磁电复合材料中拓扑磁结构的力学调控

磁性斯格明子是在一些铁磁材料中存在的一种重要拓扑磁结构,由于其具有独特的磁-电-力-热多场耦合特性,在未来新型自旋电子器件中有着广泛的应用前景。然而,磁性斯格明子一般需要在外加磁场下才能稳定存在,极大地限制了其在自旋电子器件中的实际应用。本文基于实空间下磁电材料的相场模拟,发现铁电和铁磁复合薄膜中铁电斯格明子可以通过界面变形来稳定铁磁斯格明子。由于力电耦合效应,铁电层中铁电斯格明子的非均匀分布极化在界面产生周期性的非均匀界面变形。界面变形通过力磁耦合效应,使铁磁层中的磁性斯格明子在没有外加磁场的条件下能够稳定存在。本文的研究结果表明,基于磁电复合材料中的力-电-磁耦合效应,通过优化设计复合材料中不同组元的结构,可以实现拓扑磁结构的力学调控,从而为设计基于拓扑磁结构的新型自旋电子器件提供了新思路。     

磁电复合材料中拓扑磁结构的力学调控

磁性斯格明子是在一些铁磁材料中存在的一种重要拓扑磁结构，由于其具有独特的磁-电-力-热多场耦合特性，在未来新型自旋电子器件中有着广泛的应用前景。然而，磁性斯格明子一般需要在外加磁场下才能稳定存在，极大地限制了其在自旋电子器件中的实际应用。本文基于实空间下磁电材料的相场模拟，发现铁电和铁磁复合薄膜中铁电斯格明子可以通过界面变形来稳定铁磁斯格明子。由于力电耦合效应，铁电层中铁电斯格明子的非均匀分布极化在界面产生周期性的非均匀界面变形。界面变形通过力磁耦合效应，使铁磁层中的磁性斯格明子在没有外加磁场的条件下能够稳定存在。本文的研究结果表明，基于磁电复合材料中的力-电-磁耦合效应，通过优化设计复合材料中不同组元的结构，可以实现拓扑磁结构的力学调控，从而为设计基于拓扑磁结构的新型自旋电子器件提供了新思路。     

多孔介质的热-电-化-力学耦合理论及应用

本文针对自然界中不同种类的多孔介质,评述了包含化学效应的多场耦合力学问题的国外内研究现状.介绍了研究多场耦合问题的理论架构,并基于唯象理论和热力学理论,建立了一般性的热-电-化-力学多场耦合理论,在此基础上简化为化学-力学耦合理论,利用相应的控制方程和本构关系, 给出了线性耦合系统的变分原理,并证明了化学-力学耦合理论架构的封闭性. 基于所提出的化-力耦合模型,通过数值算例解释了多孔介质中的化学-力学耦合现象.最后对多孔介质,特别是对活体生物软组织中的多场耦合研究中存在的问题进行了讨论,并展望了本领域的未来发展趋势.     

智能软材料热-电-化-力学耦合问题的研究进展

本文重点评述了自然界中的典型智能软材料:聚合物胶体和水凝胶以及关节软骨的多场耦合力学问题的国内外研究现状。基于唯象热力学理论和哈密顿原理,建立了一般性的热-电-化-力学多场耦合理论。重点针对等温过程的化学-力学耦合本构关系和控制方程,通过哈密顿原理,建立了化力耦合系统的有限元列式。证明了化学-力学耦合理论架构的封闭性。通过数值算例分析了水凝胶和关节软骨的多场耦合作用。最后展望了智能软材料多场耦合研究的未来发展趋势。      

磁电弹性体中纳米孔边任意位置贯穿裂纹的解析解

本文研究了反平面机械载荷、面内电载荷和面内磁载荷作用下磁电弹材料中含有纳米尺度孔边任意位置贯穿裂纹的Ⅲ型断裂力学性能.基于Gurtin-Murdoch表面弹性理论考虑纳米缺陷(孔洞和裂纹)的表面效应,利用磁电弹理论和复变弹性理论获得了纳米缺陷表面为磁电不可通条件下磁电弹场的精确解,给出了贯穿裂纹两端裂尖的磁电弹场强因子的解析表达.所得结果与已有研究比较说明了本文方法的有效性.讨论了裂纹位置、裂纹相互作用与施加多物理场载荷对无量纲磁电弹场强因子的影响.结果表明：贯穿裂纹裂尖的无量纲磁电弹场强因子尺寸效应显著;缺陷表面效应对裂纹耦合尖端场的影响受裂纹位置的制约;无量纲磁电弹场强因子受贯穿裂纹两端的裂纹长度比与施加力电磁载荷的显著影响.     

