仿生植物智能材料化学-力学耦合行为多尺度计算方法研究

Biomimetic smart materials that mimic the working-processes in the plant kingdom to produce large deformation through the conversion of chemical energy can provide a balanced stroke, bandwidth and high energy density. Reliable, stable and efficient numerical models and design methods will play a key role in the design of high-performance bio-inspired smart materials. The overall objective of this project is to develop a multiscale algorithm based on the extended multiscale finite element method for simultaneous design and optimization of the biomimetic adaptive flexible structures and to explore new smart material based compact actuators. Firstly, a new multiscale algorithm will be developed to simulate the two-phase solid-fluid cellular active materials that under the actuation of the volume expansion of the fluid inside. Subsequently, combined the ion transport model of the biological membrane, a coupled multiscale algorithm will be derived to model the chemo-mechanical behavior of the biomimetic smart material. Consequently, based on the multiscale model and algorithm developed, a novel multiscale optimization method will be introduced to concurrently design and optimize the biologically inspired smart material. It will contribute to the development of shape morphable wing technology and its research.

利用植物感性运动机理将生物化学能转化为机械能的仿生智能材料能提供均衡的促动力和频带宽度，具有较高的能量密度。可靠、稳定且高效的数值模拟及结构设计方法在实现高性能仿生智能材料方面起着重要作用。本项目将开展基于植物运动机理仿生智能材料与形状自适应结构的多尺度计算模拟及结构一体化设计研究工作。首先基于扩展多尺度有限元方法，研究液固双相多孔材料以闭合液体腔中液体体积膨胀为主体作动机制的多尺度模型。进一步，结合细胞膜离子传输模型，发展植物学仿生智能材料的化学-力学耦合行为分析的多尺度计算方法，实现膜离子传输过程模拟和基体结构多尺度力学行为分析的无缝连接。结合上述多尺度模型和算法，研究多尺度结构优化算法，并开发相关计算程序，发展该仿生智能材料和结构的一体化结构设计模型，为性能优越的新型仿生智能结构设计尤其是智能性机翼技术提供科学依据。

围绕青年基金的研究，本项目开展了仿生植物运动智能材料与形状自适应结构的多尺度计算模拟及优化设计方法研究。首先，提出了该仿生智能材料与结构耦合行为分析的扩展多尺度有限元方法，通过构造含液胞元结构的位移以及压强数值基函数，建立了周期性液固双相多孔材料以单胞内液体体积膨胀为作动机制的多尺度有限元模型，并进一步发展了含非结构化（多边形，多面体）胞元的非周期含液闭孔材料与结构的多尺度有限元分析方法。其次，结合细胞膜离子传输模型，发展植物学仿生智能材料的化学-力学耦合行为分析的三维耦合多尺度计算方法，实现膜离子传输过程模拟和基体结构多尺度力学行为分析的无缝连接。此外，基于本项目所开发的扩展多尺度有限元方法，进一步发了压电复合材料力-电-热多场耦合行为分析的多尺度计算方法。结合上述多尺度模型和算法，发展了该仿生智能材料和结构的一体化结构优化设计方法，并开发相关多尺度形状及拓扑优化程序，为设计新型仿生智能结构及提高其作动与承载一体化性能提供了基础。