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教育部奖公示
上传时间:2018年07月11日      浏览次数:

项目名称:功能复合微结构的多场耦合行为

推荐单位:北京交通大学

项目简介

上世纪90年代,功能梯度压电材料开始得到迅速发展,随着功能梯度压电材料应用的不断增加,迫切需要提出表征、设计和分析功能梯度压电器件的新方法,给出一些基本结构的解析解答,但相关成果在上世纪末到本世纪初还甚少。本项目致力于功能复合微结构在多场耦合下解析解的探寻研究,主要在功能复合微结构的多场耦合静力学和动力学行为、以及复合微结构的机-电能量转化行为等方面取得了重要科学发现。本项目共发表SCI收录论文32篇,论文被SCI严格他引696次,其中10篇代表作被SCI严格他引290次。

首先,基于压电弹性理论,本项目率先开展了功能梯度压电弹性微结构多场耦合静力学行为的研究,在机械、电和热多场耦合下,首先对功能梯度微结构复合梁和复合圆筒进行了较系统的研究,给出了系列解析解,揭示了材料的梯度特性、电极形式等材料和几何特性对微结构静力响应的影响。在此基础上,建立了功能梯度压电材料中力学和电学材料参数的识别方法,给出了梯度相压电系数和弹性系数等材料参数的单独识别式和联合识别式。此外,对功能梯度压电圆筒,给出了机械场和电场的解析解;而对于层状弹性圆筒,则建立了求解应力和位移分布的简单递推公式。上述成果已成为众多学者开展相关课题持续研究的基础和用于检验其所得结果正确性的依据,获得许多权威学者的认可并给予积极评价,如:项目建立的压电层合梁模型一直被众多学者所使用、给出了可用于计算功能梯度压电驱动器端部位移的通用公式、提供了一个求解任意层数圆筒精确解的新方法等等。

其次,基于压电弹性动力学理论,建立了几类压电功能微结构的力电耦合动力分析模型,对功能梯度压电梁、压电板和压电圆筒等微结构的动力学行为进行了系统的研究并给出解析解答。相关成果已被众多学者用于检验其所得结果的正确性,一些权威专家在引用上述成果时指出:本项目系统分析了功能梯度压电梁在各种边界条件下的自由振动特性,拓展了状态空间法的应用范围;关于轴向极化多层压电/弹性复合圆柱型换能器的动力分析模型鲜有报道,本项目建立了其分析模型,并给出了相应的动力分析解答等等。

最后,针对交通环境振动,首先研发了弯曲型、承压型和剪切型等系列压电能量俘获微结构,实现了不同工况下交通环境振动产生的机械能向电能的转化和储存,实验结果表明,本项目研发的俘能微结构稳定输出功率达到毫瓦级别,能够满足交通系统无线传感器的供电需求。在此基础上,建立了车致道路变形能、轨道变形能、桥梁振动能俘获的分析理论与数值模型,包括道路俘能梁模型、道路俘能板模型、轨道俘能连续支撑模型、轨道俘能离散支撑模型、车桥耦合振动俘能模型等,解释了不同交通环境下的能量俘获机制,基于此理论给出了适用于交通环境下压电俘能器的设计方法,以及提高能量俘获效率的策略。相关成果被权威学者认为是给出了两种不同的能量收集机制、提出了车致振动变形俘能的数学分析模型等等。

论文、论著目录

1.不超过10篇代表性论文、专著

序号

论文、专著

名称/刊名/作者

影响因子

年卷页码

年(卷):页码

发表年月

通讯作者/第一作者

(中文名)

SCI

他引次数

他引

总次数

是否国内完成

1

General solution of a density functionally gradient piezoelectric cantilever and its applications/Smart Materials and Structures/Shi Zhifei

2.963

2002,11:122-129

2002

石志飞/石志飞

24

2

Bending behavior of functionally gradient piezoelectric cantilever/Ferroelectrics/Liu Tingting, Shi Zhifei

0.728

2004,308:43-51

2004

石志飞/刘婷婷

23

3

Functionally graded piezoelectric cantilever beam under load/Archives of Applied Mechanics/Shi Zhifei, Chen Ying

