基于表面弹性和应变梯度弹性理论的纳米弹性结构的复杂动力学研究

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AI项目解读

基本信息

  • 批准号：
    11672334
  • 项目类别：
    面上项目
  • 资助金额：
    50.0万
  • 负责人：
    赵德敏
  • 依托单位：
    中国石油大学（华东）
  • 学科分类：
    A0702.非线性振动及其控制
  • 结题年份：
    2020
  • 批准年份：
    2016
  • 项目状态：
    已结题
  • 起止时间：
    2017-01-01 至2020-12-31

项目摘要

Elastic nano-structures including nano-beams and nano-plates are widely used in micro/nanoelectromechanical systems (MEMS/NEMS), such as nano-sensors, nano-generators and nano-resonators. It is significant to study the complex dynamics of the elastic nano-structures considering the surface and the nonlocal effects. However, it is rarely been studied up to now. The nonlinear vibration models of elastic nano-structure including the nano-beam and the nano-plate considering geometrical nonlinearity are developed based on Gurtin’s surface elasticity theory and Aifantis’s strain gradient elasticity theory. Some nonlinear qualitative theories and methods, which are undetermined fundamental frequency method combined complex normal form method, singularities theory and extended Melnikov method, are all applied to study complex dynamical behaviors such as the periodical trajectories, bifurcations and chaos. The types of periodical solutions, bifurcations of one periodical solution translating to others and losing stable, the path of the system to chaos are all analyzed. The influences both the surface elasticity and the nonlocal elasticity on the periodical trajectories, bifurcations and chaos will be revealed deeply. The micro laser doppler is applied to measure resonance frequency of the nano-structure in experiment. The achievements of the project can provide valuable information for the accurate design of the electronic elements in MEMS/NEMS.
纳米弹性结构（纳米梁和纳米板）广泛的应用于纳米传感器、纳米发电机和纳米共振器等微/纳机电系统(MEMS/NEMS)中。考虑表面效应和非局部效应的弹性纳米结构的复杂动力学研究有重要的意义，但是目前这方面研究较少。基于Gurtin的表面弹性理论和Aifantis的应变梯度弹性理论，考虑弹性结构的几何非线性，建立纳米弹性结构非线性振动的数学模型。由复规范形法、待定固有频率法、奇异性理论和广义的Melnikov方法，研究纳米弹性结构周期轨道、分岔与混沌等复杂动力学行为。分析其周期解的类型、周期解相互转化与失稳的分岔形式和通往混沌的途径。深刻揭示表面效应参数和非局部参数对非线性振动的周期轨道、分岔与混沌等复杂动力学行为的影响机制。同时采用显微激光多普勒测振技术进行纳米弹性结构的振动实验测试。研究结果可以为MEMS/NEMS的电子器件的更精确设计提供理论基础。

结项摘要

纳米弹性结构（纳米梁和纳米板）广泛应用于纳米传感器、纳米发电机和纳米共振器等微/纳机电系统(MEMS/NEMS)中。研究表面效应参数和几何尺寸参数对纳米梁/板非线性振动的影响规律，能够为NEMS的纳米元件（梁/线、板/膜）运动的精确设计提供理论依据。.考虑表面效应，建立了纳米梁横向弯曲数学模型，并对纳米梁进行了强度和刚度分析；建立考虑表面效应的纳米圆板振动的数学模型，并研究表面效应参数对纳米板振动的影响；进一步研究了表面效应和几何尺寸参数对纳米梁概周期运动的影响；并通过分子动力学(MD)数值仿真方法研究基于表面弹性理论的纳米梁的振动；本项目还通过物理实验研究了表面张力诱发的气泡弹簧-质量系统的强迫振动和弹性软梁的大幅振动。.在理论上首次发展了双时间变量余量谐波平衡法，该方法推广到了多变量谐波平衡法。该方法不用傅里叶变换，能够直接识别出概周期振动的两种或者多种频率成分的频率和幅值，丰富拓展了非线性动力学半解析--半数值计算理论；发展了MD仿真程序，模拟表面效应参数和纳米梁的振动，丰富了纳米尺度梁振动的数值模拟方法。.通过研究得到了几何尺寸，表面效应参数对纳米弹性梁和板非线性振动固有频率和振型的影响规律；基于此研究，利用微纳米梁在粘附微尘前后的振动频率不同，申请发明专利：“一种检测表面洁净程度的装置及方法”该专利能够应用于微质量传感器。因此，该研究对于以纳米弹性梁和板为基本谐振单元的微/纳机电系统(M/NEMS)的频率和振型预测有重要的意义。.本研究拓展了对弹性元件的认识，得到了气泡弹簧-质量系统的固有频率，得到了气泡体积、粘附面积等因素对气泡弹簧刚度的影响规律，该研究对于单晶生长的浮区技术有重要的参考价值；另外理论上提出了弹性大变形微型软线非经典的非线性振型函数，实验上拓展了使用高速摄像机进行振动测试的实验手段。

