№ 25-29-01724 Разработка численных и аналитических методов моделирования и оптимизации магнитоэлектроупругих композитов и функционально-градиентных структур для аддитивных технологий (грант РНФ )
Разработка численных и аналитических методов моделирования и оптимизации магнитоэлектроупругих композитов и функционально-градиентных структур для аддитивных технологий (грант РНФ № 25-29-01724)
Руководитель к.ф-м.н. Чебаненко В.А.
Срок реализации: 2026–2027 гг.
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.