1.467

2004,74:237-247

2004

石志飞/石志飞

59

4

Static analysis for functionally graded piezoelectric actuators or sensors under a combined electro-thermal load/European Journal of Mechanics – A-Solids/Xiang Hongjun, Shi Zhifei

2.881

2009,28:338–346

2009

向宏军/向宏军

43

5

Bending behavior of piezoelectric curved actuator/ Smart Materials and Structures/Shi Zhifei

2.963

2005,14:835-842

2005

石志飞/石志飞

17

6

Exact solutions of heterogeneous elastic hollow cylinders/Composite Structures/Shi Zhifei, Zhang Taotao, Xiang Hongjun

4.101

2007,79:140-147

2007

石志飞/石志飞

41

7

Free vibration of a functionally graded piezoelectric beam via state-space based differential quadrature/ Composite Structures/Li Yang, Shi Zhifei

4.101

2009,87:257-264

2009

石志飞/李 阳

52

8

Modeling on energy harvesting from a railway system using piezoelectric transducers/Smart Materials and Structures/ Wang Jianjun, Shi Zhifei, Xiang Hongjun, Song Gangbing

2.963

2015,24:105017

2015

石志飞/王建军

6

9

Theoretical analysis of piezoelectric energy harvesting from traffic induced deformation of pavements/Smart Materials and Structures/Xiang Hongjun, Wang Jianjun, Shi Zhifei, Zhang Zhiwei

2.963

2013,22:095024

2013

向宏军/向宏军

20

10

Modeling on piezoelectric energy harvesting from pavements under traffic loads/Journal of Intelligent Material Systems and Structures/Zhang Zhiwei, Xiang Hongjun, Shi Zhifei.

2.211

2016,27:567-578

2016

向宏军/张之伟

5

论文、论著目录

2.上述代表性论文被他人引用代表性引文、专著目录(不超过10篇)

序号

被引论文、专著

名称/刊名/作者

引文名称/刊名/作者

影响因子(引文)

引文发表

年月

1

General solution of a density functionally gradient piezoelectric cantilever and its applications/Smart Materials and Structural/Shi Zhifei

Nonlinear analysis of microstructure-dependent functionally graded piezoelectric material actuators /Journal of the Mechanics and Physics of Solids/ Komijani M, Reddy JN, Eslami MR

4.926

2014,63: 214-227

2

Bending behavior of functionally gradient piezoelectric cantilever/Ferroelectrics/Liu Tingting, Shi Zhifei

Electroelastic analysis of functionally graded piezoelectric material beams/ Journal of Intelligent Material Systems and Structures/ Zhong Zheng, Yu Tao

2.211

2008,19:707-713

3

Functionally graded piezoelectric cantilever beam under load/Archives of Applied Mechanics/Shi Zhifei,Chen Ying

Nonlinear stability and vibration of pre/post-buckled microstructure-dependent FGPM actuators/Meccanica/ Komijani M, Reddy JN, Ferreira AJM

2.211

2014,49:2729-2745

4

Static analysis for functionally graded piezoelectric actuators or sensors under a combined electro-thermal load/European Journal of Mechanics – A-Solids/Xiang Hongjun, Shi Zhifei

Design criteria for functionally graded piezoelectric plates under thermo-electro-mechanical loadings/Journal of Intelligent Material Systems and Structures/ Nourmohammadi H, Behjat B

2.211

2016,27:2249-2260

5

Bending behavior of piezoelectric curved actuator/ Smart Materials and Structural/Shi Zhifei

Mechanical and electrical fields of piezoelectric curved sensors/ Archives of Mechanics /Arslan E, Usta R

0.938

2014,66:329–342

6

Exact solutions of heterogeneous elastic hollow cylinders/Composite Structures/Shi Zhifei, Zhang Taotao, Xiang Hongjun

Effects of material gradients on onset of yield in FGM rotating thick cylindrical shells/International Journal of Applied Mechanics/Fatehi P, Nejad MZ

1.954

2014,06:1450038

7

Free vibration of a functionally graded piezoelectric beam via state-space based differential quadrature/ Composite Structures/Li Yang, Shi Zhifei

