曲面膜基系统表面失稳与后屈曲分岔的多尺度研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11602058
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0804.接触、摩擦与表界面力学
  • 结题年份:
    2019
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2019-12-31

项目摘要

Wrinkling of a thin layer bonded to a curved substrate has been widely observed in nature such as wrinkles of hornbeam leaf and human skin. Besides, in modern industry, such structures have been widely applied in large area, ranging from the micro/nano-fabrication of flexibly stretchable electronic devices with controlled morphological patterns, the coating of optical lens, to the design of advanced functional materials. Most previous works have been mainly constrained to study the occurrence and development of surface wrinkles in planar film/substrate systems under external loading. However, the formation and evolution of surface patterns in curved film/substrate systems are still lacking, e.g. the mechanism and degree of the Gaussian curvature effect on instability pattern formation. The prediction and control of wrinkling process under curvature constraints become a promising technique for micro/nano-scale surface patterning fabrication. The present multi-scale study aims at quantitatively investigating the whole view of instability pattern formation in curved film/substrate systems, through finite element modelling and advanced nonlinear numerical approaches, on the combination of analytical analyses based on buckling theories, to explore, describe, understand and ultimately to predict the post-buckling evolution, multiple bifurcations and surface mode transitions in curved film/substrate systems. Moreover, the underlying mechanism of curvature effect on pattern selection will be explored. The numerical and theoretical results obtained from this research could be used to guide the design of new functionally layered materials and structures. Furthermore, macroscopic reduced-order models of curved film/substrate systems generated from a Fourier-related multi-scale modelling approach will be developed to provide an efficient way to compute large-scale instability problems with a significant reduction of computational cost.
曲面基底上薄膜的褶皱是自然界中普遍存在的现象如树叶的纹路和皮肤的皱纹;同时在现代工业中也已被广泛应用于可拉伸电子器件的制造、光学镜头的镀膜和功能性材料的设计等。已有的研究主要集中于平面膜基系统在外荷载下表面起皱的发生和发展,对曲面膜基系统表面形貌的演化仍不清楚,比如高斯曲率对失稳起皱的影响机理和影响程度等。预测和控制曲率限制下的起皱过程已逐渐成为现代工业中一种很有前景的技术,例如可应用于微纳米级的表面图案生产。本项目旨在从多尺度角度定量地研究曲面膜基系统的失稳全貌,以有限元建模计算和先进的非线性数值方法为主要手段,屈曲理论分析为辅,来发现、描述、理解和预测曲面几何形貌下膜基系统的后屈曲多重分岔和模态演化,并挖掘其背后所蕴含的力学机理,为设计新型功能性材料提供理论依据和模拟支持。同时,以期对曲面膜基系统建立宏观缩减的多尺度模型来显著地降低计算成本,为大尺度周期性失稳计算提供一种高效的方法。

