基于压电振动能量俘获的弯曲结构损伤监测研究

建立了含裂纹损伤的曲梁压电能量俘获系统在强迫振动下的动力学模型. 基于Prescott型压电曲梁力电耦合振动方程的解析解和裂纹截面处的连续性条件, 求解了含裂纹损伤的压电曲梁的格林函数. 根据线性叠加原理, 对含裂纹的力电耦合模型的系统方程解耦, 得到强迫振动下含裂纹损伤的曲梁压电俘能器的输出电压. 在得到模型的强迫振动解析解后, 提出逆方法检测结构中的裂纹损伤, 这一检测方法适用于处于振动状态下的结构. 在数值计算中, 令裂纹深度为零, 通过对比本文的解析解与现有文献中的解析解, 验证了本文解的有效性. 分别分析了含裂纹损伤的压电曲梁的电压响应与裂纹深度、裂纹位置、材料的几何参数以及阻尼之间的关系. 研究结果表明: 裂纹的存在对曲梁式压电俘能器的影响比直梁式更加复杂; 裂纹出现时, 损伤曲梁在健康曲梁的一阶频率值处一定会出现波动并被激励出二阶频率, 此时的二阶频率是开路中健康压电曲梁的一阶频率值; 通过对电压响应的检测可以确定的损伤裂纹的深度和在结构中出现的位置范围; 利用振动问题的解来检测压电曲梁的健康状况是可行且准确的.      

位移模式下PMI泡沫夹层结构疲劳损伤试验研究

论文选取磁悬浮列车车身所用的由铝面板与聚甲基苯丙酰亚胺(PMI)聚合物泡沫芯层所组成的轻质夹层复合材料为研究对象,对夹层结构在室温下进行静态强度测试和进行以位移为控制变量的疲劳损伤演化试验,探讨分析了PMI泡沫夹层结构在交变位移控制下的疲劳性能和破坏行为.给出了PMI泡沫夹层结构在静态载荷作用下的力学性能参数.参考静态试验结果加载适当的位移载荷进行疲劳试验,发现在位移控制模式下,夹层结构的疲劳损伤过程和破坏模式明显区别于载荷控制模式.当最大控制位移较小时破坏形式为面板与泡沫层脱离;位移较大时为面板断裂和泡沫芯层塌陷.通过引入载荷的变化作为损伤参量建立了位移控制模式下损伤演变公式,并对两种模式的破坏行为进行了较好的预测.     

基于MFC的结构静态形状控制研究

宏纤维复合材料MFC(Macro Fiber Composite)具有体积小、主动控制适用性强、作动效果好等特点。本文开展了宏纤维复合材料MFC对结构静态形状主动控制研究。建立了悬臂梁结构有限元模型,并采用载荷比拟法计算得到了MFC压电作动器的驱动载荷。基于数值分析结果,搭建了悬臂梁结构主动控制实验平台,分析了不同加载电压下的悬臂梁的弯曲变形效果,进而分析MFC结构在静态形状控制中的力学性能。数值仿真和实验结果表明:在不同的静态电压加载下,结构的变形和加载电压近似呈线性关系;仿真和实验结果对比中呈现出较好的一致性,其最大位移误差为12.45%。最后讨论了MFC压电作动器自身时间蠕变特性对静态变形控制实验结果产生的影响,结果表明在大电压作用下MFC材料存在蠕变效应,在实际使用过程中需要关注。本文采用以悬臂梁为载体的实验和仿真研究方法对在其他横观各向同性材料的压电材料力学性能分析具有普遍适用性。     

非保守功能梯度弹性组合曲梁的精确模型及其数值解

基于直法线假设,采用可伸长梁的几何非线性理论,建立了功能梯度材料弹性组合曲梁受切线均布随从力作用下的静态大变形数学模型。该模型不仅计及了轴线伸长,同时也精确地考虑了梁的初始曲率对变形的影响以及轴向变形与弯曲变形之间的耦合效应。用打靶法数值求解了由金属和陶瓷两相材料所构成的一种FGM组合曲梁在沿轴线均布切向随动载荷作用下的非线性平面弯曲问题,给出了不同梯度指标下FGM弹性曲梁随载荷参数大范围变化的平衡路径,并与金属和陶瓷两种单相材料曲梁的相应特性进行了比较。     

弹性曲梁在机械和热载荷共同作用下的几何非线性模型及其数值解

基于Euler-Bernoulli梁的几何非线性理论,建立了弹性曲梁在任意分布机械载荷和热载荷共同作用下的几何非线性静平衡控制方程。该模型不仅计及了轴线伸长,同时也精确地考虑了梁的初始曲率对变形的影响以及轴向变形与弯曲变形之间的相互耦合效应。应用打靶法数值求解了半圆形曲梁在横向均匀升温作用下的非线性弯曲问题,数值比较了轴向伸长对曲梁变形的影响。     

