多场耦合梁板结构静动力学行为

自然科学奖提名号：120-233项目名称多场耦合梁板结构静动力学行为提名单位河北省教育厅项目简介本项目属于固体力学学科，与动力学与控制、电磁学等相关联。微纳尺度多场耦合结构具有多场耦合效应和尺度效应，与宏观弹性材料相比，其强度和稳定性研究一直是这种结构设计和应用过程中富有挑战性的难题。经典弹性理论由于不含长度尺度参数，已经不能准确描述微纳结构系统的力学行为，为此，进一步的理论创新和探索是摆在我们面前的迫切任务。本项目采用应变梯度理论、偶应力理论、非局部理论和表面应力理论等，对微纳尺度下的多场耦合（主要为压电和磁电）梁板的弯曲、屈曲及自由振动等力学问题进行了深入、系统的研究。通过研究，发现了一些新现象，揭示了一些新规律，发展了一些理论。主要贡献如下：建立微尺度多场耦合功能梯度梁板结构力学模型。率先将修正偶应力理论与应变梯度理论应用于均匀或功能梯度压电梁板结构的弯曲和自由振动问题。发展了力电耦合效应下的尺度相关理论，揭示了两种尺度相关理论和微尺度梁板结构的梯度因子对压电梁板结构弯曲挠度、电势及振动频率的影响规律。建立纳米多场耦合梁板结构力学模型。将非局部弹性理论与力电磁多场耦合效应相结合，建立了非局部多场耦合梁板结构的屈曲及自由振动模型，给出了纳米尺度下多场耦合梁板结构的力学行为变化规律。建立了考虑表面效应压电纳米板弯曲问题的力学模型，揭示了考虑表面效应时结构几何参数、尺度参数及电位移等对弯曲挠度的影响机理。揭示弹性基础上的多场耦合板的力学特性。最早研究了位于弹性基础上的磁电板的屈曲和自由振动问题。对于位于弹性基础上的磁电板，获得了屈曲载荷和自振频率随弹性基础弹簧系数、剪切系数的变化规律。项目科学价值：本项目对微纳尺度多场耦合梁板结构研发与应用中急需解决的多场耦合效应、尺度效应等关键科学问题进行了系统研究，建立了多场耦合梁板弯曲、屈曲和自由振动的一系列新模型，获得了相应一些问题的理论解，揭示了尺度效应、多场耦合效应、非均匀性等因素对结构弯曲、屈曲与振动的影响机理，丰富了结构力学的研究内容和分析方法，促进了固体力学、动力学与控制及电磁学的相互交叉和结合，为这类结构的优化设计和应用提供了理论支撑。该项目主要特点：（1）研究对象、研究方法的创新性，创造性地将修正应变梯度理论、修正偶应力理论、非局部理论应用到多场耦合梁板结构；（2）研究领域的多学科交叉性，项目涉及固体力学、动

力学与控制及和电磁学等领域；（3）研究成果影响的广泛性，该项目理论研究有较大突破，研究成果发表在力学、材料、工程等领域国际重要学术刊物上，获得了国内外著名学者的引用和好评。本项目8篇代表性论文均为SCI收录（SCI他引297次），其中2015年发表在本领域权威杂志《IntJEngnSci》上的论文为高被引论文（HighlyCitedPaper）o代表性论文专著目录Y.S.Li,E.Pan,Staticbendingandfreevibrationofafunctionallygradedpiezoelectricmicroplatebasedonthemodifiedcouple-stresstheory,InternationalJournalofEngineeringScience,2015,97:40-5（SCI2区，IF:3.165SCI他引79次）Y.S.Li,W.J.Feng,Z.Y.Cai,Bendingandfreevibrationoffunctionallygradedpiezoelectricbeambasedonmodifiedstraingradienttheory,CompositeStructures,2014,115:41-50（SCI2区，IF:3.318SCI他引54次）Y.S.Li,W.J.Feng,Microstructure-dependentpiezoelectricbeambasedonmodifiedstraingradienttheory.SmartMaterialsandStructures,4,2014,23（9）:095004.（SCI2区，IF:2.502SCI他引1次）4,Y.S.Li,Z.YCai,S.Y.Shi,Bucklingandfreevibrationofmagnetoelectroelasticnanoplatebasedonnonlocaltheory,CompositeStructures,201111:522-529.（SCI2区，IF:3.318SCI他引84次）Y.S.Li,P.Ma,W.Wang,Bending,buckling,andfreevibrationofmagnetoelectroelasticnanobeambasedonnonlocaltheory,JournalofIntelligiMaterialSystemsandStructures,2016,27:1139-1149CSCI3区，IF:2.255SCI他引22次）YS.Li,E.Pan,Bendingofasinusoidalpiezoelectricnanoplatewithsurfaceeffect,CompositeStructures,2014,136:45（SCI2区，IF:3・858SCI他引23次）4,Y.S.Li,J.J.Zhang,FreevibrationanalysisofmagnetoelectroelasticplaterestingonaPasternakfoundation,SmartMaterialsandStructures,20]4,23:025002.（SCI2区，IF:2.502SCI他引17次）Y.S.Li,BucklinganalysisofmagnetoelectroelasticplaterestingonPasternakelasticfoundation,Mechanicsresearchcommunications,2014,56104-114.（SCI3区，IF:1.502SCI他引17次）主要完成人情况表（排名、姓名、技术职称、工作单位、对本项目技术创造性贡献、曾获奖励情况）排名姓名技术职称工作单位完成单位贡献曾获奖情况1李艳松教授河北工程河北工程项目负责人，组织实施了本项目的科学研究，对本项无