Non-linear active control of FG beams in thermal environments subjected to blast loads with integrated FGP sensor/actuator layers/Composite Structures/ Bodaghi M, Damanpack AR, Aghdam MM, Shakeri M

4.101

2012,94: 3612-3623

8

Modeling on energy harvesting from a railway system using piezoelectric transducers/Smart Materials and Structures/ Wang Jianjun, Shi Zhifei, Xiang Hongjun, Song Gangbing

Modeling and field testing of an electromagnetic energy harvester for rail tracks with anchorless mounting/ Applied Energy/ Lin T, Pan Y, Chen S, Zuo L

7.900

2018, 213: 219 - 226.

9

Theoretical analysis of piezoelectric energy harvesting from traffic induced deformation of pavements/Smart Materials and Structures/Xiang Hongjun, Wang Jianjun, Shi Zhifei, Zhang Zhiwei

A review on hydronic asphalt pavement for energy harvesting and snow melting/ Renewable & Sustainable Energy Reviews/ Pan P, Wu SP, Xiao Y, Liu G.

9.184

2015, 48: 624 - 634.

10

Modeling on piezoelectric energy harvesting from pavements under traffic loads/Journal of Intelligent Material Systems and Structures/Zhang Zhiwei, Xiang Hongjun, Shi Zhifei.

Potentials of piezoelectric and thermoelectric technologies for harvesting energy from pavements/ Renewable & Sustainable Energy Reviews/ Guo LK, Lu Q.

9.184

2017, 72: 761-773

完成人情况表 

姓 名

石志飞

性 别

排 名

1

出生年月

1965.01

出生地

山西清徐

民 族

身份证号

230103196501235516

党 派

无党派

国 籍

中国

行政职务

归国人员

归国时间

工作单位

北京交通大学

所在地

北京

办公电话

010-51688367

家庭住址

北京市海淀区

住宅电话

通讯地址

北京交通大学土建学院

邮政编码

100044

电子信箱

zfshi178@bjtu.edu.cn

移动电话

13621215778

毕业学校

哈尔滨船舶工程学院

文化程度

研究生

毕业时间

1992

技术职称

教授

专业、专长

结构工程、力学

最高学位

博士

完成单位

北京交通大学

所在地

北京

单位性质

事业单位

曾获科技奖励情况

1996年获国家教委科技进步一等奖(第二获奖人)

参加本项目起止时间

自2002至2016

本人对本项目主要学术贡献:(限300字)

率先开展了功能梯度压电微结构多场耦合问题的研究,分别于2002年和2005年独立给出功能梯度压电直梁和曲梁的解答,其后与合作者在多种功能复合微结构静力问题、动力问题以及俘能问题研究中取得成果,成为本项目的基础。(参见代表作1~10)

声明

本人严格按照要求,如实提供了本推荐书及相关材料,且不存在任何违反《中华人民共和国保守国家秘密法》和《科学技术保密规定》等有关法律法规的情形,如有不符,本人愿意承担相关后果并接受相应的处理。

本人签名:

2018年7月6日

完成人情况表

姓 名

向宏军

性 别

排 名

2

出生年月

1980.04

出生地

贵州黎平

民 族

土家族

身份证号

522631198004038311

党 派

中国共产党

国 籍

中国

行政职务

系副主任

归国人员

归国时间

工作单位

北京交通大学

所在地

北京

办公电话

010-51684948

家庭住址

北京市海淀区

住宅电话

通讯地址

北京交通大学土建学院

邮政编码

100044

电子信箱

hjxiang@bjtu.edu.cn

移动电话

13811968050

毕业学校

北京交通大学

文化程度

研究生

毕业时间

2007

技术职称

教授

专业、专长

结构工程、

智能材料与结构

最高学位

博士

完成单位

北京交通大学

所在地

北京

单位性质

事业单位

曾获科技奖励情况

参加本项目起止时间

自2002至2016

本人对本项目主要学术贡献:(限300字)

基于应力函数法,给出了多层压电层合梁、多层圆筒结构、功能梯度压电梁和功能梯度圆筒结构的静力学解,这些解答是建立在边界条件与连续条件都满足的严格要求上而给出的,具有非常高的精度,它们的求解扩充了弹性理论和压电弹性理论。

