《曲面膜基系統表面失穩與後屈曲分岔的多尺度研究》是依託復旦大學，由徐凡擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：曲面膜基系統表面失穩與後屈曲分岔的多尺度研究
- 依託單位：復旦大學
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：徐凡
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
曲面基底上薄膜的褶皺是自然界中普遍存在的現象如樹葉的紋路和皮膚的皺紋；同時在現代工業中也已被廣泛套用於可拉伸電子器件的製造、光學鏡頭的鍍膜和功能性材料的設計等。已有的研究主要集中於平面膜基系統在外荷載下表面起皺的發生和發展，對曲面膜基系統表面形貌的演化仍不清楚，比如高斯曲率對失穩起皺的影響機理和影響程度等。預測和控制曲率限制下的起皺過程已逐漸成為現代工業中一種很有前景的技術，例如可套用於微納米級的表面圖案生產。本項目旨在從多尺度角度定量地研究曲面膜基系統的失穩全貌，以有限元建模計算和先進的非線性數值方法為主要手段，屈曲理論分析為輔，來發現、描述、理解和預測曲面幾何形貌下膜基系統的後屈曲多重分岔和模態演化，並挖掘其背後所蘊含的力學機理，為設計新型功能性材料提供理論依據和模擬支持。同時，以期對曲面膜基系統建立巨觀縮減的多尺度模型來顯著地降低計算成本，為大尺度周期性失穩計算提供一種高效的方法。
結題摘要
本項目從多尺度角度定量地研究曲面柔性薄膜結構失穩全貌，來發現、描述、理解和預測曲面幾何形貌下後屈曲多重分岔和模態演化，並挖掘其背後所蘊含的力學機理，為設計新型功能性柔性材料/結構/器件提供參考。項目資助下取得的重要成果包括：(1)發展了先進的非線性理論和數值方法，提出了研究軟物質薄膜結構失穩問題的系統求解方案，解決了“蛇回”跳變失穩、大變形、多穩態解和多重分岔等強非線性問題定量求解難題，實現了非線性系統後屈曲失穩和形貌演化路徑的高效預測及連續追蹤；(2)建立了適用於各種超彈性本構的改進馮卡門板模型（面內大應變），可準確預測薄膜起皺-消皺現象（經典馮卡門板模型無法正確預測）；(3)發展了光-熱-力場耦合作用下的液晶高聚物板大撓度彎曲/屈曲非線性板模型，揭示了柔性結構多物理場失穩行為的內在機理，對柔性結構力學穩定性理論、多尺度多場耦合建模與計算方法做出了創新性貢獻；(4)發現了曲率影響下薄膜結構失穩中的新型分岔行為，揭示了曲率影響下軟薄膜的非線性失穩形貌演化機理及動態全景，解決了上世紀60年代前人實驗研究軸壓下金屬薄殼屈曲的模態選擇問題，為多功能表面製造的力學調控與設計提供了新思路；(5)首次發現水基影響植物生長形貌及內在力學機理。提出了各向異性生長馮卡門板模型，能準確預測各種植物生長形貌演化，並通過基底或邊緣驅動表面失穩來實現仿生可展結構形貌控制的新思路；(6)提出了基於力學設計的柔性電子多級碳納米管結構（仿生肌肉）纖維感測器，實現了可植入柔性電子感測器與生物組織長期變形協調相容，用於生物醫學工程中多種疾病的長期實時在體監測，在生物電子學領域發展出一個新的方向。相關結果以第一/通訊作者在國際權威學術期刊PRL (2篇)、Nature Biomed. Eng. (1篇)、JMPS (2篇)、Adv. Funct. Mater. (1篇)、IJES (1篇)、IJSS (2篇)、EML (2篇)、IJNLM (2篇)、Sci. Rep. (1篇)和IJAM (1篇)上發表SCI論文15篇。成果被《自然∙物理》(Nature Phys. 14, 534)作為Picture Story專題評論報導，被PRL選為編輯推薦(Editors’ Suggestion)並被美國物理學會Physics網站專題報導。
