智能材料在力/电/磁/光场下的多场耦合本构关系研究

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本构模型是力学中的核心命题,研究本构理论不仅有助于对于材料力学行为的物理本质进行深入研究,也是先进材料在工业设计与应用的重要基础。智能材料是一类能够感知外场刺激,并且产生响应的一类先进材料,由于其特殊而复杂的多场耦合特征,最近几年吸引了许多科学工作者的兴趣。但是针对这些智能材料的多场耦合本构关系的研究还远不够成熟。在这篇论文中,我们从实验和理论的角度研究了铁电陶瓷、层状磁电材料和光活性高聚物三种智能材料的多场耦合力学行为,并为它们的本构理论研究方面作了新的探索。  在第一部分中,针对力电耦合铁电多晶材料,开展了铁电陶瓷在双轴力电耦合加载下的滞回曲线、蝶形回线与反蝶形回线的测试。然后发展了一种针对铁电陶瓷的率无关的力电耦合本构模型,在这一模型中采用一定数量的在方向上尽可能均匀分布的特征晶粒,并选取每一个特征晶粒的电畴体积分数作为内变量。考虑到晶粒间力电交互作用对电畴翻转临界值的影响,提出了电畴翻转密度的概念,并采用了一个幂形式的率无关演化方程来描述电畴的翻转,最后通过将预测结果与各种边界条件下的力电耦合实验结果进行比较,证实该本构模型可比较准确而高效地对铁电材料材料多轴力电耦合力学行为加以描述。  在第二部分中,针对力电磁耦合的磁电层合材料,将层合板理论推广到力电磁多场耦合条件下,建立了磁电层合板的力电磁耦合本构模型,并据此推导出通用的层状材料的磁电系数计算公式。这一公式可以用统一的磁电系数表达式计算各种多层多相层状磁电结构的磁电系数,并可用于分析基底与弹性夹层对各种层状磁电结构磁电效应的影响。并利用力-电-磁耦合本构模型,建立了磁电层合薄膜在柔性缓冲层上的起皱模型,提出利用柔性缓冲层减小刚性基底对磁电层合薄膜的夹持作用以增强磁电效应的方案。起皱模型的预测结果与有限元仿真结果吻合良好。  基于光致键交换反应的光活性聚合物材料是一类新兴的光力耦合智能材料,可以根据光照条件作出响应。在第三部分中,我们先开展了一系列光力耦合实验,然后基于光致粘性变形的思想,建立了大变形的光力耦合本构模型。并将该模型嵌入有限元,对光力耦合实验的结果进行预测。理论与实验结果吻合良好,也证明了该模型可以较为准确的描述不同光照和光分布情况下光活性聚合物的大变形光力耦合力学行为,例如光致蠕变,光致应力松弛、光致弯曲,光致折叠。进而建议了通过预应力层装结构实现主动光致变形,并利用有限元进行了预测分析。
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