项目成果

期刊论文数量（5）
专著数量（0）
科研奖励数量（1）
会议论文数量（0）
专利数量（5）
Nonlinear Vibration of an Elastic Soft String: Large Amplitude and Large Curvature
弹性软弦的非线性振动：大振幅和大曲率
  • DOI：
    10.1155/2018/7909876
  • 发表时间：
    2018
  • 期刊：
    Mathematical Problems in Engineering
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    De-Min Zhao;Shan-peng Li;Yun Zhang;Jian-Lin Liu
  • 通讯作者：
    Jian-Lin Liu
Surface effects on the quasi-periodical free vibration of the nanobeam: semi-analytical solution based on the residue harmonic balance method
表面效应对纳米梁准周期自由振动的影响：基于剩余简谐平衡法的半解析解
  • DOI：
    10.1007/s11012-020-01140-2
  • 发表时间：
    2020-02
  • 期刊：
    Meccanica
  • 影响因子：
    2.7
  • 作者：
    Zhao Demin;Hao Peng;Wang Jiangwei;Liu Jianlin
  • 通讯作者：
    Liu Jianlin
考虑表面效应的纳米圆形薄板振动
  • DOI：
    --
  • 发表时间：
    2017
  • 期刊：
    中国石油大学学报（自然科学版）
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    赵德敏;龚宇龙
  • 通讯作者：
    龚宇龙
Critical role of the bending stiffness of the monolayer black phosphorus in its mechanical behaviors: molecular dynamics simulation
单层黑磷的弯曲刚度对其机械行为的关键作用：分子动力学模拟
  • DOI：
    10.1088/1361-6528/abd5e7
  • 发表时间：
    2020-12
  • 期刊：
    Nanotechnology
  • 影响因子：
    3.5
  • 作者：
    Peng Hao;Demin Zhao;Yalin Luan;Jianlin Liu;Qing Wang
  • 通讯作者：
    Qing Wang
Forced vibration of a bubble spring-mass system: Nonlinear analysis and experiment
气泡弹簧-质量系统的受迫振动：非线性分析与实验
  • DOI：
    10.1016/j.apm.2019.01.038
  • 发表时间：
    2019-06
  • 期刊：
    Applied Mathematical Modelling
  • 影响因子：
    5
  • 作者：
    Zhao Demin;Li Shanpeng;Liu Jianlin
  • 通讯作者：
    Liu Jianlin

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车辆座椅减振研究
  • DOI：
    --
  • 发表时间：
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  • 期刊：
    天津理工大学学报，2006，22(5)：6-8，30
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    赵德敏;张琪昌
  • 通讯作者：
    张琪昌

其他文献

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基于有限黏弹性理论的多稳态介电弹性体波浪能俘获研究
  • 批准号：
    12372027
  • 批准年份：
    2023
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    面上项目

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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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