多场作用下力-序耦合液晶弹性体及结构冲击动力响应特性的研究

Based on the stress wave theory, the stress wave propagation in liquid crystal elastomers and structures is investigated by adopting indirectly coupling multi-scale analysis method. Through the theoretical and numerical analysis, as well as the experimental verification, the stress wave theory in liquid crystal elastomers and structures is complemented. The influence of the mechanical-order coupling effect on the stress wave propagation in liquid crystal elastomers and structures are clarified with the aim to explore the effective strategy in the intelligent tuning of band structures in liquid crystal elastomer phononic crystals. This project will provide efficient theoretical guidance and reliable numerical simulation means for the intelligent structure design, new acoustic-opt electronic device development, soft robot, as well as the improvement of the dynamic experimental techniques in the dynamic tests of soft matters. Moreover, this project is also a useful exploration in the multi-field modeling and simulation of the dynamic behavior of anisotropic viscoelastic soft matters.

从材料和结构冲击动力响应的角度出发，基于液晶弹性体力-序耦合特性，采用间接耦合和多尺度分析方法，通过理论分析和数值模拟，并与实验结果相互验证，研究液晶弹性体和结构的冲击动力响应，以及应力波的产生，传播，衰减及耗散规律，完善和发展以液晶弹性体为代表的软物质中的应力波理论。澄清多场(光，热，电，磁等)作用下液晶弹性体力-序耦合作用对其结构动力响应以及应力波传播特性的影响，建立和发展适用于以液晶弹性体为代表的软物质中多场耦合动力学特性研究的分析方法和计算程序，探索软物质声子晶体能带智能调控的有效途径。该项目的研究可为软物质在智能结构设计和控制，新型声光电子器件的研制，软体机器人的开发，以及软物质冲击动力试验设计等方面的科学研究和实际应用提供有效的理论基础和可靠的数值模拟手段。同时，本项目的实施也是在各向异性粘弹性软物质多场耦合动力学模型和数值模拟方面的有益探索。

液晶弹性体的弹性、电学性质和光学性质之间的相互作用，宏观属性与微观结构之间的耦合作用使其表现出多场敏感性，在智能结构设计和控制，新型声光电子器件的研制，软体机器人的开发，宇航工程等等高新领域具有诱人的应用前景。.本项目从材料和结构冲击动力响应的角度出发，基于液晶弹性体力-序耦合特性，采用间接耦合和多尺度分析方法，通过理论分析和数值模拟，并与实验结果相互验证，研究了液晶弹性体和结构的冲击动力响应，以及应力波的产生，传播，衰减及耗散规律，取得的主要成果包括：.1）建立了液晶弹性体指向矢与液晶弹性体梁/板/薄膜等基本结构变形模态的对应关系，澄清了液晶弹性体力-序耦合作用对其动力响应特性的影响，提出了能量捕获以及智能显示器的设计方案，这对于实现基于液晶弹性体的4D打印，功能结构设计等具有重要的理论指导意义；.2）建立了粘弹性膜-基系统面内拉伸径向失稳的理论模型，完善了面内拉伸膜-基系统的径向失稳理论。此模型可以退化为粘弹性膜-弹性基，弹性膜-粘弹性基，弹性膜-弹性基系统，对于研究径向失稳模式随时间的演化提供了理论手段；.3）完善和发展了以液晶弹性体为代表的软物质中的应力波理论，澄清了多场(光，热等)作用下液晶弹性体力-序耦合作用对其结构中应力波传播特性的影响，建立和发展了适用于以液晶弹性体为代表的软物质中多场耦合动力学特性研究的分析方法和计算程序，为软物质声子晶体能带智能调控提供了设计策略。.4）完善了梯度梁的塑性屈服理论以及大变形分析方法，澄清了梯度分布引起的物理中性轴偏移对梁振动特性的影响。.该项目的研究为软物质在智能结构设计和控制，新型声光电子器件的研制，软体机器人的开发，以及软物质冲击动力试验设计等方面的科学研究和实际应用提供了有效的理论基础和可靠的数值模拟手段。同时，本项目的研究结果也为各向异性粘弹性软物质多场耦合动力学模型的建立以及数值模拟提供了参考。