大学大学目全部三个科学发现点均有重要贡献，发展了多场耦合效应与尺度效应的联系理论，系统研究了多场耦合结构尺度相关力学问题；论文1-8的第1作者；国家自然科学基金项目（11272223）参与人，河北省自然科学基金项目（E2013402077）负责人；在该项目中投入工作占本人总工作量的80%。2冯文杰教授石家庄铁道大学石家庄铁道大学项目参与人，对本项目第一个科学发现点有重要贡献，首次将修正应变梯度理论用于多场耦合结构力学领域；论文2和3的第2作者；国家自然科学基金项目（11272223）负责人；在该项目中投入工作占本人总工作量的55%。2014年河北省自然科学奖二等奖（排名第一）；2012年河北省自然科学奖一等奖（排名第二）；2004年河北省自然科学奖二等奖（排名第二）3张京军教授河北工程大学河北工程大学项目参与人，对本项目第三个科学发现点有重要贡献，系统进行了宏观尺度多场耦合结构力学研究；论文7的第2作者；在该项目中投入工作占本人总工作量的35%。2012年河北省科技进步奖二等奖（排名第一）；2007年河北省自然科学奖三等奖（排名第三）；2000年河北省科技进步奖二等奖（排名第一）4蔡振禹正高级工程师邢台学院河北工程大学项目参与人，对本项目第一、一个科学发现点有重要贡献，率先进行了应变梯度理论和非局部理论用于微纳米尺度多场耦合结构研究；论文2的第3作者、论文4的第2作者；在该项目中投入工作占本人总工作量的25%。无完成人合作关系说明本项目由河北工程大学与石家庄铁道大学和邢台学院组成的项目组共同完成。李艳松为项目负责人，组织实施了本项目研究。李艳松（第1作者）与冯文杰（第2作者）和蔡振禹（第3作者）研究了功能梯度压电梁的静态弯曲与自由振动问题，合作发表了论文2；李艳松（第1作者）与冯文杰（第2作者）研究了均匀压电梁的弯曲与振动问题，合作发表了论文3；李艳松（第1作者）与张京军（第2作者）研究了位于弹性基础上的磁电板的自由振动问题，合作发表了论文7；李艳松（第1作者）与蔡振禹（第2作者）将连续介质力学非局部理论推广到磁电弹多场耦合领域，建立了磁电纳米板（忽略面内电场和磁场）屈曲及自由振动问题，合作发表了论文4。本人承诺对上述内容的真实性负责。第一完成人：李艳松 2019年4月17日

完成人合作关系情况汇总表序号合作方式合作者/项目排名合作时间合作成果备注1共同立项共同论文李艳松/1，冯文杰/22012-2017国家自然科学基金项目(11272223)Bendingandfreevibrationoffunctionallygradedpiezoelectricbeambasedonmodifiedstraingradienttheory,CompositeStructures,2014,115:41-50.Microstructure-dependentpiezoelectricbeambasedonmodifiedstraingradienttheory.SmartMaterialsandStructures,2014,23(9):095004.2共同论文李艳松/1，张京军/32013-2017FreevibrationanalysisofmagnetoelectroelasticplaterestingonaPasternakfoundation,SmartMaterialsandStructures,2014,23:025002.3共同论文李艳松/1，蔡振禹/42013-2017Bendingandfreevibrationoffunctionallygradedpiezoelectricbeambasedonmodifiedstraingradienttheory,CompositeStructures,2014,115:41-50.Bucklingandfreevibrationofmagnetoelectroelasticnanoplatebasedonnonlocaltheory,CompositeStructures,2014,111:522-529.知情同意报奖证明InformedConsentCertificateforAwardApplicationIkn&wandag做倾血papers"YS.Li,E,Pan,SUticbendingandfretvibrationofafunctionallygradedpiczocteclricmicroplatcbasedonthemodifiedcouple-stresstheory.InternationalJournalofEngineeringScience,2O15197:49-59**andS.Li,E.Pan.Bendingofasinusoida!piezoelectricnanoplate:withsurfaceeffect.CompositeStructures,2014,115:41-50"areusedasthesupportingmalenalstoapplyforthe2019NaturalScienceAwardo