項(xiàng)目名稱(chēng)： 電磁材料結(jié)構(gòu)多場(chǎng)耦合非線性力學(xué)行為的理論研究

推薦單位： 教育部

項(xiàng)目簡(jiǎn)介： 本項(xiàng)目屬固體力學(xué)學(xué)科，與數(shù)學(xué)、物理、控制等學(xué)科密切關(guān)聯(lián)。

電磁材料結(jié)構(gòu)在電磁場(chǎng)環(huán)境中的力學(xué)行為是新型能源裝置以及智能結(jié)構(gòu)和器件研制的一個(gè)重要依據(jù)，并由于其明顯的多場(chǎng)耦合和非線性特征，導(dǎo)致一直缺乏可靠的定量預(yù)測(cè)，進(jìn)而也影響到相關(guān)理論模型的正確建立。本項(xiàng)目通過(guò)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(gòu)關(guān)系；3）多場(chǎng)耦合非線性力學(xué)的定量分析方法；4）電磁材料結(jié)構(gòu)關(guān)鍵力學(xué)行為的理論揭示，實(shí)現(xiàn)了對(duì)具有多場(chǎng)耦合和多重非線性特征的電磁材料板殼結(jié)構(gòu)彎曲、失穩(wěn)、振動(dòng)和控制等基本問(wèn)題的定量分析，發(fā)現(xiàn)并定量揭示出電磁材料結(jié)構(gòu)多場(chǎng)耦合問(wèn)題的非線性本質(zhì)特征和按通常解耦方法處理所丟失的關(guān)鍵力學(xué)行為。

本項(xiàng)目針對(duì)鐵磁、超磁致伸縮材料和高溫超導(dǎo)體及其懸浮系統(tǒng)所建立的基本理論模型，解決了相關(guān)理論預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)期不符的難題，闡明了相關(guān)結(jié)構(gòu)力學(xué)行為發(fā)生的機(jī)理；所提出的壓電小波控制模式，避免了傳統(tǒng)模式可能存在的控制失穩(wěn)。由此形成了一條對(duì)電磁材料結(jié)構(gòu)力學(xué)行為定量分析和預(yù)測(cè)的合理、完整、可行的研究路線，發(fā)展并推進(jìn)了電動(dòng)力學(xué)與連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的有機(jī)結(jié)合，豐富并完善了電磁固體力學(xué)的理論框架和分析方法以及對(duì)其多場(chǎng)耦合非線性行為特有規(guī)律的認(rèn)識(shí)，為改進(jìn)相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，以保證設(shè)計(jì)的可靠性和安全性提供了理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

本項(xiàng)目發(fā)表論文135篇（SCI收錄75）、專(zhuān)著2 部。他引653次（SCI他引237），獲教育部提名國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。得到本領(lǐng)域著名學(xué)者Nayfeh、Noda和Shindo等的多次實(shí)質(zhì)性引用和評(píng)述（附件2.6-9）;所提出的磁彈性模型等被分別評(píng)價(jià)為：是自Maxwell提出電磁應(yīng)力張量以來(lái)，該領(lǐng)域幾項(xiàng)代表性進(jìn)展中的最新的一個(gè)（附件2.1）、"建立了一個(gè)新的理論"（附件2.3）和"是便于應(yīng)用的"（附件2.4）等。促成日本應(yīng)用電磁材料與力學(xué)學(xué)會(huì)于1995年和2007年兩度向蘭州大學(xué)捐資共400萬(wàn)日?qǐng)A設(shè)立獎(jiǎng)學(xué)金（附件4.5）。

主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)： 核心發(fā)現(xiàn)點(diǎn)一：發(fā)現(xiàn)了在磁場(chǎng)作用下可變形鐵磁體內(nèi)磁力的一組新的表征�；�于本項(xiàng)目針對(duì)鐵磁彈性耦合系統(tǒng)所提出的廣義變分原理，對(duì)難以由實(shí)驗(yàn)直接測(cè)量得到的分布磁體力和磁邊界力，發(fā)現(xiàn)并給出了一組具有普適性的全新的正確表征公式。對(duì)這種由外加磁場(chǎng)在可變形鐵磁體內(nèi)所感應(yīng)出的磁力的表征，是磁彈性理論建立的關(guān)鍵。(電磁固體力學(xué), 代表性論文1)

核心發(fā)現(xiàn)點(diǎn)二：實(shí)現(xiàn)了對(duì)鐵磁結(jié)構(gòu)磁彈性力學(xué)三類(lèi)典型實(shí)驗(yàn)的正確預(yù)測(cè)。1）對(duì)橫向磁場(chǎng)中鐵磁懸臂板磁彈性失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)，所給出的臨界磁場(chǎng)預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差均在10%以?xún)?nèi)，而Moon和Pao (美國(guó)工程院院士，電磁固體力學(xué)著名學(xué)者)的結(jié)果高出實(shí)驗(yàn)值30-80%；2) 對(duì)面內(nèi)磁場(chǎng)中鐵磁懸臂板固有頻率上升實(shí)驗(yàn)，所給出的預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)規(guī)律一致（其它理論模型的預(yù)測(cè)均與實(shí)驗(yàn)規(guī)律相反）；3）對(duì)均勻磁場(chǎng)中鐵磁柱殼實(shí)驗(yàn)，所給出的環(huán)向應(yīng)變預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差在20%左右（Moon等人的預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)的相對(duì)誤差超過(guò)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(xué), 代表性論文2)

