向列玻璃膜片程序化变形的若干基本问题研究

向列玻璃是一种模量可达GPa量级的强交联液晶聚合物网络，光照或加热都可导致其发生平行和垂直于指向矢的变形。合理裁剪指向矢分布可对向列玻璃在外部刺激下的变形模式进行编码，进而应用于新型功能器件的设计。目前的合成技术能够产生几乎任意复杂的指向矢分布，定量掌握指向矢分布与向列玻璃变形响应的关系便成为关键。本项目基于理论、模拟和实验，系统研究复杂变化指向矢场及其相关效应对膜片非线性变形和屈曲行为的影响，目标是为实现不同模式的膜片变形编码提供理论基础、设计思路和分析工具。主要研究成果包括： 1. 建立了具有任意三维指向矢分布的向列玻璃膜片变形响应的几何非线性模型，将单畴和多畴指向矢分布、拓扑缺陷、逐点变化的各向异性、光强衰减等因素纳入统一的理论框架. 2. 发展了一种将复杂非均质和各向异性向列玻璃膜片严格等价为均匀各项同性体进而模拟其非线性变形和后屈曲行为的高效数值方法，计算量与指向矢分布的复杂程度无关. 3.预言了局部光照可导致向列玻璃膜片远场面外挠度随距离增加按对数规律放大的现象，给出了理论判据，为通过局部刺激调控膜片大范围变形提供了可能的思路. 4. 通过理论和数值模拟演示了利用多畴指向矢场可使膜片产生多种复杂和可切换变形形貌的可能性，阐明了指向矢场拓扑缺陷符号决定膜片局部面外位移方向的物理机制. 5. 提出引入变化的三维指向矢场拓展向列玻璃膜片面外变形空间的策略，采用逆向设计给出了可使膜片变形为沿单方向任意变化的无应力目标构型的指向矢分布解析解. 基于上述成果，已在Int. J. Solids Struct., J. Appl. Mech., Phys. Rev. E和Thin Solid Films等国际学术期刊发表论文5篇，另有4篇已投稿或被约稿。项目实施过程中培养硕士3名，2名博士生即将毕业；参加国际学术会议2次，国内学术会议11人次；在国内其它单位作学术报告8次，接待国外学者来访交流16人次。 2100433B

向列玻璃是一种新型的强交联液晶聚合物网络，光照或加热都可导致其发生平行和垂直于指向矢的弹性变形。已有的研究主要致力于在向列玻璃膜片厚度方向引入适当的指向矢分布梯度，以增强其作为驱动器件的光热弯曲敏感性。本项目则根据向列玻璃指向矢分布精确可控的特点，系统探索如何通过设计膜片面内指向矢分布产生丰富多样的二维和三维变形模式，进而实现类似植物生长的由微结构编码主导的按照预先设定模式的变形程序化。由于向列玻璃的刚度比目前广泛研究的凝胶或弹胶材料要高出四个量级，其程序化变形在现代器件方面具有重要的实际意义和诱人的应用前景。项目研究基于理论、模拟和实验，内容主要包括：向列玻璃膜片力学建模，指向矢分布缺陷及相互作用，膜片变形分叉与形貌选择，以及基于指向矢调控的变形模式设计等。基本目标是阐明指向矢分布与膜片宏观变形的定量关系，为实现不同模式的程序化变形及其在相关器件中的应用提供理论基础、设计思路和分析工具。

本书利用力学、物理学、协同学等的理论及方法研究了岩体动力变形与破坏的基本问题。这些问题包括岩体变形破坏的微观动力机理、岩体的强度理论、岩体的动力破坏规律及非平衡过程、岩体变形破坏的动力模型、爆炸波在岩体中的传播规律、岩体的构造层次及其成因、岩体的构造层次及其力学行为、应力波对于地下坑道的动力作用、深部巷道围岩变形的时间过程、微粒子对于固体的超深侵彻机理。本书对时间因素及岩体的构造层次因素对于岩体动力变形破坏的影响给予了特别的关注，并取得了许多独特的成果。