提出了车致振动能量俘获的新理念,研发了弯曲型、承压型和剪切型等系列压电能量俘获微结构,实现了不同工况下交通环境振动产生的机械能向电能的转化和储存。实验结果表明,稳定输出功率能够满足交通系统无线传感器的供电需求。此外建立了道路能量收集梁模型和板模型,并采用复变函数法,给出了上述模型的理论解,在无阻尼的情况下还给出了显式解析。为车致交通环境振动能俘获微结构设计奠定了理论基础。(参见代表作4, 6, 8~10,专利1)

声明

本人严格按照要求,如实提供了本推荐书及相关材料,且不存在任何违反《中华人民共和国保守国家秘密法》和《科学技术保密规定》等有关法律法规的情形,如有不符,本人愿意承担相关后果并接受相应的处理。

本人签名:

2018年7月6日

完成人情况表

姓 名

陈盈

性 别

排 名

3

出生年月

1981.03

出生地

重庆

民 族

土家族

身份证号

513525198103220246

党 派

中国共产党

国 籍

中国

行政职务

归国人员

归国时间

工作单位

北京工业大学

所在地

北京

办公电话

家庭住址

北京市海淀区

住宅电话

通讯地址

北京市朝阳区平乐园100号

邮政编码

100024

电子信箱

chenying@bjut.edu.cn

移动电话

13810004927

毕业学校

北京交通大学

文化程度

研究生

毕业时间

2009

技术职称

副教授

专业、专长

结构工程

最高学位

博士

完成单位

北京交通大学

所在地

北京

单位性质

事业单位

曾获科技奖励情况

参加本项目起止时间

自2002至2009

本人对本项目主要学术贡献:(限300字)

基于压电弹性理论,得到了不同耦合荷载作用下梯度功能压电弹性悬臂梁的精确解,并将其用于识别梯度压电参数和热材料系数。另一方面,明确了温度对双层厚壁压电弹性空心圆筒力-电耦合性能的影响,并给出了在不同耦合荷载作用下的解析解,并对影响力-电耦合效应的重要参数展开讨论,明确其影响趋势。(参见代表作3)

声明

本人严格按照要求,如实提供了本推荐书及相关材料,且不存在任何违反《中华人民共和国保守国家秘密法》和《科学技术保密规定》等有关法律法规的情形,如有不符,本人愿意承担相关后果并接受相应的处理。

本人签名:

2018年7月6日

完成人情况表

姓 名

张涛涛

性 别

排 名

4

出生年月

1981.11

出生地

安徽省淮南市

民 族

身份证号

340421198111111044

党 派

中国共产党

国 籍

中国

行政职务

归国人员

归国时间

工作单位

北京航空航天大学

所在地

北京

办公电话

010-82316330

家庭住址

北京市海淀区

住宅电话

13810014510

通讯地址

北京市海淀区学院路37号北京航空航天大学交通学院

邮政编码

100191

电子信箱

zhangtt@buaa.edu.cn

移动电话

13810014510

毕业学校

北京交通大学

文化程度

研究生

毕业时间

2009

技术职称

副教授

专业、专长

结构工程、

智能材料与结构

最高学位

博士

完成单位

北京航空航天大学  

所在地

北京

单位性质

事业单位

曾获科技奖励情况

参加本项目起止时间

自2003年至2016年

本人对本项目主要学术贡献:(限300字)

主要学术贡献为:(1)建立了几类曲型和圆筒复合压电传感器模型,将粘结层处理为压电参数g31的梯度材料,从理论上解决了传统传感器切应力突变以及不适用于表面为曲面结构的问题,为准确测定钢筋与混凝土界面的粘结性能带来了曙光。(2)以重大基础设施防撞击和飞机起降过程中跑道实时健康检测为背景,提出了几类层状复合压电智能结构模型,从理论上分析了其在简谐荷载、冲击荷载和随机荷载作用下的力学特性,在一定程度上解决了此领域缺少动力荷载,尤其是冲击荷载作用下压电功能复合微结构理论分析的问题,可为结构防撞击和飞机起降过程中跑道实时健康检测提供指导。

