基于Timoshenko梁阻抗单元的压电智能梁谐振分析

近年来,国内外关于压电材料与智能结构的研究已经蓬勃发展起来,尤其是受压电激励或传感结构的高频振动问题引起人们广泛的兴趣.论文基于Timoshenko梁理论,考虑压电梁系统中的转动惯量和剪切效应,推导了弹性梁和双压电晶片夹层梁这两种阻抗单元的阻抗方程,利用有限个阻抗单元以及它们的任意组合,模拟含压电激励器的智能梁系统.通过两个数值算例,分析了不同支承条件下压电智能梁的简谐振动,并与其它方法得到的结果进行了对比.研究发现:在前5阶模态,论文结果与有限元结果相吻合,而且在高于三阶模态的结果中,论文结果优于由Bernonlli-Euler梁得到的结果.因此,在分析受压电激励或传感梁结构的高频振动时,应舍弃Ber-nonlli-Euler梁理论而采用本文提出的分析方法.     

压电智能梁的阻抗分析与损伤识别

压电陶瓷具有正、逆压电效应,可以用作自驱动传感器．该文对表面粘贴有单片压电陶瓷的压电智能钢梁进行了阻抗分析．讨论了单压电片驱动下钢粱的纵向振动和弯曲振动,得到了压电智能梁的机械阻抗．介绍了压电片与基梁的机电耦合作用及基于压电阻抗技术的结构损伤识别机理．以两端自由钢梁为例对压电智能梁的压电阻抗进行了数值与实验验证,结果表明数值计算结果与实验结果基本相符．利用压电阻抗技术对两端自由的裂纹钢梁进行了损伤识别实验研究,实验结果发现,裂纹的出现引起高频段压电阻抗实部和虚部曲线出现了明显的变化;随着裂纹尺寸的增大,曲线谐振频率和反谐振频率逐渐减小．由此可见,通过测量钢梁损伤前后压电陶瓷片的电阻抗变化能够识别梁中的裂纹损伤．     

智能压电结构的新型阻尼修正模型

针对智能压电结构中，结构和压电材料之间的耦合和压电材料的动态输出，对结构阻尼的影响，提出了一种新的分段阻尼模型。由于压电结构和系统之间的耦合效应，整个结构的刚度和阻尼都会发生变化，尤其是阻尼会发生动态的变化。静态阻尼模型的描述已不能满足描述需要，而文中的分段阻尼模型能更精确地描述智能压电结构中的阻尼，以及系统的动态响应。以悬臂梁为例，实验结果验证了原静态阻尼模型的误差较大，而新模型比原模型精确反映了系统的幅频相应，比原模型更加合理和准确。     

Lamb波理论及层合板冲击损伤的实验研究

从理论上分析了板中Lamb波信号的传播特性,并给出Lamb波在板中传播的频散方程。理论分析及实验均表明,Lamb波的频散特性与复合材料结构损伤有着直接的联系,而且最低阶的对称和反对称Lamb波模态对层合板的损伤比较敏感,但应用Lamb波的频散效应监测结构的损伤在检测技术上还难以实现。根据板中导波形成Lamb波的共振原理,板中应力波的幅频特性很大程度上反映了Lamb波的谐振特征。因此,利用压电元件的压电阻抗谱分析应力波的各阶模态频率及振幅对结构损伤的变化,能够反映材料内部损伤与Lamb波的频散特性。文中针对表面粘贴压电元件的层合板智能结构,建立了包含Lamb波谐振模式的压电阻抗计算模型。冲击损伤试件的实验表明,由于结构损伤的出现压电阻抗谱中的模态频率及其阻抗幅值等特征信息将发生变化。因此,引入应力波损伤因子可以对结构冲击损伤的存在和程度进行初步评价。该方法基于结构的机-电动态阻抗特性,不受结构的几何形状限制,测试用的压电元件成本低,方法简单可行,有望在智能结构的健康诊断方面获得应用。     