结项摘要

本项目从多尺度角度定量地研究曲面柔性薄膜结构失稳全貌,来发现、描述、理解和预测曲面几何形貌下后屈曲多重分岔和模态演化,并挖掘其背后所蕴含的力学机理,为设计新型功能性柔性材料/结构/器件提供参考。项目资助下取得的重要成果包括:(1)发展了先进的非线性理论和数值方法,提出了研究软物质薄膜结构失稳问题的系统求解方案,解决了“蛇回”跳变失稳、大变形、多稳态解和多重分岔等强非线性问题定量求解难题,实现了非线性系统后屈曲失稳和形貌演化路径的高效预测及连续追踪;(2)建立了适用于各种超弹性本构的改进冯卡门板模型(面内大应变),可准确预测薄膜起皱-消皱现象(经典冯卡门板模型无法正确预测);(3)发展了光-热-力场耦合作用下的液晶高聚物板大挠度弯曲/屈曲非线性板模型,揭示了柔性结构多物理场失稳行为的内在机理,对柔性结构力学稳定性理论、多尺度多场耦合建模与计算方法做出了创新性贡献;(4)发现了曲率影响下薄膜结构失稳中的新型分岔行为,揭示了曲率影响下软薄膜的非线性失稳形貌演化机理及动态全景,解决了上世纪60年代前人实验研究轴压下金属薄壳屈曲的模态选择问题,为多功能表面制造的力学调控与设计提供了新思路;(5)首次发现水基影响植物生长形貌及内在力学机理。提出了各向异性生长冯卡门板模型,能准确预测各种植物生长形貌演化,并通过基底或边缘驱动表面失稳来实现仿生可展结构形貌控制的新思路;(6)提出了基于力学设计的柔性电子多级碳纳米管结构(仿生肌肉)纤维传感器,实现了可植入柔性电子传感器与生物组织长期变形协调相容,用于生物医学工程中多种疾病的长期实时在体监测,在生物电子学领域发展出一个新的方向。相关结果以第一/通讯作者在国际权威学术期刊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)上发表SCI论文15篇。成果被《自然∙物理》(Nature Phys. 14, 534)作为Picture Story专题评论报道,被PRL选为编辑推荐(Editors’ Suggestion)并被美国物理学会Physics网站专题报道。

项目成果

期刊论文数量(18)
专著数量(0)
科研奖励数量(2)
会议论文数量(30)
专利数量(0)
Post-buckling evolution of wavy patterns in trapezoidal film/substrate bilayers
梯形薄膜/基底双层中波浪图案的屈曲后演化
  • DOI:
    10.1016/j.ijnonlinmec.2017.08.006
  • 发表时间:
    2017-11
  • 期刊:
    International Journal of Non-Linear Mechanics
  • 影响因子:
    3.2
  • 作者:
    F. Xu;T. Wang;C. Fu;Y. Cong;Y. Huo;M. Potier-Ferry
  • 通讯作者:
    M. Potier-Ferry
Photo-controlled patterned wrinkling of liquid crystalline polymer films on compliant substrates
柔顺基材上液晶聚合物薄膜的光控图案起皱
  • DOI:
    10.1016/j.ijsolstr.2017.10.018
  • 发表时间:
    2018-02
  • 期刊:
    International Journal of Solids and Structures
  • 影响因子:
    3.6
  • 作者:
    Chenbo Fu;Fan Xu;Yongzhong Huo
  • 通讯作者:
    Yongzhong Huo
Light-Boosting Highly Sensitive Pressure Sensors Based on Bioinspired Multiscale Surface Structures
基于仿生多尺度表面结构的光增强高灵敏压力传感器
  • DOI:
    10.1002/adfm.201907091
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Advanced Functional Materials
  • 影响因子:
    19
  • 作者:
    Shixiong Yu;Lele Li;Juanjuan Wang;Enping Liu;Jingxin Zhao;Fan Xu;Yanping Cao;Conghua Lu
  • 通讯作者:
    Conghua Lu
Pattern transitions in a soft cylindrical shell
软圆柱壳中的图案过渡
  • DOI:
    10.1103/physrevlett.120.215503
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Physical Review Letters
  • 影响因子:
    8.6
  • 作者:
    Yifan Yang;Hui-Hui Dai;Fan Xu;Michel Potier-Ferry
  • 通讯作者:
    Michel Potier-Ferry
On the wrinkling and restabilization of highly stretched sheets
关于高拉伸片材的起皱和重新稳定
  • DOI:
    10.1016/j.ijengsci.2018.12.002
  • 发表时间:
    2019-03
  • 期刊:
    International Journal of Engineering Science
  • 影响因子:
    6.6
  • 作者:
    Ting Wang;Chenbo Fu;Fan Xu;Yongzhong Huo;Michel Potier-Ferry
  • 通讯作者:
    Michel Potier-Ferry

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  • 作者:
    李茂西;徐凡;王明文
  • 通讯作者:
    王明文

其他文献

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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