广义电磁热弹扩散问题多场耦合行为研究

The multi-fields coupling mechanical behavior of structures serving in complex environments has become not only a research hot point but also a difficult point in solid mechanics, which is also a fundamental mechanical proposition that has to be faced in the design of safety and function of structures. This project aims at investigating the multi-fields coupling dynamic responses of generalized electromagneto-thermoelastic diffusive problems in the context of the theory of generalized thermoelastic diffusion proposed recently. The theory of generalized thermoelastic diffusion can characterize not only the coupling effects among temperature field, deformation field and diffusion field, but also the propagation features of themoelastic wave and diffusive wave. The emphasis of this project is to thoroughly examine the effects of temperature-dependent material properties, magnetic field as well as rotation on the dynamic responses of generalized thermoelastic-diffusive problems respectively. The distributions of temperature, displacement, stress, concentration, chemical potential as well as electrodynamic variables will be obtained quantitively by analytical or numerical methods to accurately reveal the propagating behaviors of themoelastic wave and diffusive wave, and the coupling effects among temperature field, deformation field, diffusion field and magnetic field. Through the investigations on the dynamic responses of the generalized electromagneto-thermoelastic diffusive problems, the achievements are expected not only to enrich the research categories of the thermodynamics, but also to provide theoretical guidelines for the design of safety and function of structures serving in complex environments.

结构在复杂服役环境下的多场耦合的力学行为，既是固体力学领域所关注的热点和难点问题，也是结构安全性和功能性设计所面临的基础性力学问题。本项目将基于新近发展得到的广义热-弹-扩散理论，拟就弹性介质的广义电磁热弹扩散多场耦合问题的动态响应开展研究。广义热-弹-扩散理论既可以描述温度场、弹性场和扩散场间的耦合效应，又可以描述热弹波和扩散波的传输特性。本项目将围绕：考虑材料的特性参数随温度变化的广义热-弹-扩散耦合问题、考虑电磁场效应的广义电磁-热-弹-扩散耦合问题及考虑转动效应的广义热-弹-扩散问题的动态响应进行深入研究，定量得到弹性介质中温度、位移、应力、浓度、化学势及电磁学量等的变化规律，以期准确揭示热弹波及扩散波的传输行为，及温度场、弹性场、扩散场及电磁场等多物理场间的耦合效应。对这些内容的研究既可丰富热弹性动力学的研究范畴，又可为结构在复杂服役环境下的安全性和功能性设计提供理论依据。

随着超短脉冲激光加热、超导体的热稳定控制、高性能高密度集成芯片、微电子机械系统(MEMS)等现代高新技术的崛起，建立能描述这些高新技术中所出现的变形场、温度场、电磁场、扩散场等多物理场耦合效应的新理论，得到有效求解多场耦合问题复杂控制方程的解析或数值方法，定量得到温度、位移、应力等关键物理量的分布规律，揭示场间的耦合效应，日益成为了学者们所关注的焦点之一。本项目基于广义热弹扩散理论，就弹性介质的广义热弹扩散问题的动态响应开展了研究。研究内容主要包括四个方面：广义热弹问题的动态响应，广义热弹扩散问题的动态响应，广义电磁热弹问题的动态响应及广义压电热弹问题的动态响应。针对不同问题，主要采用积分变换法、或时域有限元法、或正则模态法，对其控制方程进行了求解，定量得到了温度、位移、应力、电磁学量、浓度、化学势等物理量的分布规律。计算中，重点研究了随温度变化的材料特性参数、外加电磁场、分数阶参数等对各物理量分布的影响效应，结果表明:它们对所考虑的物理量都存在着不同程度的影响;热波、弹性波、扩散波等在弹性介质中的传播速度各不相同，由于热波、弹性波、扩散波传播速度的有限性，温度、位移、应力、浓度等的非零值都处在一个有限的区间内，且各物理量间存在相互耦合的效应。对这些问题的研究，不仅可拓展热弹性动力学的研究范畴，而且可为弹性材料或结构在复杂服役环境下的安全性和功能性设计提供理论依据。.本项目执行状况良好，完成了拟定的研究内容及研究目标，获得了预期的研究成果。受本项目资助，已在国内外学术期刊如《Journal of Thermal Stresses》， 《Advances in Materials Science and Engineering》， 《Mechanics of Advanced Materials and Structures》， 《Acta Mechanica Solida Sinica》， 《European Journal of Mechanics A/Solids》等发表期刊论文25篇，其中SCI源刊论文13篇，EI源刊论文5篇，所有论文都标注了本项目的批准号：11372123。部分研究成果获2017年度甘肃省高校科学技术奖二等奖1项；依托于该基金项目，先后培养研究生15名，其中博士生毕业1名，硕士生毕业11名，硕士生在读3名。