智能软材料热""电-化-力学耦合问题的研究进展

正智能软材料是指具有较低模量,在外场(如热、电、磁、化、光等)作用下能够产生较大力学响应的材料。本文评述了聚合物胶体、水凝胶以及关节软骨等典型智能软材料的多场耦合力学问题的国内外研究现状,重点讨论了这类智能软材料以化学扩散为特征的热-电-化-力学耦合的基本理论和研宄方法。详细介绍了具有代表性的国内外主要研究团体的研究进展。阐述了基于热力学理论和哈密顿原理所建立的一般性热-电-化-力学多场耦合理论框架。针对等温过程的化学-力学耦合的本构关系和控制方程,证明了化学-力学耦合     

电磁功能材料的多场耦合实验研究进展

将对电磁功能材料多物理场耦合性能检测技术和设备做一综述介绍,介绍如何在多物理场耦合条件下测试电磁滞回线、蝶形曲线、电磁致伸缩、应力应变曲线和磁电效应等物理力学性能,并介绍电磁功能材料在多物理耦合场作用下的新的实验现象,包括铁电材料在多轴电场和双轴力载荷作用下的电滞回线、裂纹尖端的畴变规律、磁致伪弹性、磁致伸缩的"回落"等现象.这对于理解电磁功能材料和结构在耦合场下的变形与断裂机制有重要的意义.     

首届全国爆炸与冲击动力学青年学者学术研讨会

<正>爆炸与冲击动力学是一个交叉性的力学分支学科,主要研究爆炸、冲击和能量突然沉积等强动载荷下介质、材料与结构的力学响应、效应及工程技术应用。当前,爆炸与冲击动力学的发展重点和学科前沿主要有非平衡爆轰与爆轰波结构,复杂介质状态方程的本构理论与材料动态力学,复杂结构高速撞击与侵彻动力学,超高速碰撞新原理和新方法,多场耦合模型建立与多尺度高精度计算方法以及在武器装备、航空航天和民用安全等领域的应用研究等。爆炸与冲击动力     

针尖的分子生物物理力学研究进展

围绕包括扫描探针显微镜在内的各种探针技术下核酸、蛋白质等生物分子及生物材料的生物力学与力 - 电耦合实验研究, 较系统地总结了分子层次或纳米尺度下生物分子和材料的力学性能的扫描探针显微镜、光镊、磁镊等探针技术的实验研究方法和主要进展, 进而探讨了在``针尖'这个极小、极特殊环境下的分子生物物理力学研究状况.通过介绍借助探针技术研究相关生物物质的结构、力学、电学等性能以及提出的一些理论模型, 指出探针技术在生物分子（包括遗传物质和蛋白质）力学性能、纳米生物材料结构及分子仿生等研究中的广泛意义.提出多场耦合作用下的针尖的生物物理力学研究必定是将来研究的重点;将针尖的分子生物力学的物理实验研究与分子物理力学理论、计算科学相结合, 发展分子物理力学虚拟实验技术是本领域的一个重要发展方向.      

位错动力学方法在辐照损伤力学中的应用

核能是人类最理想的清洁能源之一,在世界能源结构中发挥着巨大作用。核裂变或核聚变导致的辐照环境会引起材料的辐照损伤,进而显著影响材料的力学性能,造成辐照硬化、脆化、蠕变、肿胀等现象。无论是预测辐照材料的服役寿命,还是设计新型的抗辐照材料,都迫切需要建立强辐照环境下的塑性力学和损伤力学理论。分子动力学方法为理解辐照材料中的原子级相互作用机理提供了诸多有价值的信息,然而受限于时空尺度难以直接用于力学理论模型的建立。晶体塑性有限元方法可用于预测辐照材料的力学响应,但是往往需要基于已知的物理模型,并且拟合实验数据。位错动力学方法是联系纳米力学与连续介质力学的桥梁,是揭示大量微结构的累积相互作用机理,建立基于物理机制的塑性力学和损伤力学理论的强有力手段。位错动力学方法起源于上个世纪八十年代,起初主要用于研究位错间的短程和长程相互作用、计算位错运动引起的塑性变形、硬化、软化、变形局部化等。本文将展示三种耦合位错动力学和辐照损伤场的方法,并系统地综述研究者近年来使用该方法在理解辐照硬化、塑性变形局部化、晶界效应、温度效应、和发展多尺度耦合方法等方面取得的进展。     

低维碳和氮化硼材料的物理力学研究进展

碳纳米管、石墨烯和六方氮化硼等低维材料具有优异的力学和电学性质,已经引起广泛的科学兴趣。然而由电荷、分子轨道、电子结构和自旋态构成的低维材料的局域场与力学变形、机械运动和物理化学环境等外场间往往存在强烈耦合,这导致低维材料会呈现出新颖独特的物理力学性能。论文对近年来碳纳米管、石墨烯和六方氮化硼等低维材料的力学性能、力电耦合与器件原理、表面和界面结构性能调控、层间相互作用、能量耗散和摩擦等物理力学方面的研究进展进行了简要综述,并讨论了利用低维材料多场耦合特性和结构性能关联发展新型功能器件的方法和途径,以及纳米力学和纳尺度物理力学的前沿和发展趋势。     

Closed-form solutions to the effective properties of fibrous magnetoelectric composites and their applications

Magnetoelectric coupling is of interest for a variety of applications, but is weak in natural materials. Strain-coupled fibrous composites of piezoelectric and piezomagnetic materials are an attractive way of obtaining enhanced effective magnetoelectricity. This paper studies the effective magnetoelectric behaviors of two-phase multiferroic composites with periodic array of inhomogeneities. For a class of microstructures called periodic E-inclusions, we obtain a rigorous closed-form formula of the effective magnetoelectric coupling coefficient in terms of the shape matrix and volume fraction of the periodic E-inclusion. Based on the closed-form formula, we find the optimal volume fractions of the fiber phase for maximum magnetoelectric coupling and correlate the maximum magnetoelectric coupling with the material properties of the constituent phases. Based on these results, useful design principles are proposed for engineering magnetoelectric composites.     

