低速冲击下压电层合板的非线性动力响应与疲劳损伤寿命分析

基于损伤力学,考虑压电效应、几何非线性和损伤演化的影响,建立了集中载荷作用下压电层合板的非线性运动微分方程,考虑撞击物与压电层合板之间的弹性接触效应,确定了层合板所承受的冲击力.对此非线性动力问题,采用有限差分法进行求解,且引入损伤层合板单元模型,采用有限元方法模拟了冲击荷载作用下压电层合板的损伤演化.算例中,讨论了撞击物的冲击速度、压电材料以及损伤对压电层合板非线性动力响应的影响,以及周期冲击荷载下冲击速度和压电材料对压电层合板疲劳损伤寿命的影响.     

具损伤压电智能层合中厚板的非线性动力稳定性分析

基于各向异性损伤理论和压电理论，采用能量法和Lagrange方程，建立了具损伤压电智能层合中厚板在参数激励下的非线性运动控制方程，应用增量谐波平衡法，求解了具损伤压电智能层合中厚板的非线性动力稳定性问题。算例中，分析了损伤参数和压电效应对压电智能层合板非线性动力稳定性的影响，揭示了力电耦合效应的内在特征，并与有关文献的结果进行了比较。     

智能材料MFC驱动双稳态板的跳变特性研究

智能可变形结构能感知周围环境的变化并做出适当的反应,其主要原理是利用智能材料层产生应变以达到驱动主体结构发生变形。含有智能材料压电纤维MFC的双稳态复合材料层合板可以通过智能驱动实时调整主体结构的形状,实现稳态构型之间的跳变。本文对中心点固支的MFC压电智能驱动双稳态复合材料层合板的稳态构型、跳变规律及其影响因素进行了系统地研究。研究内容主要包括：含MFC的双稳态层合板的稳态构型、分叉行为和驱动跳变分析。利用理论模型分析了层合板的长宽比、厚度尺寸、铺层方式和MFC粘贴位置对双稳态板分叉行为的影响,并预测了双稳态层合板的临界尺寸以及驱动跳变的临界电压。双稳态板的跳变是一个大变形的非线性行为,实现和控制跳变行为的研究是其应用的基础。本文的研究结果为新型压电材料驱动双稳态板的结构设计提供了一定的理论参考。     

含界面脱粘压电复合材料层合板的非线性动力稳定性分析

基于Reddy提出的板高阶剪切变形简化理论,研究了含界面脱粘损伤压电复合材料层合板非线性动力稳定性问题.首先,建立了分层模型,推导了考虑几何非线性、阻尼效应、纵向惯性力和力-电耦合效应的Mathieu方程,并且给出了该方程解的解析表达式.其次,通过典型算例讨论了界面脱粘损伤以及反馈控制力对该层合板动力不稳定区域、纵向、横向共振频率和最大"牵引"深度的影响.由典型算例讨论可知:随着层合板界面脱粘损伤的扩大,其动力稳定性能逐渐减弱,其中在损伤较小时,反馈控制力对智能结构几乎没有影响;而在损伤比较大的情况下,反馈控制力将能有效地减少动力不稳定区域重合面积.     

复合材料层合板的颤振特性及振动抑制研究

研究了超声速流中压电复合材料层合板的颤振特性及振动抑制方法。采用一阶活塞理论计算了超声速流场中的气动压力,基于经典层合板理论和Hamilton原理推导了压电复合材料层合板的动力学模型,设计了滑模观测器以减少观测溢出,通过Lyapunov方法证明观测器的稳定性,应用观测状态设计了LQR控制器,讨论了几何参数、铺设角度对压电复合材料层合板颤振特性的影响,利用SIMULINK仿真求解了层合板的脉冲响应,验证了控制器的有效性。结果表明,合理规划层合板的几何参数和铺设角度可提高系统颤振稳定性,滑模观测器能够较为准确地追踪原始系统且具有良好的鲁棒性,LQR控制可以在一定范围内消除层合板的颤振点,并且能够有效地控制压电复合材料层合板在颤振边界处的振动,Q矩阵越大,振动控制效果越好,压电层厚度越大,LQR控制效果越好。     

新型厚薄通用的压电层合板三角形CDST-S6E单元

基于压电复合材料层合板一阶剪切变形理论及叠层理论,构造了一种新型三角形三节点压电层合板单元,简记为CDST-S6E单元.该单元采用压电耦合的运动方程求解位移场及电势场,层合板主体结构用一阶剪切变形理论模拟,其剪应变场及单元转角场由结点包含有两个剪切自由度的DST-S6单元理论确定,电势作为附加自由度,应用叠层理论对压电层合板的电势场沿厚度方向进行线性插值.该CDST-S6E单元不需要借助减缩积分、假设应力或应变等辅助数学手段,也不会产生对稳定性带来影响的附加零能模式,可较好避免厚薄板单元的剪切闭锬问题且具有简洁的表达形式.数值算例表明,CDST-S6E单元具有较高的精度,可以较为精确地预测压电层合板的变形及电势场,是一种厚薄通用的优质压电层合板单元.     