基于机电阻抗技术的管道法兰结构健康监测实验研究

基于机电阻抗技术,采用一种新型压电陶瓷纤维复合材料MFC(Macro-fiber composite),对管道连接处法兰的螺栓工况进行监测实验研究。首先,研究了螺栓扭矩大小对管道法兰结构的阻抗的影响程度。在对螺栓开始施加扭矩时阻抗值变化明显,当扭矩增大到一定程度后,阻抗变化减缓。同时进一步研究了松动螺栓数量与管道法兰结构的阻抗变化之间的关系。结果显示,结构的损伤值随松动螺栓个数的增加呈线性增长。采用均方根偏差统计算法,对在不同工况条件下管道法兰结构处测得的阻抗值进行了有效的分析和处理。结果表明,采用MFC作为压电敏感元件的机电阻抗法,用于管道法兰结构健康监测具有较好的稳定性和应用潜力。     

基于阻抗法的预应力波纹管密实性试验研究

针对预应力波纹管中压浆不密实的问题,提出了一种基于压电阻抗法的预应力波纹管密实性检测研究方法。运用压电阻抗法的结构健康监测原理,定义了预应力波纹管灌浆密实性指标的均方根偏差RMSD(Root Mean Square Deviation),通过测试粘贴在波纹管底顶板的压电陶瓷传感器PZT(Piezoelectric Ceramic Transducer)和嵌入到波纹管内部的智能骨料SA(Smart Aggregate)的电阻抗值,与灌浆100%工况相比研究了灌浆0%、灌浆50%以及灌浆90%等工况下的电阻抗实部与虚部的频谱曲线变化规律。结论是密实性指标RMSD随预应力波纹管密实性增加而减小。上述研究成果验证了阻抗法对波纹管密实性检测的有效性。     

带附加质量块的压电圆板能量采集器振动分析

基于圆板的压电能量采集技术在取代化学电池为低功耗电子器件提供能源方面具有巨大的潜能. 本文通过理论建模和数值仿真研究了考虑附加质量接触面积的压电圆板能量采集器的采集性能. 首先, 基于基尔霍夫薄板理论, 用广义哈密顿原理推导了带附加质量块的压电圆板能量采集器的机电耦合方程, 并用伽辽金法对方程近似离散, 通过离散方程得到电压、功率输出和最优负载阻抗的闭合解. 用有限元仿真对所提出的理论模型进行了验证, 结果表明该理论模型可以成功地预测压电圆板能量采集器输出电压和功率. 最后, 基于闭合解探讨了负载阻抗、附加质量块、压电圆板的内外半径等相关参数对压电圆板能量采集器固有频率、输出电压和功率的影响. 结果表明, 当质量块与复合板的接触半径足够小(本文中接触半径小于板半径的1/14)时, 质量块与复合圆板的接触面积可以忽略; 相较于无孔的压电片, 内径位于2.5 ~ 4 mm范围内的压电片可以提高能量采集器的采集性能; 附加质量、压电片外径和负载阻抗的合理选择既可以降低压电圆板的固有频率, 还可以提高其采集性能.      

压电功能梯度板自由振动的三维解

基于三维弹性理论和压电理论，导出了有限长矩形压电功率梯度板的动力学方程及相应的边界条件，并用幂级数展开法进行了求解，得到了压电功能梯度板自由振动的三维精确解公式，求解了自由振动的固有频率，并分析了压电系数的梯度变化对不同电学边界条件下压电板的自由振动频率的影响，结果可用于校核不同的近似理论及理解压电结构的动态行为。     

具有表面效应的压电半空间中的表面波

纳米科技的快速发展使压电纳米结构在纳米机电系统中得到广泛应用,形成了诸如纳米压电电子学等新的研究方向.与传统的宏观压电材料相比,在纳米尺度下压电材料往往呈现出不同的力学特性,而造成这种差异的原因之一便是表面效应.本文基于Stroh公式、Barnett-Lothe积分矩阵及表面阻抗矩阵,研究计入表面效应的任意各向异性压电半空间中的表面波传播问题,导出了频散方程.针对横观各向同性压电材料,假设矢状平面平行于材料各向同性面,发现Rayleigh表面波和B-G波解耦,并得到各自的显式频散方程.结果表明,Rayleigh表面波的波速小于偏振方向垂直于表面的体波,而B-G波的波速小于偏振方向垂直于矢状平面的体波.以PZT-5H材料为例,用数值方法考察表面残余应力和电学边界条件对表面波频散特性的影响发现:表面残余应力只对第一阶Rayleigh波有明显的影响;电学开路情形的B-G波比电学闭路情形的B-G波传播快.本文工作可为纳米表面声波器件的设计或压电纳米结构的无损检测提供理论依据.     

