一、项目名称：
功能梯度圆柱壳线性和非线性振动及其压电主动控制
二、推荐单位意见
项目组（盛国刚、王熙）围绕功能梯度圆柱壳线性和非线性振动及其压电主动控制开展了系列研究，获得了创新性研究成果，8篇代表性论文SCI他引达到303次，引起了国内外学者们的广泛关注和兴趣，研究成果推动了功能梯度材料结构振动及其控制领域的发展。最近两年（2017,2018)，在上述研究的基础上，项目组研究了功能梯度材料结构的分岔、混沌、内共振及其他复杂的非线性振动特性，在《Nonlinear Dynamics》、《Eur. J. Mech. A-Solids》等著名期刊上发表了6篇相关的论文（第一作者和通讯作者：盛国刚，第二作者：王熙）。项目第一完成人盛国刚教授具有很高的理论研究水平，对于长沙理工大学“工程学”领域进入ESI全球前1% 的贡献度全校教师曾排名第二。因此，推荐申报湖南省自然科学奖。
三、项目简介
近年来，功能梯度材料 (FGM)动力学特性的研究，已成为各国力学家们非常关注的热点问题。本项目主要以FGM圆柱壳为对象，研究热场、流场及其它外界激励下，系统的线性和非线性振动以及压电主动控制问题，为FGM壳体动力设计及控制提供可靠的理论指导依据。项目取得的创新性成果有:
1、热环境下，考虑横向剪切变形和旋转惯性的影响，首次建立了具有弹性基础的FGM圆柱壳振动模型，得到了系统的特征值方程、静力屈曲方程以及Mathieu-Hill型动力稳定方程。分析和讨论了热场、材料体积组份指数、轴向荷载、弹性基础常数以及几何参数对FGM圆柱壳固有频率、屈曲和动力稳定区域的影响。这项研究成果得到了国内外同行的高度关注，单篇SCI论文他引71次。
2、基于Hamilton 变分原理，利用剪切变形理论及流体势函数方程，首次得到了热场和流场共同作用下FGM圆柱壳的振动模型，揭示了FGM圆柱壳与流体的耦合振动特性，包括固有频率特性、瞬时动力响应特性以及系统的动力稳定性,该项研究成果已发表在著名固体力学期刊《Eur. J. Mech. A-Solids》上，并被《Int. J. Mech. Sci.》和《Comput. Methods Appl. Mech. Engrg.》等权威期刊引用，对流体作用下FGM弹性体结构的振动分析提供了一种新的途径。
3、考虑压电作动层由于弹性变形产生的诱导电势，利用速度负反馈控制规律，开展了压电-FGM层合圆柱壳的振动控制问题研究，首次建立了热应变效应、热电效应、传感效应、作动效应以及机械力共同作用下FGM圆柱壳的压电主动控制模型。研究了不同控制增益情况下，不同性能的压电材料对FGM圆柱壳的振动控制效果以及控制规律。该项研究成果已发表在著名的动力学期刊《J. Sound. Vib.》上。单篇SCI论文最高他引67次，赢得了国际学术界广泛兴趣。
4、基于Von Kármán非线性理论，根据退化的线性系统，引入含有轴对称和驱动模态的振型函数，对非线性振动系统进行降阶缩减，提出了一种新的FGM圆柱壳非线性振动及压电主动控制模型。揭示了系统非线性振动幅频特性、分岔特性，以及各种参数对系统非线性振动和控制的影响规律和各参数之间的相互制约关系。除了代表性的论文之外，最近两年（2017,2018)，项目组研究了FGM结构的分岔、混沌、内共振等复杂的非线性振动特性，在《Nonlinear Dynamics》、《Eur. J. Mech. A-Solids》等著名期刊上发表了6篇相关的论文（第一作者和通讯作者：盛国刚，第二作者：王熙）。
该项目8篇代表性论文SCI他引达到303次[见图片附件1],所获成果推动了FGM结构振动及其控制研究领域的发展，项目第一完成人对于本单位“工程学”领域进入ESI全球前1%的贡献度全校教师曾排名第二。
四、客观评价
本项目系统地研究了FGM圆柱壳结构的线性和非线性振动以及压电主动控制问题。研究成果获得了国内外学术同行的高度重视，很多本领域权威专家及其研究组引用了本项目的研究成果。
1、代表性论文[1] SCI他引71次，该论文的计算结果被国际力学界权威Sofiyev教授引用（Mech. Res. Commun., 2010, 37: 539,代表性引文[1]），在这篇引文中，肯定了我们研究工作的开创性: “Bending, stability and vibration analyses of FGMs are quite limited, especially of those on elastic foundations.. (Sheng and Wang, 2008) ”，引文中Sofiyev教授将他们的研究结果与本项目的结果进行了对比验证，并给出了研究结果一致性的评价：“ comparison of results in this study is made with ......Sheng and Wang (2008) for free vibration analysis.......”、 “ Numerical results...... is in a close agreement with results of ... Sheng and Wang (2008) ”。香港城市大学首席教授KM Liew (J. Sound. Vib., 2009, 319: 918)、SCI高被引学者沈惠申教授(Int. J. Mech. Sci., 2009, 51: 372)以及国际力学界权威 Eslami 教授(Compos. Struct., 2011,93:3063)等人在他们的研究工作中也给予了关注和引用。
2、代表性论文[2] SCI他引36次，国防科技大学张浪博士在分析FGM圆柱壳的屈曲和振动时(Appl. Math. Model., 2013, 37: 2279, 代表性引文[2]）, 模型建立方面多次引用我们的研究结果，并且还关注了我们其他相关论文的研究成果：“Sheng studied dynamic behavior of functionally graded cylindrical shells with PZT layers ......[13,14], respectively ”、“ The kinematical relationship between the strain components and the displacement components are [26]”、“ The components of electric field are described as [31]”。西北工业大学刘永寿教授 (Eur. J. Mech. A-Solids, 2017, 65: 257)、天津大学杨天智教授 (Compos. Struct., 2018, 185: 393)以及华中科技大学周新平教授 (Acta Mechanica Solida Sinica, 2012, 25:168)等，均在其研究中引用了代表性论文[2]的成果，并开展了系列的跟进研究。
