁材料結構理論模型和理論框架的建立及定量研究（核心發現點1 與2）等方面的工作。本人從1987年1月至2007年2月累計平均將本人工作量的55%以上投入到本項目的研究中。
周又和
提出鐵磁彈性體廣義變分原理并完成對模型的理論分析（核心發現點1和2）、提出超導載流磁體的半解析分析方法并完成定量分析和非線性柔韌結構與壓電圓板熱-電-力耦合主動控制問題的系列研究、提出壓電動力控制的小波控制模型（重要發現點1，2）和完成超導磁通跳躍失穩的理論研究（重要發現點2）；合作完成對超磁致材料結構行為的定量求解（核心發現點3）等。本人從1987年1月至2007年2月累計平均將本人工作量的60%以上投入到本項目的研究中。
主要完成單位：
|
