柔性电子多层异质力电耦合结构跨尺度可靠性仿真模型和高性能算法研究
批准号:
12072065
项目类别:
面上项目
资助金额:
62.0 万元
负责人:
夏阳
依托单位:
学科分类:
计算固体力学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
夏阳
中文摘要
柔性电子技术正处于从实验室走向工业化应用的关键阶段,对其高效仿真计算成为我国发展柔性电子产业的重要课题。柔性电子的结构和功能复杂,其可靠性在制造和服役中受到外界环境的影响,建立跨尺度的可靠性仿真模型并提高算法性能是研究中的关键问题。本项目以其多层异质复合结构和力电效应耦合为着眼点,研究柔性电子结构可靠性和功能可靠性仿真模型。基于等几何分析框架,采用基于模块的嵌入式多尺度方法,提出大规模柔性电子结构的快速仿真算法;针对柔性电子软硬组合结构的裂纹扩展分析,提出近场动力学与等几何耦合仿真方法;研究变形、应变与电阻、电容等电学性能耦合机制,建立柔性电子功能可靠性仿真模型,提出力电协同仿真算法。本课题针对柔性电子制造和服役中可靠性问题,提出结构和功能可靠性仿真模型和高性能算法,为大规模柔性电子系统设计提供关键的仿真手段,对于提高柔性电子使用寿命,优化柔性电子性能有重要意义。
英文摘要
The flexible electronic technology has been developed to the critical stage from the laboratory to the industrial application, and the development of high-performance simulation method is important to the flexible electronic industry in China. The function and structure of flexible electronic system are complex and their reliability are affected by deformation and loads during manufacturing and service, therefore the development of multi-scale simulation model for reliability and improve the efficiency of the algorithm are the most important issues in research of the flexible electronics. With focus on the large-scale multi-layer complex coupling structure with elastic-electro correlation effects, this project studies the reliability model of both the structure and the function. We proposes the module-embedded concurrent multi-scale simulation method based on isogeometric model to study the high-efficiency mechanical simulation algorithm; the behavior of fracture in flexible electronic system with flexible-rigid combination structures is studied by using the coupling of peridynamics and isogeometric analysis. The correlation relationships of deformation and strain with electrical properties such as resistance and capacitance are studied, and the functional reliability model of flexible electronic is established with the algorithm of elastic-electro collaborative simulation algorithm. This project focuses on the reliability of structure and function of flexible electronics, and proposes an efficient and fast simulation algorithm. The potential findings are of great significance for improving flexible electronic system’s service life and optimizing its performance, and provide the vital simulation method for the design of large-scale flexible electronic system.
柔性电子具有可变形、生物兼容等优势,广泛应用于医疗、物联网等领域,但其服役环境和复杂力学行为对仿真技术提出更高要求。传统有限元方法难以高效处理柔性电子中大规模系统、裂纹扩展及多物理场耦合问题,亟需创新仿真方法。.针对以上问题,本课题开展了以下研究:(1)开发扩展多尺度等几何分析(EmsIGA)方法,实现周期性非均质材料的高效力学模拟,仿真误差低于0.5%,计算效率提升30%;(2)构建力电耦合多尺度模型,解决压电薄膜电势计算精度问题,相对误差降至0.5%以下;(3)提出基于近场动力学(PD)的壳模型,突破传统方法在裂纹分叉与融合中的局限,裂纹扩展模拟精度达95%;(4)建立几何大变形与弹塑性耦合模型,实现柔性薄膜断裂行为的精准预测,仿真结果与ABAQUS对比误差小于3%;(5)提出等几何分析与PD的耦合算法,兼顾计算效率与裂纹分析能力,计算耗时降低40%;(6)优化仿生传感器设计,压电曲梁加速度计全向灵敏度提升至直梁的2.5倍,应力集中减少30%。研究结果表明,本课题提出方法显著提升仿真精度与效率:EmsIGA对蛇形导线组件的应力分析误差小于1%;力电耦合模型在复杂载荷下的位移分布与COMSOL参考解一致;优化后的仿生毛发传感器灵敏度较传统设计提高10倍。.项目发表论文15篇,申请发明专利3项,培养硕博研究生11人。本课题突破了柔性电子多尺度建模、力电耦合及断裂分析的技术瓶颈,为器件设计与工艺优化提供了高效工具,助力我国在柔性电子领域实现自主创新,推动后摩尔时代电子信息产业升级。研究成果兼具学术前沿性与工程应用价值,为生物医疗、智能传感、柔性显示等领域的器件开发提供了有效算法。
CAD/CAE无缝融合的精确几何拟协调壳分析
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批准号:11702056
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:27.0万元
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批准年份:2017
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负责人:夏阳
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依托单位:
国内基金
海外基金