国家自然科学奖初评通过项目-轻质层合结构多尺度力学研究
| 项目名称： | 轻质层合结构多尺度力学研究 |
| 推荐单位： | 广东省 |
| 项目简介： | 轻质层合结构主要包括纤维增强复合材料叠层结构和夹层板壳结构。该类结构是航空航天等工程领域最主要的承载结构，其设计以高强轻质为目标，对理论计算有很高要求。由于几何形状的复杂性和内部结构的多层次，轻质层合结构的力学分析十分困难，一直是理论研究难点和工程设计瓶颈。本项目是刘人怀院士近三十年来带领研究生和助手开展的应用基础理论的系统性创新性研究，主要特点是从纳米观到宏观层次对轻质层合结构的细观材料结构、铺层特性、铺层界面行为、以及结构宏观力学响应进行了系统的多尺度建模、分析和计算。主要成果为： ●发展了层合结构线性和非线性力学行为的理论以及分析方法。所提出的非线性分析的修正迭代法精度高、使用简便，首次建立了典型层合结构非线性弯曲、稳定和振动问题的理论并给出解析解；线性分析方法将三维问题简化为二维问题，首次获得了层合板状结构线性力学响应的一系列封闭形式的三维精确解析解。 ●建立了具有完善和弱化界面的层合结构一般理论。这些理论同时兼顾层合壳体模型中局部和整体效应，消除了以往完善层界面应力不连续的矛盾，首次提出了具有弱化层界面的壳体模型。 ●揭示了层合结构非线性界面脱层产生和传播的基本规律。首次给出脱层传播全过程的封闭解析解。 ●奠定了复合材料铺层微极细观力学理论的基础。获得了微极介质中最典型的球形和柱形夹杂弹性场仅有的两个解析解，为建立能够反映增强相尺度效应的铺层微极细观力学模型提供了不可或缺的基础。 至2008年2月，本项目出版中英文著作7本，发表论文225篇，包括在非线性(Int. J. Non-Linear Mech.)、固体结构(Int. J. Solids Struct.)、复合材料（Composites Science and Technology)、振动(J. Sound Vibration)、航空航天(AIAA J.)五个领域国际顶级权威学报分别发表论文12、10、4、5、4篇。不含1990年前数据，在国际期刊发表SCI论文125篇，EI论文123篇，被世界五大洲1000多位其他学者SCI正面引用1192次，其中8篇代表作被来自美、德、英、日、俄、法、意、加等25个主要国家和地区的336位学者在93种SCI期刊的论文中正面引用334次，产生重要国际影响，受到包括美国工程科学学会前主席、普林斯顿大学Eringen教授和英国皇家学会会员、卡文迪许实验室Edwards教授等国际权威学者赞誉，获得"原创性工作"，"先驱性工作"等高度评价。 本项目的一些成果巳应用于含裂纹桥梁的复合材料修复加固技术、纤维缠绕固体火箭发动机壳体的结构设计、以及新型歼击机复合材料的缺陷和损伤分析，为我国自主创新设计制造最新型歼击机提供复合材料设计依据，为轻质层合结构的理论发展和复合材料替代金属材料作出贡献，为飞行器、机械、交通等工程设计提供了重要指导。 项目培养人才：院士1人，杰青1人，百人计划2人，博导11人，教授17人，博士34人等。项目部分成果获2006年广东省科学技术一等奖、1997年广东省自然科学一等奖、1994年和1998年国务院侨办科技进步一等奖。 |
| 主要完成人： | 刘人怀 开展了层合结构多尺度力学研究，以原创的修正迭代法和其他方法开创性地研究了层合板壳结构的非线性问题。首次建立了层合圆板、矩形板、椭圆板、扁球壳、圆柱壳和扁锥壳的几何非线性理论，不但能考虑各向异性、材料非均匀性、剪切变形以及几何非线性的整体影响，而且在数学上有较好的可驾御性，得到的结果精确可靠。刘人怀院士是项目的组织者和开创者。同时，在第一和第二发现点上做出了创造性贡献。支撑材料见代表作1、2。投入在该项目的工作量占本人工作量的70%。 傅衣铭 提出层合中厚板壳结构进行非线性静、动力学分析的理论和方法；建立了三种适用于层合板壳结构分析的粘弹性损伤本构模型；首次研究了具损伤粘弹性层合板壳结构的动态分岔与混沌运动特性。在第一和第二发现点上做出了创造性贡献。支撑材料见代表作3。投入在该项目的工作量占本人工作量的70%。 何陵辉 提出界面剪应力连续的多层复合材料结构模型；提出复合材料基体均匀场方法；合作获得微极夹杂问题的解；研究粘性界面对复合材料宏观力学行为的影响。在第二和第四发现点上做出了创造性贡献。支撑材料见代表作2、4、5。投入在该项目的工作量占本人工作量的70%。 成振强 建立具有损伤界面的复合材料层合板壳的线性和几何非线性理论；获得球形和柱形夹杂的微极弹性理论解；获得层合板线性问题的一系列三维解析解。在第一、第二和第四发现点上做出了创造性贡献。支撑材料见代表作5、7、8。投入在该项目的工作量占本人工作量的70%。 袁鸿 发现了界面裂纹的传播规律和破坏机理，得到了承载力，有效粘结长度的解析表达式。相关成果成功地应用到了广东省的多座桥梁加固中，具有重要的现实意义。在第三发现点上做出了创造性贡献。支撑材料见代表作6。投入在该项目的工作量占本人工作量的70%。 |
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