力電耦合物理力學(xué)計(jì)算方法

前言

　　力電耦合智能材料在艦艇聲吶和超聲檢測(cè)等多個(gè)高新技術(shù)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用，但相關(guān)技術(shù)和研究人員在定量理解和預(yù)測(cè)材料行為、不斷提高其相關(guān)器件性能方面還有許多工作需要開展。另一方面，MEMS和NEMS技術(shù)的進(jìn)步也為此類材料在小尺度下的性能研究提出新的課題。由于壓電／鐵電等智能材料存在力電耦合、非線性、微結(jié)構(gòu)演化、表面效應(yīng)、尺度效應(yīng)等多個(gè)復(fù)雜因素，使得理論研究面臨很大的挑戰(zhàn)。而在力電耦合復(fù)雜載荷及微納米尺度下的實(shí)驗(yàn)研究也具有一定的困難，因此作為與理論、實(shí)驗(yàn)并列的第三種研究手段的計(jì)算顯示出一定的優(yōu)勢(shì)?！　∮捎诂F(xiàn)有計(jì)算機(jī)硬件和算法的限制，在力電耦合計(jì)算研究中很難既兼顧原子／電子層面的細(xì)節(jié)，又得到材料／整體性能的預(yù)測(cè)，如第一性原理方法一般只能計(jì)算幾十個(gè)至幾百個(gè)原子，而遠(yuǎn)不夠模擬大量電疇翻轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。本書作者的研究團(tuán)隊(duì)近二十年針對(duì)智能材料不同層次的行為性能研究，發(fā)展或應(yīng)用了多個(gè)尺度下的力電耦合計(jì)算方法，獲得的系列計(jì)算成果不僅有助于自微觀至宏觀多級(jí)地理解相關(guān)材料行為，并可以定量預(yù)測(cè)優(yōu)化智能材料器件性能。全書共10章，系統(tǒng)地闡述作者在此方向上的工作。第1章介紹力電耦合智能材料的背景知識(shí)；第2-4章介紹非線性力電耦合的連續(xù)介質(zhì)模擬方法，包含有限元方法和無(wú)網(wǎng)格法；第5、6章呈現(xiàn)的是包含細(xì)觀層面微結(jié)構(gòu)信息的模擬方法，含蒙特卡羅方法和相場(chǎng)方法；第7一lo章則是原子分辨率下的力電耦合計(jì)算方法，含分子動(dòng)力學(xué)算法、原子有限元方法、緊束縛方法、第一性原理方法。本書各章在介紹計(jì)算方法時(shí)同時(shí)也展示了作者研究團(tuán)隊(duì)一些針對(duì)具體材料／器件的計(jì)算研究案例，這些成果中有些可以幫助理清理論或?qū)嶒?yàn)中難以得到的認(rèn)識(shí)空白，有些對(duì)器件設(shè)計(jì)給出了實(shí)際指導(dǎo)意義，并且相關(guān)工作發(fā)表后得到此領(lǐng)域?qū)W者的認(rèn)可或借鑒?！　　?/pre>


內(nèi)容概要
　　力電耦合智能材料在艦艇聲納和超聲檢測(cè)等多個(gè)高新技術(shù)領(lǐng)域有重要的應(yīng)，用，在研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)此類材料／器件中，作為與理論、實(shí)驗(yàn)并列的第三種研究手段的計(jì)箕扮演著越來(lái)越關(guān)鍵的角色。作者的研究團(tuán)隊(duì)近二十年針對(duì)智能材料不同層次的行為性能研究發(fā)展了多個(gè)尺度下的力電耦合計(jì)算方法，其中包括第一性原理、分子動(dòng)力學(xué)算法、原子有限元方法、蒙特卡羅方法、相場(chǎng)方法、有限元方法等，并對(duì)一些重要的力電耦合性質(zhì)進(jìn)行了研究，得到一些對(duì)實(shí)際應(yīng)用有指導(dǎo)意義的結(jié)果?！丁笆濉眹?guó)家重點(diǎn)圖書：力電耦合物理力學(xué)計(jì)算方法》不僅是材料及力學(xué)學(xué)者進(jìn)行力電耦臺(tái)智能材料性能計(jì)算研究的參考書，也是一本帶有案例的綜合介紹各種力電耦合計(jì)算方法的專著，適合相關(guān)研究人員和技術(shù)人員閱讀。