支架振动主动控制的实验研究

用实验方法研究了支架振动主动控制。结果表明，用压电陶瓷片作传感器和作动器，采用速度反馈控制，无论是谐和激励还是随机激励，支架振动都能得到有效抑制。振动控制中压电陶瓷片作传感器既简便易行，又减少了附加质量对被控结构动态特性的影响。     

正交异性动态光弹性方法的几个基本问题的研究

文章对适用于动态研究的正交异性光弹性复合材料进行了分析，详细说明了光弹性复合材料中残余双折射的确定方法；基于静态下Ｈｙｅｒ和Ｌｉｕ应力－光性定律，提出了正交异性动态应力－光性定律，并对正交异性材料的动态力学参数及动态光弹性常数给出了实用的标定方法；最后，利用三个单轴压缩试件（０°，９０°及４５°），采用动态应变测量方法，证实了单轴应力状态下正交异性动态应力－光性定律的正确性。     

结构动力优化设计述评与展望

结构动力优化设计是当前工程结构设计研究领域中的前沿性课题。文中着重从结构动力特性优化、结构动力响应设计、结构动力灵敏度分析和基于可靠性的结构动力优化设计等四个专题方面对结构动力优化设计研究的发展与现状进行了述评,并粗略地展望了结构动力优化研究未来的发展趋势。      

Dynamic stress intensity factor KⅢ and dynamic crack propagation characteristics of anisotropic materials

Based on the mechanics of anisotropic materials,the dynamic propagation problem of a mode Ⅲ crack in an infinite anisotropic body is investigated.Stress,strain and displacement around the crack tip are expressed as an analytical complex function,which can be represented in power series.Constant coefficients of series are determined by boundary conditions.Expressions of dynamic stress intensity factors for a mode Ⅲ crack are obtained.Components of dynamic stress,dynamic strain and dynamic displacement around the crack tip are derived.Crack propagation characteristics are represented by the mechanical properties of the anisotropic materials,i.e.,crack propagation velocity M and the parameter α.The faster the crack velocity is,the greater the maximums of stress components and dynamic displacement components around the crack tip are.In particular,the parameter α affects stress and dynamic displacement around the crack tip.     

柔性机械臂碰撞系统的一种建模方法及精细积分数值模拟

对一单连杆柔性机械臂与外界发生碰撞时的动力学特性进行了研究。在建立动力学模型时，利用有限元思想，用有限个刚性单元和抗扭连接弹簧来模拟机械臂及其柔性性质，得出了较为简单的非线性动力学方程，根据几何关系，建立了系统在发生碰撞时的约束条件。本文在系统的动力学方程中引入对偶变量，并将方程导向Hamilton体系，用精细积分法对系统的动力学特性进行了模拟。     

基于裂纹扩展脆性岩石动力压缩力学特性研究

动态压缩荷载作用下，脆性岩石内部动态细观裂纹扩展特性，对岩石宏观动态力学特性有着重要的影响。然而，对岩石内部动态细观裂纹扩展与宏观动态力学特性的关系研究较少。基于准静态裂纹扩展作用下的应力-应变本构模型、准静态与动态裂纹扩展断裂韧度关系、裂纹速率与应变率关系模型及应变率与动态断裂韧度关系，提出了一种基于细观力学的动态应力-应变本构模型。其中裂纹速率与应变率关系，是根据裂纹长度与应变关系的时间导数推出；应变率与动态断裂韧度关系，是根据推出的裂纹速率及应变率关系，与裂纹速率及断裂韧度关系相结合而得到。研究了应变率对应力-应变本构关系及动态压缩强度影响。并通过试验结果验证了模型的合理性。讨论了岩石初始损伤、围压、模型中参数m、ε₀和R对应力-应变关系、动态压缩强度和动态弹性模量的影响。研究结果可为动态压缩荷载作用下深部地下工程脆性围岩稳定性分析提供了一定的理论支持。     