3、代表性论文[3-5] SCI他引154次，国外学者 Heydari 在研究板结构的非线性问题时(Nonlinear Dyn, 2015, 79: 1425, 代表性引文[3])，大篇幅对代表性论文[3] 和 [4] 以及我们的其他成果进行了总结和分析，给出了很高的评价：“Sheng and Wang [25-28] presented different works on FGM structures such as cylindrical shells.”、“ an analytical method ...... was presented by Sheng and Wang [25]”、“ Results indicate that the control gain...... have significant effects......”。意大利著名学者 Brischetto 教授在研究板壳结构的固有振动问题时(Int. J. Mech. Sci., 2018, 136: 50, 代表性引文[4] )，对代表性论文[3-5]给出了积极的评价：“Further interesting works about functionally graded structures, in particular cylindrical shells, can be found in [26-28] where new applications and methods were discussed.”。 国际结构动力学领域权威 CW Lim 教授在研究压电圆柱壳结构的屈曲问题时(Composite Structures, 2016, 141: 221, 代表性引文[5])，在其研究结果中多处引用代表性论文[5]，并对代表性论文[5]提出的研究结果，进行了对比验证，给出了研究结果一致性的评价：“... according to the present solving system, .... buckling loads under the given temperature field and external voltage are compared with the results presented by Sheng and Wang [16]. A close variation tendency ... can be observed”。此外，湖南大学傅衣铭教授(J. Eng. Math., 2016, 98:113)、香港城市大学首席教授KM Liew (Int. J. Mech. Sci., 2016, 105: 90)、北京交通大学柯燎亮教授和国际著名固体力学权威Reddy JN(Compos. Struct., 2014,116: 626)等人也充分肯定了我们研究成果的重要性。
4、代表性论文[6-8] SCI他引42次，国外学者 Bich 教授和Composites Part B 主编Hui 教授等人在他们研究FGM壳体结构的非线性振动问题时(Composites Part B, 2016, 95: 355, 代表性引文[6] )，对代表性论文[6]和[8]给予了积极的评价：“GG Sheng and X Wang [7] investigated the nonlinear vibrations control of FGM laminated cylindrical shell...... The thin piezoelectric layers ...were acted as distributed sensor and actuator, ... ”( 代表性论文[8] )、“Sheng and Wang [27] researched the nonlinear response of functionally graded cylindrical shells under mechanical and thermal loads using... ”(代表性论文[6])。国际著名非线性振动领域权威Amabili 教授在他的综述文章中(Int. J. Non-Linear Mech., 2014, 58: 233, 代表性引文[7])，有专门的一段篇幅对代表性论文[7]的工作进行了描述：“Sheng and Wang [282] ... study the effects of temperature change... Companion modes were neglected but the transverse displacement of the shell was expanded in the form of Ref. [64] and included axisymmetric and driven modes. ”，Amabili 教授充分肯定了我们提出的非线性模型的准确性和可靠性。国家杰青获得者张伟教授 (J. Sound. Vib., 2015, 348: 294, 代表性引文[8])对本项目的非线性振动研究成果也进行了关注和引用: “Sheng [21] considered the nonlinear vibration control of functionally graded laminated cylindrical shells based on the constant-gain negative velocity feedback approach. ”(代表性论文[8])。此外本项目非线性振动研究成果还获得了国际著名结构动力学专家 Pellicano 教授(J. Sound. Vib., 2016, 369: 209)和湖南大学戴宏亮教授(Meccanica, 2014, 49: 1069)等人的关注。
五、代表性论文专著目录
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序号 |
论文名称/ 刊名/作者 |
影响因子 |
年卷 页码 |
发表 时间 |
通讯作者/第一作者 |
国内 作者 |
SCI 他引次数/他引总数 |
知识产权是否归国内所有 |
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1 |
