《复杂结构材料多场耦合力学行为机理及监测控制一体化应用》

该项目主要科学发现如下:

(1)复杂功能材料的本构关系与驱动感知机理:发现归纳总结了形状记忆材料多场耦合力学行为的诸多基本规律,建立了表征形状记忆材料热效应的本构关系模型;建立了精确描述形状记忆材料的超弹性拉伸过程、高温变形过程、应力冻结过程和形状恢复过程的本构关系模型。将在力电磁等方面拥有诸多优异性能的碳纳米管引入水泥基本征材料制备,发现其对复合材料微观结构、力学性能和电磁学性能具有显著改善作用,研发了面向混凝土复合材料结构健康监测的压阻/压电传感器件,实现对混凝土结构安全状况实时监测和评定。

(2)复杂功能材料的热-力-电-磁耦合失效行为机理:建立了动态热-力载荷作用下复杂材料的断裂力学分析的层板模型,解决了材料参数任意变化时的断裂问题、多裂纹相互作用问题、动态热断裂问题等;构造了力-电-磁多场耦合变分原理,给出了力-电-磁耦合裂纹尖端场的表达式。

(3)结构复杂性态监测的无线传感器及其新型高效传输网络:发现了悬挂结构体系摆振运动的独特现象,探索其规律并建立了体系典型运动模式的分析方法,开发了面向结构整体和局部性态监测的无线传感器节点及其网络系统,提出了基于压缩感知的精简丢包补偿算法,为其在桥梁等工程结构中的应用奠定基础。提出了可实现线极化转圆极化的超平面结构,将其成功应用于圆极化天线的设计中,探索了一种全新的圆极化平面天线设计方法。

(4)大型复杂结构监测控制一体化系统理论技术及应用:提出了高效实用的结构振动主动控制系统性能试验方法,以获得在低频率和大位移下控制系统的动态性能。建立了表征AMD系统控制力方向特征定量指标体系,采用基于压电智能材料的主动驱动的健康监测方法对螺栓球节点内部的螺栓松紧状态进行监测,发展了压电波动分析法和压电阻抗分析法,实现对结构健康状况的实时监测。

全面把握结构全寿命期内的性态演化规律是保证结构安全运行的关键所在。团队在建立复杂功能材料基于力电磁热等多场耦合特性的相关理论和模型的基础上,研发了系列新型结构振动控制与监测系统及其一体化技术,并在30多项实际工程中得到应用。项目组成员共发表SCI期刊论文336篇,其中有143篇发表在JCR-1区期刊。被SCI期刊论文引用4515次,他引3807次,单篇最高引用次数为380次,单篇引用超过100次的论文数为5篇,单篇引用超过50次的论文数为20篇。提交的8篇代表性论文全部发表在JCR-1区期刊,其中有3篇为ESI高被引论文。8篇论文被SCI期刊论文引用658次,他引583次。得到多位国际知名专家学者对项目研究成果的高度评价。在该领域国际学术会议上做大会主题报告和特邀报告21次,出版学术专著5部。项目成果在土木工程、航空航天和国防工业等领域具有广阔的应用前景,为智能材料与结构体系的优化设计和装备制造奠定了重要理论基础,具有重大科学价值,显著提升了中国在相关领域的研究实力和影响力。

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