書籍目錄
第1章緒論1.1 力電耦合材料的研究背景1.2 壓電／鐵電材料的基礎(chǔ)知識(shí)1.2.1 壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)1.2.2 鐵電材料1.3 鐵電材料計(jì)算力學(xué)的研究現(xiàn)狀1.3.1 鐵電材料的理論研究1.3.2 納米鐵電材料的數(shù)值計(jì)算1.4 內(nèi)容要覽參考文獻(xiàn)第2章 線性力電耦合有限元方法2.1 控制方程及定解條件2.2 基于變分原理的有限元格式推導(dǎo)參考文獻(xiàn)第3章 非線性力電耦合有限元方法3.1 單元和電疇的關(guān)系3.2 由場(chǎng)量來(lái)確定新的電疇分布及迭代過(guò)程3.3 驗(yàn)證及算例3.3.1 本構(gòu)曲線驗(yàn)證3.3.2 含孔或裂紋的鐵電結(jié)構(gòu)算例3.3.3 層狀壓電／鐵電陶瓷制動(dòng)器方案數(shù)值優(yōu)化及討論參考文獻(xiàn)第4章 無(wú)網(wǎng)格力電耦合計(jì)算方法4.1 力電耦合的無(wú)網(wǎng)格法的基本格式4.1.1 基本原理4.1.2 關(guān)于矩陣A-l（x）的導(dǎo)數(shù)4，2 力電耦合無(wú)網(wǎng)格法的若干問(wèn)題4.2.1 權(quán)函數(shù)及結(jié)點(diǎn)影響半徑的選取4.2.2 對(duì)裂紋問(wèn)題的處理4.2.3 材料界面問(wèn)題的討論4.2.4 積分域方案的選取——無(wú)背景積分網(wǎng)格4.2.5 積分域方案的選取——有背景積分網(wǎng)格4.2.6 壓電材料參數(shù)4.2.7 程序結(jié)構(gòu)4.3 數(shù)值算例4.3.1 含圓孔的無(wú)限大板4.3.2 橢圓夾雜4.3.3 雙邊裂紋試件4.3.4 垂直于壓電薄膜與基體界面的裂紋4.3.5 壓電薄膜與基體界面內(nèi)裂紋參考文獻(xiàn)第5章 蒙特卡羅力電耦合計(jì)算方法5.1 含橢球夾雜鐵電體的細(xì)觀力電耦合場(chǎng)5.1.1 本構(gòu)方程5.1.2 鐵電材料的能量5.1.3 夾雜力電耦合場(chǎng)的求解5.1.4 同性?shī)A雜問(wèn)題5.1.5 異性?shī)A雜問(wèn)題5.1.6 夾雜的相互作用5.2 二階細(xì)觀力學(xué)5.2.1 單晶鐵電材料5.2.2 多晶鐵電材料5.3 電疇翻轉(zhuǎn)的蒙特卡羅過(guò)程5.4 數(shù)值計(jì)算過(guò)程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較5.4.1 計(jì)算步驟5.4.2 與單軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較5.4.3 與多軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較參考文獻(xiàn)第6章 相場(chǎng)方法6.1 傳統(tǒng)相場(chǎng)方法介紹6.1.1 相場(chǎng)模型的建立6.1.2 數(shù)值解法6.2 尺度效應(yīng)的力電耦合相場(chǎng)方法6.2.1 納米鐵電薄膜的相場(chǎng)方法6.2.2 模擬結(jié)果與討論……第7章 力電耦合分子動(dòng)力學(xué)第8章 力電耦合原子有限元方法第9章 連續(xù)介質(zhì)與緊束縛方法結(jié)合的力電耦合方法第10章 力電耦合的第一性原理計(jì)算研究









圖書封面






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