Thermal vibration, buckling and dynamic stability of functionally graded cylindrical shells embedded in an elastic medium /Journal of Reinforced Plastics and Composites/ Sheng GG, Wang X |
1.086 |
2008, 27, 117- 134 |
2007 /11/12 |
王熙/ 盛国刚 |
盛国刚王熙 |
71/71 |
是 |
|
2 |
Thermomechanical vibration analysis of a functionally graded shell with flowing fluid /European Journal of Mechanics-A/Solids/ Sheng GG, Wang X |
2.846 |
2008, 27, 1075- 1087 |
2008 /03/04 |
王熙/ 盛国刚 |
盛国刚王熙 |
36/36 |
是 |
|
3 |
Studies on dynamic behavior of functionally graded cylindrical shells with PZT layers under moving loads /Journal of Sound and Vibration/ Sheng GG,Wang X
|
2.593 |
2009, 323, 772- 789 |
2009 /03/03 |
王熙/ 盛国刚 |
盛国刚王熙 |
49/49 |
是 |
|
4 |
Active control of functionally graded laminated cylindrical shells/ Composite Structures/ Sheng GG, Wang X |
3.858 |
2009, 90, 448- 457 |
2009 /04/14 |
王熙/ 盛国刚 |
盛国刚王熙 |
38/38 |
是 |
|
5 |
Thermoelastic vibration and buckling analysis of functionally Graded piezoelectric cylindrical shell. /Applied Mathematical Modelling/ Sheng GG, Wang X |
2.35 |
2010, 34, 2630- 2643 |
2009 /12/03 |
王熙/ 盛国刚 |
盛国刚王熙 |
67/67 |
是 |
|
6 |
Non-linear response of functionally graded cylindrical shells under mechanical and thermal loads /Journal of Thermal Stresses/ Sheng GG, Wang X |
1.493 |
2011, 34, 1105–1118 |
2011 /09/29 |
盛国刚/盛国刚 |
盛国刚王熙 |
17/17 |
是 |
|
7 |
An analytical study of the non-linear vibrations of functionally graded cylindrical shells subjected to thermal and axial loads/ Composite Structures/ Sheng GG, Wang X |
3.858 |
2013, 97, 261- 268 |
2012 /11/07 |
盛国刚/盛国刚 |
盛国刚王熙 |
15/15 |
是 |
|
8 |
Nonlinear vibration control of functionally graded laminated cylindrical Shells /Composites: Part B/ Sheng GG，Wang X |
4.727 |
2013, 52, 1-10 |
2013 /03/24 |
盛国刚/盛国刚 |
盛国刚王熙 |
10/10 |
是 |
六、主要完成人情况
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姓名 |
排名 |
技术职称 |
曾获科技奖励情况 |
工作 单位 |
完成 单位 |
对本项目主要学术贡献 |
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盛国刚
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1 |
教授
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无 |
长沙理工大学 |
长沙理工大学 |
对重要科学发现均有创造性贡献，是所有代表性论文的贡献者和第一作者，其中代表性论文6-8同时为第一作者和通讯作者。负责本项目整体工作的理论推导、计算及结果分析，该项研究中的工作量占本人工作量的80%。 |
|
王熙 |
2 |
教授 |
2015年度，上海市科学技术奖（自然科学类），三等奖，《功能材料及其复合结构的力学特性》，排名：1（独立申报），证书号：20152022-3-R01. 本次报奖成果与已获奖项目无关。 |
学院 |
学院 |
对申报项目的重要发现（1）、（2）、（3）做出了贡献。是代表性论文[1-5]的通讯作者（第二作者）和代表性论文[6-8]的第二作者。该项研究中的工作量占本人工作量的50%。 |
七、完成人合作关系说明
项目第一完成人盛国刚教授（长沙理工大学）于2005年9月至2009年10月在项目第二完成人王熙教授所在的学院攻读在职博士学位，在王熙教授的热心指导下，项目第一完成人取得了一些列研究成果，发表了8篇SCI高水平论文（项目第一完成人为第一作者，第二完成人为通讯作者，其中5篇为本次申报奖励的代表性论文）。第一完成人能顺利获得在职博士学位并取得一系列创新性成果，得益于第二完成人王熙教授多方面的帮助和指导。2009年10月在职博士毕业至今，第一完成人盛国刚教授仍然与第二完成人王熙教授继续保持科研方面的合作，在《Nonlinear Dynamics》、《Eur. J. Mech. A-Solids》等著名期刊上发表了10篇FGM结构非线性振动研究的论文（第一作者和通讯作者：盛国刚；第二作者：王熙）。