核心發(fā)現(xiàn)點(diǎn)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(gòu)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其全部實(shí)驗(yàn)特征的完整描述�；�于微觀與宏觀相結(jié)合得到的這一本構(gòu)關(guān)系，所預(yù)測(cè)的超磁致伸縮材料在低場(chǎng)、中場(chǎng)和高場(chǎng)情形的本構(gòu)行為均與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，并由此從理論上揭示出由原有各本構(gòu)關(guān)系所無(wú)法給出的此類(lèi)材料的若干典型特征和規(guī)律。同時(shí)，因其為封閉解析形式和材料參數(shù)易測(cè)等明顯優(yōu)點(diǎn)，被發(fā)表在J. Appl. Phys.的文章評(píng)價(jià)為"是便于應(yīng)用的"（附件2.4）。（電磁固體力學(xué)，代表性論文3）。

重要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)一：提出了電磁材料結(jié)構(gòu)多場(chǎng)耦合非線性力學(xué)行為定量分析的有效方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其彎曲、失穩(wěn)、振動(dòng)和控制等的理論預(yù)測(cè)。1）提出的分場(chǎng)迭代耦合遞進(jìn)的計(jì)算模式，解決了具有多場(chǎng)耦合和多重非線性特征的鐵磁板殼結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的定量分析問(wèn)題；2）采用本項(xiàng)目得到的高精度解析解，率先給出了von Karman型圓板（殼）結(jié)構(gòu)非線性壓電主動(dòng)控制的定量分析結(jié)果；3）提出的梁板結(jié)構(gòu)壓電振動(dòng)控制的小波模式，避免了傳統(tǒng)控制模式可能存在的變形識(shí)別不唯一和激發(fā)出高階振動(dòng)的控制失穩(wěn)。(非線性力學(xué), 代表性論文2，4-7)

重要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)二：揭示出電磁材料結(jié)構(gòu)在多場(chǎng)耦合作用下的若干關(guān)鍵性特征。1）揭示出了電磁材料結(jié)構(gòu)多場(chǎng)耦合問(wèn)題的非線性本質(zhì)特征；2）發(fā)現(xiàn)傾斜磁場(chǎng)中鐵磁懸臂板的變形是磁彈性彎曲而非屈曲問(wèn)題，并且其微小傾角是影響磁彈性穩(wěn)定性的一個(gè)敏感因素；3）澄清了磁通蠕變是導(dǎo)致高溫超導(dǎo)懸浮體振動(dòng)中心漂移的主要原因；4）闡明了極低溫環(huán)境中超導(dǎo)體電-磁-熱相互耦合作用發(fā)生磁通跳躍失穩(wěn)的全部實(shí)驗(yàn)特征及其轉(zhuǎn)換機(jī)制；5）揭示了外加電場(chǎng)對(duì)納米線楊氏模量的影響規(guī)律，并得到美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局學(xué)者在NanoTech.上的直接肯定和認(rèn)同（附件4.1）。（計(jì)算固體力學(xué)，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(gòu)關(guān)系（核心發(fā)現(xiàn)點(diǎn)3）；完成對(duì)鐵磁材料結(jié)構(gòu)多場(chǎng)耦合非線性力學(xué)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(jìn)（重要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)1）；完成超導(dǎo)懸浮系統(tǒng)多場(chǎng)耦合特有效應(yīng)定量揭示和電場(chǎng)對(duì)材料楊氏模量影響的研究途徑（重要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)2）；合作完成鐵磁材料結(jié)構(gòu)理論模型和理論框架的建立及定量研究（核心發(fā)現(xiàn)點(diǎn)1 與2）等方面的工作。本人從1987年1月至2007年2月累計(jì)平均將本人工作量的55%以上投入到本項(xiàng)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(duì)模型的理論分析（核心發(fā)現(xiàn)點(diǎn)1和2）、提出超導(dǎo)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(jié)構(gòu)與壓電圓板熱-電-力耦合主動(dòng)控制問(wèn)題的系列研究、提出壓電動(dòng)力控制的小波控制模型（重要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)1，2）和完成超導(dǎo)磁通跳躍失穩(wěn)的理論研究（重要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)2）；合作完成對(duì)超磁致材料結(jié)構(gòu)行為的定量求解（核心發(fā)現(xiàn)點(diǎn)3）等。本人從1987年1月至2007年2月累計(jì)平均將本人工作量的60%以上投入到本項(xiàng)目的研究中。

主要完成單位：