换一批
换一批
项目年度编号
2200010197
中图分类号
TB383
成果公布年份
2021
成果简介
微/纳机电系统(MEMS/NEMS)是指集微纳结构、微纳传感器、微纳执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通讯和电源等于一体的可批量生产的微纳装置，在航空航天、生物医学等领域得到了迅速发展和广泛应用。同时，随着富勒烯、碳纳米管和石墨烯等相继被实验合成或者发现，低维纳米材料引起了学术界和工业界的广泛关注。然而，上述微/纳结构(含低维纳米材料组成的结构)存在经典力学理论解决不了的问题，如界面分析(双材料界面的剪切边界层)、尺寸效应分析(微纳材料力学性能对尺寸有很强的依赖性)和失效分析(微纳结构的损伤断裂分析)等问题。
该项目在国家自然科学基金等项目的支持下，经十多年攻关，原创性地提出修正梯度弹性理论(Modified Gradient Elasticity，MGE理论)，进而基于该理论，分别开展了剪切边界层的有限元分析、建立了MGE微梁模型及MGE损伤理论和裂纹模型，成功解决了微纳结构的界面分析、尺寸效应、失效行为等问题，为微/纳机电系统的器件设计、低维纳米材料力学分析等提供了可靠理论依据。项目的创新成果如下：
1、原创性地建立了修正梯度弹性理论(MGE理论)。与其它梯度理论不同，该项目将内部特征长度参数定义为应变对应变梯度的一阶微分比，并假定应变能密度同时为应变张量和应变梯度张量的函数，通过应变能密度展开法建立MGE理论。在此基础上，基于虚功原理，推导了MGE理论的变分原理、边界条件和有限元公式，编制相应程序模拟双材料界面的剪切边界层问题。该理论消除了剪切边界层数值模拟分析中常见的网格依赖性；发现剪切边界层厚度强烈依赖材料的内部特征长度参数，解决了微纳结构的界面分析问题。
2、建立了微/纳结构尺寸效应分析的MGE微梁模型，解决了微纳结构尺寸效应分析问题。微梁是微/纳机电系统中最基础的构件之一。该项目应用最小势能原理，建立了铁木辛柯MGE微梁模型的控制方程和边界条件。该模型能够捕捉到微梁在不同载荷条件和不同边界条件下的剪切效应和尺寸效应。当不考虑剪切转角时，该模型可退化为欧拉-伯努利MGE微梁模型；当不考虑剪切转角和应变梯度影响时，该模型可进一步退化至经典的欧拉-伯努利模型。上述模型可为微梁的尺寸效应分析和微/纳结构器件设计提供可靠的理论依据。
3.建立了微/纳结构失效分析的MGE损伤理论和裂纹模型，推进了微纳结构的失效分析问题。为了完善面向微/纳结构的失效分析，该项目还将MGE理论引入结构损伤分析，推导出了修正梯度弹性损伤理论本构方程，编制了相应程序，对微/纳结构损伤局部化的发生、发展直到破坏的整个过程进行了数值模拟和分析。该项目还应用复变函数法推导了MGE理论下的Ⅲ型裂纹问题的控制方程和边界条件，并给出了应力场解析解。上述MGE损伤理论和裂纹模型为微/纳结构的失效分析提供可靠的理论依据。
该项目公开发表论文30余篇，得到了美国马里兰大学的F.Bakhtiari-Nejad教授和意大利萨莱诺大学Luciano Feo教授等人的高度肯定，解决了微/纳机电系统在设计制造过程中遇到的尺寸效应分析、剪切边界层分析、失效分析等诸多经典力学理论难以解决的疑难问题。
完成人
赵冰 彭旭龙 刘韬 陈健 潘军 宋战平
- 浏览0
- 被引0
- 下载0
相似文献
- 中文期刊
- 外文期刊
- 学位论文
- 会议论文