考虑几何与压电非线性行为压电层合轴对称圆板的精确解

研究可移简支及夹支边界条件下,轴对称压电层合圆板在强电场和机械荷载联合作用下的非线性变形.考虑电致伸缩的非线性压电效应及几何非线性的影响,导出轴对称压电层合圆板的控制方程.通过调整坐标轴的位置对控制方程进行简化,得到关于挠度和径向力的4阶非线性控制方程.再通过简单的积分并引入无量刚变量将控制方程等价地化为2阶非线性耦合微分方程组.利用幂级数法得到可移简支及夹支边界条件下强电场和均布荷载共同作用时的挠度、径向力及径向位移的幂级数精确解.通过对双、单压电晶片执行器的数值计算及分析,得到电场、外载对于位移、径向力的影响关系.     

具有压电材料弹性环形板的屈曲

对在不同位置粘有任意多对压电片的弹性环形板在电压和径向压力作用下的轴对称屈曲进行了研究．根据压电效应的等效作用量，初参数法以及传递矩阵方法得到了环板屈曲的特征方程．对不同位置及不同宽度的压电片，计算了结构的屈曲载荷．并得到了稳定性边界曲线．     

基于一阶剪切变形理论的变曲率曲梁的几何非线性方程

基于一阶剪切变形理论和轴线可伸长的精确几何非线性理论,推导了变曲率曲梁在热机载荷共同作用下的几何非线性控制方程。通过引入轴线伸长率,变形后的轴线弧长被当作基本未知量之一,基本未知量均被表示为变形前的轴线坐标的函数,使问题的求解区间仍为未变形时的曲梁轴线长度;给出了在给定曲梁轴线参数方程时,利用本文控制方程进行几何分析所需的初始曲率、变形前曲梁几何关系的数学表达式;介绍了几种常见的曲梁边界条件。所给数学模型可为轴线可伸长的变曲率曲梁的几何非线性分析和计算提供理论参考。     

曲梁压电俘能器强迫振动的格林函数解

本文运用格林函数法求解了曲梁压电俘能器在强迫振动下的解析解.运用微分法分析了压电层合曲梁结构面内各内力,根据曲梁压电俘能器的动力学方程组,基于压电本构关系,建立了包含径向阻尼但不考虑俘能器曲梁结构部分的轴向力以及轴向惯性项的Prescott力电耦合模型.采用Laplace变换法求得了耦合振动方程的格林函数解.根据叠加原理和格林函数的物理意义,对耦合的系统方程解耦进而求得强迫振动下曲梁压电俘能器的输出电压.数值计算中,通过与现有文献的解析解进行对比,验证了本文解析解的有效性,并研究了阻尼、电阻等重要物理参数对压电函数和谐振频率的影响.通过与有关传统直梁压电俘能器研究成果的对比,体现了曲梁压电俘能器Prescott模型的高效集能特性.数值分析研究表明:(1)使得曲梁俘能器达到最大输出电压时连接的最优负载电阻为1 M?;(2)通过更换适当的基底材料,降低材料的弹性模量,可以改变曲梁俘能器的高基频现象,以使结构适应更复杂的工作环境,但这会导致俘能器的工作效率降低.     

曲梁压电俘能器强迫振动的格林函数解

本文运用格林函数法求解了曲梁压电俘能器在强迫振动下的解析解.运用微分法分析了压电层合曲梁结构面内各内力,根据曲梁压电 俘能器的动力学方程组,基于压电本构关系,建立了包含径向阻尼但不考虑俘能器曲梁结构部分的轴向力以及轴向惯性项的Prescott力 电耦合模型. 采用Laplace变换法求得了耦合振动方程的格林函数解.根据叠加原理和格林函数的物理意义,对耦合的系统方程解耦进而 求得强迫振动下曲梁压电俘能器的输出电压. 数值计算中,通过与现有文献的解析解进行对比,验证了本文解析解的有效性,并研究了阻 尼、电阻等重要物理参数对压电函数和谐振频率的影响.通过与有关传统直梁压电俘能器研究成果的对比,体现了曲梁压 电俘能器Prescott模型的高效集能特性. 数值分析研究表明:(1)使得曲梁俘能器达到最大输出电压时连接的最优负载电 阻为1 M$\Omega$;(2)通过更换适当的基底材料,降低材料的弹性模量,可以改变曲梁俘能器的高基频现象,以使结构适应 更复杂的工作环境,但这会导致俘能器的工作效率降低.      

