多铁性复合材料在接触摩擦作用下的磁-电-弹多场耦合效应研究

基本信息
批准号:51775458
项目类别:面上项目
资助金额:58.00
负责人:蒋淑兰
学科分类:
依托单位:中国地质大学(武汉)
批准年份:2017
结题年份:2021
起止时间:2018-01-01 - 2021-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:张鑫,尹美贵,张允,吴松波
关键词:
磁电弹多场耦合非均质体接触摩擦接触引导摩擦副表面微纳颗粒
结项摘要

The planned research focuses on the characteristics of strain-induced field coupling of new magneto-electro-elastic multiferroic multifunctional composites, and studies the mechanisms and effects of such coupling induced by contact and rubbing. For this purpose, a multiscale, magneto-electro-elastic contact modeling system is proposed, considering microstructures, microscopic interfacial properties, and micro-macro effects in a semi-analytical system suitable for fast computation. The proposed research will start from the principles of micro-macro mechanics and Maxwell electro-magnetic equations , and aims to develop a micro-scale theoretic magneto-electro-elastic coupling model, based on micro inhomogeneities, microscopic local strain gradient, and nanoscopic particle surface energy; a macro-scale magneto-electro-elastic contact model, its core solutions, and related fast computing algorithms, based on homogenized properties obtained from microscopic modeling; and a cross-scale contact model and related fast computing algorithms, based on the microscopic fields under the influence of macroscopic actions. The models and analysis methods will be step-by-step verified via comparing the results from selectively degenerated models and algorithms with those from a finite element software, and physically validated via the experiments to be conducted. Moreover, innovative ideas will be explored. It is anticipated that the outcomes will extend the current contact mechanics for inhomogeneous materials from its stress-based scope to the broader fields of magneto-electro-elastic interaction, and will result in a theoretic base and analytical tool for future innovative designs via utilizing the combined principles of tribology and magneto-electro-elastic coupling.

本研究着眼于新兴磁电弹(应力)多铁性多功能材料经应变实现多场耦合的特性,对由接触摩擦造成的磁电弹耦合机理及其效应进行研究。为此,提出考虑微观结构、微观界面特性、微宏观效应,适于快速计算的半解析多尺度磁电弹接触模型系统和高效算法。本课题从微宏观力学与Maxwell电磁方程等基本原理出发,构建基于微观嵌入夹杂、微米尺度局部应变梯度和纳米尺度粒子表面能的微观磁电弹耦合理论模型;基于泛化处理结果的宏观电磁弹接触模型、核心解和快速算法;和基于宏观效应下粒子微观磁电应力场的跨尺度接触模型和快速算法。通过选择性退化模型和有限元软件计算结果对比,对算法进行分步验证;通过实验对模型进行物理验证,并进一步就创新想法进行探索。期望本研究在理论方面将现有的非均质体接触力学理论从应力空间拓展到适用于电场-磁场-应力场耦合作用的更广泛的领域,为未来利用摩擦学和磁电弹耦合原理实现创新设计提供理论依据和分析工具。

项目摘要

集电磁力效应三位一体的多铁性材料能同时呈现出磁电弹(应力/应变)效应的强势耦合。多铁性材料与摩擦性系统结合有望在更广泛的工业领域实现耗散能量的收集转换、工况信息自感知等多项功能,或利用接触摩擦实现新的集能系统设计。本项目建立了宏观同性材料磁电弹多场耦合作用下的接触问题半解析法三维数值模型,研究了多铁性球压头在多铁性半空间上的摩擦滑移接触力学行为,分析了表面电/磁荷和摩擦系数对压力、应力、电/磁势等接触特性的影响。还建立涂层材料磁电弹多场耦合作用下的半解析法三维数值模型,研究刚性绝缘球体在多铁性涂层-基体上的摩擦滑移接触力学行为,并分析了表面磁电弹效应、涂层厚度和摩擦系数对压力、应力、电/磁势等接触特性的影响。建立了磁电弹多场耦合及动态加载作用下的半解析法三维数值模型,研究了刚性球压头在多铁性涂层-刚性基体上的无摩擦接触问题,并分析了加载速度、涂层厚度和压头半径对压力、应力、电/磁势等接触特性的影响。此外,还研制了一台集复杂接触旋转与振动为同一研究环境的多功能振动接触能量转换实验台,并研究提出电磁-摩擦发电复合能量收集装置研制并对其进行仿真分析和实物验证。依托本项目,项目组在International Journal of Solids and Structures,Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering等期刊发表10篇论文和1篇EI论文,申请3项发明专利并授权2项,并培养博士研究生2名和硕士研究生5名。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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