КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 25-29-01724
НазваниеРазработка численных и аналитических методов моделирования и оптимизации магнитоэлектроупругих композитов и функционально-градиентных структур для аддитивных технологий
Руководитель Чебаненко Валерий Александрович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр Южный научный центр Российской академии наук" , Ростовская обл
Конкурс №118 - Конкурс на получение грантов РНФ по мероприятию «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» приоритетного направления деятельности Российского научного фонда «Поддержка проведения научных исследований и развития научных коллективов, занимающих лидирующие позиции в определенных областях науки»
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-106 - Проблемы механики в проектировании новых материалов
Ключевые слова пьезоактивные композиты, функционально-градиентные материалы, магнитоэлектроупругость, представительный объёмный элемент, конечно-элементное моделирование, вариационный принцип, изгибные колебания, генетические алгоритмы, оптимизация свойств, пористые структуры, пьезоэлектричество, межфазные взаимодействия, эффективные модули, аддитивное производство
Код ГРНТИ30.03.17
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект посвящён разработке комплексного подхода к моделированию и оптимизации пьезоактивных композитов и устройств на их основе, включая функционально-градиентные пьезоактивные материалы (ФГПМ) с магнитоэлектроупругими свойствами. Актуальность исследования обусловлена возрастающим спросом на высокоэффективные пьезоэлектрические устройства, такие как актуаторы, генераторы и сенсоры, применяемые в энергетике, медицине и аэрокосмической отрасли. Современные исследования показывают, что сложные межфазные взаимодействия и неоднородности в композитах существенно влияют на их функциональные характеристики, однако существующие модели и программные средства, имеют ограничения в описании магнитоэлектроупругих систем. Кроме того, недостаточно разработаны аналитические подходы для моделирования изгибных колебаний в ФГПМ-структурах с учётом нелинейных эффектов и анизотропии.
Цель проекта — разработка многоуровневых моделей представительного объёмного элемента (RVE) для трёхфазных (полимер-сегнетоэлектрик-пьезомагнетик) и двухфазных пористых (сегнетоэлектрик-пьезомагнетик-воздух) композитов с архитектурой 0-3, создание прикладной теории изгибных колебаний ФГПМ-структур и численная оптимизация их материальных свойств. Основные задачи включают: (1) моделирование RVE для решения уравнений магнитоэлектроупругости и определения эффективных модулей; (2) построение аналитической теории на основе вариационного подхода и гипотез Кирхгофа с учётом квадратичного распределения электрического и магнитного потенциалов; (3) оптимизацию резонансной частоты, статического прогиба и генерируемого потенциала с помощью генетических алгоритмов на основе вариации пространственного распределения материальных свойств.
Научная новизна проекта заключается в: (1) разработке универсальных 3D-моделей RVE для трёхфазных и пористых композитов, учитывающих сложные межфазные взаимодействия и анизотропию свойств; (2) создании прикладной теории изгибных колебаний ФГПМ для анизотропных структур; (3) реализации оптимизационного подхода, интегрирующего прикладную теорию и численные методы для максимизации функциональных характеристик устройств. Предложенная методология преодолевает ограничения стандартных инструментов моделирования, таких как отсутствие поддержки магнитоэлектроупругих расчётов в конечно-элементных пакетах, и обеспечивает прогнозирование выходных характеристик материалов и устройств на этапе компьютерного проектирования.
Ожидаемые результаты
Ожидаемые результаты проекта включают:
1. Конечно-элементные модели трёхфазных (полимер-сегнетоэлектрик-пьезомагнетик) и двухфазных пористых (сегнетоэлектрик-пьезомагнетик-воздух) композитов с архитектурой 0-3. Модели будут учитывать межфазные взаимодействия, анизотропию свойств и влияние морфологии включений (форма, размер, распределение), с валидацией на литературных данных.
2. База данных эффективных свойств композитов, включающая зависимости упругих, пьезоэлектрических, пьезомагнитных и диэлектрических модулей от объёмных долей фаз и пористости.
3. Прикладная теория изгибных колебаний функционально-градиентных магнитоэлектроупругих материалов, основанная на вариационном подходе и гипотезах Кирхгофа, с учётом квадратичного распределения электрического и магнитного потенциалов. Теория обеспечит аналитическое описание связанных механических, электрических и магнитных полей.
4. Оптимизированные конструкции магнитоэлектроупругих устройств, включая биморфы и генераторы, с улучшенными характеристиками: увеличение резонансной частоты, статического прогиба и генерируемого потенциала. Оптимизация будет выполнена с использованием генетических алгоритмов, интегрированных с прикладной теорией и базой данных эффективных свойств композитов.
5. Не менее четырёх публикаций в журналах, индексируемых в Web of Science и/или SCOPUS и/или RSCI, содержащих результаты моделирования, валидации и оптимизации, а также промежуточные и итоговые отчёты.
Научная значимость:
Результаты проекта будут способствовать развитию новой научной тематики — моделирования и оптимизации магнитоэлектроупругих функционально градиентных и пористых композитов. Разработанные 3D-модели представительного объёмного элемента и прикладная теория изгибных колебаний представляют новизну благодаря учёту межфазных взаимодействий, анизотропии и нелинейных эффектов, что превосходит возможности стандартных модулей COMSOL Multiphysics. Интеграция аналитических решений с численной оптимизацией на основе генетических алгоритмов позволит создать универсальный инструментарий для проектирования композитов и устройств с заданными свойствами, соответствующий мировому уровню исследований.
Общественная и экономическая значимость:
Результаты проекта имеют потенциал для практического использования в экономике и социальной сфере. Разработанные модели и база данных эффективных свойств позволят проектировать пьезоэлектрические устройства с улучшенными характеристиками, включая:
• Энергосбережение: Оптимизированные пьезоэлектрические генераторы с повышенной эффективностью сбора энергии найдут применение в автономных системах питания для IoT-устройств, носимой электроники и сенсоров, снижая зависимость от традиционных источников энергии.
• Медицинская техника: Пористые пьезоактивные композиты с контролируемой структурой, синтезируемые с использованием аддитивных технологий, будут востребованы для создания биосовместимых сенсоров и актуаторов, например, для ультразвуковой диагностики и тканевой инженерии.
• Аэрокосмическая промышленность: Улучшенные биморфные актуаторы с повышенной резонансной частотой и прогибом найдут применение в системах активного контроля вибраций и адаптивных конструкций.
• Промышленные технологии: Разработанные методы позволят усовершенствовать технологии производства композитов с заданной топологией (0-3, 2-2, 1-3) путём компьютерного проектирования, снижая затраты на экспериментальные испытания.
Создание новых материалов и технологий на основе результатов проекта будет способствовать усовершенствованию производимой продукции (сенсоры, актуаторы, генераторы) и разработке новых технологий аддитивного производства, что соответствует приоритетам цифровизации и устойчивого развития. Реализация проекта укрепит позиции российской науки в области функциональных материалов и обеспечит конкурентоспособность создаваемых технологий на мировом рынке.