本书可供矿业工程、岩土工程、防护工程、地下工程、地球物理学、固体力学等专业的师生、科研工作者及工程师学习参考。

前言

引言

参考文献

第1章 材料变形及损伤演化的微观物理动力机理

1.1 基于微观物理动力机理的变形及损伤演化的基本方程

1.2 不考虑损伤对转换概率影响时材料的变形及损伤

1.3 考虑损伤对转换概率影响时材料的变形及损伤

1.4 结论

参考文献

第2章 固体材料的强度理论及动力破坏的一些特性

2.1 经典的强度理论

2.2 双剪理论及统一强度理论

2.3 固体的统计强度理论

2.4 一些考虑时间及构造的强度理论

2.5 关于材料动力破坏的一些特性

2.6 总结

参考文献

第3章 关于剥离的非平衡动力过程及混合破坏准则

3.1 已有的一些破坏动力过程的研究

3.2 剥离破坏非平衡动力过程

3.3 剥离破坏的混合破坏准则

3.4 总结

参考文献

第4章 硬岩变形与破坏的动力模型

4.1 概述

4.2 硬岩破碎区的力学行为

4.3 坚硬岩体非破坏区的力学模型

4.3 总结

参考文献

第5章 半坚硬岩石的动力模型

5.1 概述

5.2 半坚硬孔隙介质的一种本构关系

5.3 半坚硬岩石的实用动力模型

5.4 总结

参考文献

第6章 岩石中爆炸波的传播及岩石的破坏规律

6.1 基本实验结果

6.2 自由表面对介质爆炸变形的影响

6.3 爆炸作用下岩石变形破坏区划的解析解

6.4 球面波在具有内摩擦的介质中的衰减规律

6.5 在具有硬化、内摩擦及膨胀的岩石中应力波的衰减

6.6 岩石强度的应变率依赖性对于应力波传播及岩石破坏的影响

6.7 岩石的力学性质对于岩石的变形与破坏的影响

6.8 总结

参考文献

第7章 材料变形及破坏的微细宏观层次

7.1 材料变形与破坏的微观水平

7.2 细观水平上的变形及破坏描述

7.3 变形与破坏的宏观水平

7.4 总结

参考文献

第8章 岩体的构造层次

8.1 概述

8.2 嵌入系数的物理实质

8.3 岩体的构造层次形成的外部原因

8.4 岩体构造层次形成的内在物理原因

8.5 不同的结构层次上岩体变形破坏的能量关系

8.6 地质体的构造层次变形破坏的动力特性及地震预报

8.7 岩体的非均匀构造模型及弹性波的衰减

8.8 总结

参考文献

第9章 固体构造层次及其力学行为

9.1 岩体的构造层次及其黏性

9.2 岩石等脆性材料动力强度依赖应变率的物理机制

9.3 动载作用下材料动力特性的结构方面的特性

9.4 岩体的平均破坏块体尺寸及块体尺寸分布

9.5 总结

参考文献

第10章 应力波对于地下坑道的动力作用

10.1 应力波对于坑道的作用

10.2 拟静法求解长应力波对于坑道衬砌的作用

10.3 岩体的动力特性及坑道震塌规律的实验及理论研究

10.4 作用于坑道上的动力载的实用计算方法

10.5 总结

参考文献

第11章 深部巷道围岩变形的时间过程

11.1 极限应力后的应力应变关系

11.2 基于弹塑性模型的巷道周围的应力状态

11.3 深部巷道围岩的流变

11.4 深部巷道岩体的分区破裂化现象

11.5 总结

参考文献

第12章 固体的受激状态及微粒子对于固体的超深侵彻

12.1 微粒子对于靶体的超深侵彻及其特点

12.2 微粒子对于靶体的超深侵彻机理的研究情况

12.3 微粒子超深侵彻机理的连续介质模型

12.4 超深侵彻微粒子阻力异常低的物理机理

12.5 结论

参考文献2100433B