Static analysis of 2-2 cement-based piezoelectric composites

Exact static analysis of 2-2 cement-based piezoelectric composites is presented based on the theory of piezo-elasticity in this paper. Displacement method was used, and the solutions of four different kinds of piezoelectric composites under load were obtained. The effects of polarization direction of piezoelectric layers and material parameters on the solutions are discussed. The relationship between the blocking force and the applied voltage for the actuators was obtained. The solutions were compared with both numerical and experimental results, and good agreement was found.     

压电曲梁单元及其形状控制

航空航天等领域对结构形状要求非常严格,利用压电材料的逆压电效应控制结构变形是现代空间结构形状控制中一个很好的选择。本文基于一般曲梁单元,推导了空间压电曲梁单元的方程表达式,主体壳结构与压电单元之间利用约束方程连接。在此基础上进一步采用最小二乘法得到了压电控制单元上的最优电压,实现了压电曲梁单元的变形控制。数值算例表明了...     

Steady-state responses of forced laminated piezoelectric composite beams

The steady-state responses of laminated piezoelectric composite beams subjected to a uniformly distributed load and an electrical potential are investigated by using the state-space-based differential quadrature method. The constraints of the beam considered in the present paper can be any combination of four different kinds of end geometric boundary conditions and two kinds of end electrical boundary conditions. The influence of some material and geometrical parameters such as the thickness ratio and the number of layers on the responses of the beams is discussed. The present solutions are also compared with the numerical results, and a good agreement is found. The static solutions of laminated piezoelectric composite beams can be degenerated from the present steady-state solutions. The results obtained in the present paper are useful and can be applied to design the piezoelectric sensors and actuators in practical applications.     

智能梁振动主动控制的广义位置函数法

研究了具有离散分布式压电传感器、执行器的智能梁,在外加电场作用下振动模态与外加电场之间的耦合关系,提出了智能梁主动控制的一种新的计算方法-广义位置函数法,并引入执行器位置函数的级数展开式,简化了计算,结果表明,智能梁振动控制效果与压电执行器长度、数目以及位置有密切的关系。     

Low-energy impact of adaptive cylindrical piezoelectric–composite shells

A theoretical framework for analyzing low-energy impacts of laminated shells with active and sensory piezoelectric layers is presented, including impactor dynamics and contact law. The formulation encompasses a coupled piezoelectric shell theory mixing first order shear displacement assumptions and layerwise variation of electric potential. An exact in-plane Ritz solution for the impact of open cylindrical piezoelectric–composite shells is developed and solved numerically using an explicit time integration scheme. The active impact control problem of adaptive cylindrical shells with distributed curved piezoelectric actuators is addressed. The cases of optimized state feedback controllers and output feedback controllers using piezoelectric sensors are analyzed. Numerical results quantify the impact response of cylindrical shells of various curvatures including the signal of curved piezoelectric sensors. Additional numerical studies quantify the impact response of adaptive cylindrical panels and investigate the feasibility of actively reducing the impact force.     

DAP增强梁结构形状控制的机理研究

对称粘贴在梁结构上下表面上的压电元件在外部电场的作用下能使梁结构发生弯曲变形，通过分析驱动构件与结构中的应变分布，采用定向固定的压电元件(DAP，即directional attached piezoelectric)来代替传统的压电元件(CAP，即conventional attached piezoelectric)，减小了驱动构件的横向效应，提高了压电驱动的效率，并进行了实验对比验证。     

Development, modeling and deflection analysis of hybrid micro actuator with integrated thermal and piezoelectric actuation

Micro actuators are irreplaceable part of motion control in minimized systems. The current study presents an analytical model for a new Hybrid Thermo Piezoelectric micro actuator based on the combination of piezoelectric and thermal actuation mechanisms. The micro actuator structure is a double PZT cantilever beam consisting of two arms with different lengths. The presented micro actuator uses the structure of electrothermal micro actuator in which polysilicon material is replaced by PZT. Also the voltage and poling directions are considered in the lengthwise of PZT beams. As a result, the piezoelectric actuation mechanism is based on d ₃₃ strain coefficient. The tip deflection of micro actuator is obtained using Timoshenko beam theory. Analytical results are compared with FEM results along with other reported results in the literature. The effects of geometrical parameters and PZT material constants on actuator tip deflection are studied to provide an efficient optimization of HTP micro actuator.     

Active control of structural acoustic pressure in a rectangular cavity using piezoelectric actuators

Active control of structural acoustic pressure in a rectangular cavity with a flexible beam is simulated numerically. The wave equation of the acoustic pressure and the equation of motion of the beam are approximated via the series expansions, and is then expressed in state space form. The control of structural acoustic pressure and vibration of the beam was implemented by applying the optimal voltage on piezoelectric actuators through an LQR controller. Two cases of different external forces acting on the piezoelectric laminated beam are illustrated. Results demonstrate that such a control system can efficiently reduce the structural acoustic pressure.