Effective multi-field properties of electro-magneto-thermoelastic composites estimated by finite element method approach

A finite element approach based on the micromechanics was performed to estimate the multi-field properties of electro-magneto-thermoelastic composites. The thermal field and the involved pyroelectric and pyromagnetic effect of the multi-phase composite materials were taken into account in the investigation and implemented in the finite element modeling. The multifields related to the electric field, magnetic field, deformation and temperature field, as well as their coupling effects of the smart composites under periodic boundary conditions were obtained numerically. Especially, by means of the homogenization approximation, the effective thermal expansion coefficients, pyroelectric coefficients, pyromagnetic coefficients and other elastic, electric,and magnetic properties for the piezoelectric material, piezomagnetic material and magnetoelectric material were calculated, respectively. Some results are compared to the theoretical predictions by the well-known Mori-Tanaka method to show good agreements.     

柔性多体系统动力学研究现状与展望

对柔性多体系统动力学的研究现状进行了概括和总结,主要从柔性体建模方法、刚柔耦合动力学、接触碰撞问题、多物理场耦合、微分代数方程求解技术、控制方法、设计优化及软件开发和实验研究等几个研究方向进行总结,并对未来的研究方向做了展望.     

水凝胶多场耦合计算力学

作为一种具有多场耦合特性的智能柔体材料,水凝胶的制备技术、性能表征与结构应用得到迅速发展。本文在分析水凝胶本构理论和结构设计的基础上,提出了水凝胶多场耦合计算力学的基本方法和范式,包括微观粗粒化分子动力学模拟和宏观耦合有限元方法等,计算了化学-力学耦合作用下水凝胶材料与结构的变形和应力,给出了多个数值算例与结果比较。研究指出多场耦合计算力学将成为水凝胶材料和结构分析的主要手段,并推动水凝胶等这类智柔材料的性能设计与工程应用。     

天然气水合物开发多物理场特征及耦合渗流研究进展与建议

天然气水合物作为一种非常规的清洁能源, 在全球分布广、资源量大. 自20世纪90年代以来, 加拿大、美国、日本、中国已经先后进行了陆域及海域的水合物试采, 但发现出砂、单井日产气量低、稳产时间短等问题, 试采产量远不能满足商业化开发的需求, 其中核心问题是对水合物开发过程中的相变、多相多组分多场耦合渗流特征的认识不够明晰. 本文根据天然气水合物开发过程中涉及的渗流场、温度场、化学场、力学场等多场耦合特征, 重点综述水合物生成/分解对各物理场主要特征参数的影响, 包括水合物储层的孔隙度、水合物饱和度、渗透率、相对渗透率等基础物性参数及其动态演变, 天然气水合物的导热系数、比热容、热扩散系数以及水合物生成/分解热等热力学参数, 天然气水合物生成、分解动力学特征, 纯水合物以及含水合物沉积物的力学性质等, 最后阐述了天然气水合物开发渗流中的多场耦合关系及相互作用, 提出了今后水合物开发多物理场特征及耦合渗流的科学研究、技术开发的有关建议.      

混凝土材料损伤-自愈行为的湿化力多场耦合分析

荷载与环境共同工作下的混凝土损伤-愈合力学行为具有典型的内在湿化力多场耦合特征．本文以混凝土中CaCO3 沉淀自愈机制为例,建立了一种湿-化-力多场耦合分析模型．通过引入一组扩散和化学反应方程,对材料微观结构层次的物理化学过程进行数学建模．随后,基于连续损伤愈合力学理论,将自愈效应引入混凝土损伤本构关系,发展出混凝土湿化力耦合分析模型并进行模型验证．针对单轴拉伸混凝土试样进行多场耦合数值分析,考察了关键参数对愈合过程的作用规律以及自愈进程对混凝土材料力学行为的影响．本文的研究为混凝土在运行环境下的损伤-愈合行为以及性能演变提供了定量分析方法．     

一种化学-力学耦合连续介质理论与数值格式

对化学驱动的连续介质化学-力学耦合系统进行研究,从热力学定律和化学势角度出发,推导了等温过程的化学-力学耦合本构关系和控制方程,利用变分方法建立了化学-力学耦合系统的能量泛函,得到化学-力学耦合控制方程的等效积分形式和相应的有限元列式. 结合算例,对连续介质的化学-力学耦合行为进行了数值计算,数值结果反映了化学与力学系统的相互耦合作用,即浓度变化能引起介质的变形,同样力学作用也能引起浓度重分布. 从全新的角度建立了描述连续介质的化学-力学耦合行为的基本理论和数值方法,能够较好地反映一类连续介质的化学-力学耦合行为.