(参见代表作6和专利2)

声明

本人严格按照要求,如实提供了本推荐书及相关材料,且不存在任何违反《中华人民共和国保守国家秘密法》和《科学技术保密规定》等有关法律法规的情形,如有不符,本人愿意承担相关后果并接受相应的处理。

本人签名:

2018年7月8日

完成人情况表

姓 名

王建军

性 别

排 名

5

出生年月

1984.11

出生地

山西翼城

民 族

身份证号

142622198411220551

党 派

中国共产党

国 籍

中国

行政职务

归国人员

归国时间

工作单位

北京科技大学

所在地

北京

办公电话

010-62332901

家庭住址

北京市海淀区

住宅电话

通讯地址

北京市海淀区学院路30号北京科技大学

邮政编码

100083

电子信箱

jianjunwang168@ustb.edu.cn

移动电话

15201341539

毕业学校

北京交通大学

文化程度

研究生

毕业时间

2016

技术职称

讲师

专业、专长

结构工程、

智能材料与结构

最高学位

博士

完成单位

北京交通大学

所在地

北京

单位性质

事业单位

曾获科技奖励情况

参加本项目起止时间

自2010年至2016年

本人对本项目主要学术贡献:(限300字)

基于压电弹性理论,深入研究了几种层状压电功能微结构的多场耦合动力学行为,主要学术贡献如下:(1)建立了压电叠堆功能微结构的力电耦合模型,并在此基础上研制了一种俘能新装置,探究了俘能器—轨道结构系统的机-电能量转化机制,为开发轨道交通压电俘能器提供参考。(2)分别以径向极化压电圆管和轴向极化压电圆环为基本单元,创建了两种包含任意层数的圆柱型功能微结构的动力分析模型,并在此基础上设计了可调频圆柱型换能器,为开发新型水声超声换能器提供支持。(3)建立了水泥或大理石基夹心型、多层型及球型功能微结构的理论模型,为开发土木工程结构健康监测用智能骨料提供指导。(参见代表作8, 9)

声明

本人严格按照要求,如实提供了本推荐书及相关材料,且不存在任何违反《中华人民共和国保守国家秘密法》和《科学技术保密规定》等有关法律法规的情形,如有不符,本人愿意承担相关后果并接受相应的处理。

本人签名:

2018年7月8日

 

完成人情况表

姓 名

张之伟

性 别

排 名

6

出生年月

198707

出生地

山东阳谷

民 族

身份证号

371521198707083453

党 派

国 籍

中国

行政职务

归国人员

归国时间

工作单位

北京交通大学

所在地

北京

办公电话

010-51684948

家庭住址

北京市海淀区

住宅电话

通讯地址

北京交通大学土建学院

邮政编码

100044

电子信箱

zwzhang@bjtu.edu.cn

移动电话

18810333142

毕业学校

北京交通大学

文化程度

研究生

毕业时间

2014

技术职称

博士生

专业、专长

结构工程、

智能材料与结构

最高学位

硕士

完成单位

北京交通大学

所在地

北京

单位性质

事业单位

曾获科技奖励情况

参加本项目起止时间

自2012年至2016年

本人对本项目主要学术贡献:(限300字)

主要学术贡献如下:分别对交通荷载下路面变形能和车辆作用下桥梁振动能进行了压电能量收集理论研究,揭示了荷载状况以及俘能器设计安装对能量收集的影响机制,并对车桥耦合作用下桥梁振动能进行了压电能量收集的实验研究,提出了不同基频双俘能器俘能方案并对其俘能性能进行了验证,研究工作为能量收集的工程应用提供了有效指导。(参见代表作10)

声明

本人严格按照要求,如实提供了本推荐书及相关材料,且不存在任何违反《中华人民共和国保守国家秘密法》和《科学技术保密规定》等有关法律法规的情形,如有不符,本人愿意承担相关后果并接受相应的处理。

本人签名:

年 月 日

版权所有:北京航空航天大学科学技术研究院    地址:北京市海淀区学院路37号路
邮编:100191    传真:010-82317850    电子信箱:kyy@buaa.edu.cn