任意高差的多档输电线动刚度理论建模

针对目前多档输电线动力特性研究中存在的不足,将任意一档导线视为子结构并基于现有的索振动理论获得了其动张力;利用相邻两档导线的动张力建立了悬垂绝缘子串绕其悬挂点摆动的动力学方程;综合每一档导线的振动方程以及悬垂绝缘子串的摆动方程建立了两档及三档输电线的动力学方程,求解得到由端部位移激励产生的动刚度;通过对动刚度进行分析得到了多档输电线的固有频率以及模态的理论表达形式;建立了小高差的两档及三档导线的有限元模型,理论分析结果与有限元结果一致,验证了理论公式的正确性。本文提出的动刚度理论对于研究多档输电线的动态响应具有重要的应用价值。     

新型立式动平衡机的设计与分析

在分析传统的双面立式动平衡机的振动结构的基础上，设计了一种新的立式动平衡机的振动结构(即摆架)，采用新摆架结构的动平衡机可以实现静不平衡和偶不平衡的有效分离。文中详细分析了新摆架结构的特点，并在ANSYS7．0平台上对摆架进行了有限元模态分析和谐响应分析。由于新的摆架结构采用多块簧板，在多个部位刚度匹配，且采用多个传感器安装于测量点处，这样新的动平衡机可以直接测量静不平衡和偶不平衡，且相互影响极小。实践证明：采用新摆架结构的动平衡机特别适合于飞行物体的惯性测量，且克服了传统的双面立式动平衡机长期以来平面分离不佳的缺点，具有很高的推广价值。     

冲击载荷下扩展裂纹尖端动态能量释放率分布的焦散线分析

借助高速摄影捕捉裂纹瞬态扩展过程，利用动态焦散线研究了含有裂纹的三点弯曲梁在冲击载荷作用下扩展裂纹尖端的动态能量释放率分布规律；综合分析了裂纹扩展时间、长度、速度，以及扩展裂纹尖端动态应力强度因子与它的变化关系，表明了动态能量释放率在裂纹扩展过程中的驱动作用。     

An introduction to dynamic photoelasticity

The general area of elastodynamics is divided into four more limited topics including, stress-wave propagation, vibration and impact, fracture propagation and quasi-static transients. The application of dynamic photoelasticity to each topic is discussed. Recording methods used in dynamic photoelasticity which are reviewed include the high-speed framing camera, the Cranz-Schardin system, Q-switched ruby lasers, and a stopaction strobe system. Advantages and disadvantages of each method of recording are covered. Analysis procedures used in interpreting the dynamic isochromatic-fringe patterns are described. Examples are illustrated where separation of the principal stresses is possible and a calibration method for determining the dynamic material-fringe valuef _σ ^* is reviewed. Finally, four applications of dynamic photoelasticity to problems arising in geophysics, fracture mechanics, flaw detection and mining are briefly reviewed to show the versatility of the dynamic photoelastic method are described.     

Characterizing dynamic load propagation in cohesionless granular packing using force chain

When dynamic load is applied on a granular assembly, the time-dependent dynamic load and initial static load (such as gravity stress) act together on individual particles. In order to better understand how dynamic load triggers the micro-structure's evolution and furtherly the ensemble behavior of a granular assembly, we propose a criterion to recognize the major propagation path of dynamic load in 2D granular materials, called the “dynamic force chain”. Two steps are involved in recognizing dynamic force chains: (1) pick out particles with dynamic load larger than the threshold stress, where the attenuation of dynamic stress with distance is considered; (2) among which quasi-linear arrangement of three or more particles are identified as a force chain. The spatial distribution of dynamic force chains in indentation of granular materials provides a direct measure of dynamic load diffusion. The statistical evolution of dynamic force chains shows strong correlation with the indentation behaviors.