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。     

反平面剪切状态下压电-压磁夹层结构的圣维南端部效应

本文研究电磁材料层合板圣维南末端效应的衰减特征。考虑压电和压磁构成的三层结构层合板,主要目的是揭示边界条件和材料性能对衰减特性的影响,结果表明,压电压磁性能及边界条件对衰减率有明显影响。     

基于Legendre多项式的双压电层合板三维压电谱元法模拟

谱单元作为一种高阶单元具有计算效率高和精度高的特点。本文在基于Legendre正交多项式的三维谱单元基础上提出了三维压电谱单元模型,用于压电层合板静力和动力性能模拟研究。压电层合板结构中的位移和电势自由度均离散到三维压电谱单元Gauss-Lobatto-Legendre(GLL)配置节点上,并且未对电势沿压电层厚度方向上的变化做任何假定。通过提高谱单元中沿压电层合板厚度方向上的形函数阶数的方法,来削弱三维谱单元在模拟薄板结构中出现的剪切闭锁现象。为验证单元的计算精度,取双压电层合板结构进行静力和动力行为模拟验证,并将计算结果与现有文献中的其它单元模型及有限元结果进行对比。结果表明,压电谱单元可有效模拟压电层合板的静力和动力行为,且提高谱单元形函数阶数可提高数值模拟精度。     

埋入压电元件的自适应层合板形状控制的数值分析

把压电元件埋入复合材料层合板中，层合板就变成压电自适应层合板，它除了具有承载能力外，还具有检测、动作、变形等功能。本文用有限元法对压电自适应层合板进行了分析，压电元件的驱动效应被等效为力学载荷。计算过程因此得到了简化，所得算例１的计算结果得到了实验结果的验证。在此基础上，利用非线性规划方法，对结构形状的最优控制进行了分析，并给出了算例２的分析结果。     

Nonlinear free vibration analysis of piezoelastic laminated plates with interface damage

This paper presents a nonlinear model for piezoelastic laminated plates with damage effect of the intra-layers and inter-laminar interfaces. Discontinuity of displacement and electric potential on the interfaces are depicted by three shape functions. By using the Hamilton variation principle, the three-dimensional nonlinear dynamic equations of piezoelastic laminated plates with damage effect are derived. Then, by using the Galerkin method, a mathematical solution is presented. In the numerical studies, effects of various factors on the natural frequencies and nonlinear amplitude-frequency response of the simply-supported peizoelastic laminated plates with interfacial imperfections are discussed. These factors include different damage models, thickness of the piezoelectric layer, side-to-thickness ratio, and length-to-width ratio.     

Nonlinear dynamic response of piezoelastic laminated plates considering interfacial damage effects

This paper presents a nonlinear model for cross-ply piezoelastic laminated plates containing the damage effect of the intralayer materials and interlaminar interfaces. The model is based on the general six-degrees-of-freedom plate theory, the discontinuity of displacement, and electric potential on the interfaces are depicted by three shape functions, which are formulated according to solutions about three equilibrium equations and conservation of charge. By using the Hamilton variation principle, the three-dimensional nonlinear dynamic equations of piezoelastic laminated plates with damage are presented. Then using the finite difference method and the Newmark scheme, an analytical solution is presented. In numerical examples, the effects of different damage models, damage evolution, amplitude and frequency of electric loads on the nonlinear dynamic response of piezoelectric laminated plate with interfacial imperfections are investigated.     

ACTIVE CONTROL OF THE PIEZOELASTIC LAMINATED CYLINDRICAL SHELL''''S VIBRATION UNDER HYDROSTATIC PRESSURE

IntroductionDuetotheintrinsicdirectandconversepiezoelectriceffects,piezoelectricmaterialscanbeeffectivelyusedtoproducesensorsoractuatorsfortheactiveshapeorvibrationcontrolostructures.Therefore,theuseofpiezoelectricmaterialsinintelligentstructuresattractedmanyattentionsinrecentyears.Thedesignofsuchactivesystemsrequiresgoodunderstandingofthemechanical_electricinteractionbetweenthestructuresandpiezoelectricmaterials.Manyinvestigationshavebeendoneinthisfield[1].However,mostofthesestudiesarebasedo…     

Stability of parametric vibrations of hybrid composite plates

In this paper, the dynamic stability of laminated hybrid composite plates subjected to periodic uniaxial stress and bending stress is studied. The governing equations of motion of Mathieu-type are established by using the Galerkin method with reduced eigenfunctions transforms. Based on Bolotin's method the regions of dynamic instability of laminated hybrid composite plates are determined by solving the eigenvalue problems. The effects of layer thickness ratio, layer number, core material and load parameter on the dynamic instability of laminated hybrid composite plates are investigated and discussed.     

Analysis of interlaminar stress and nonlinear dynamic response for composite laminated plates with interfacial damage

By considering the effect of interfacial damage and using the variation principle, three-dimensional nonlinear dynamic governing equations of the laminated plates with interfacial damage are derived based on the general sixdegrees-of-freedom plate theory towards the accurate stress analysis. The solutions of interlaminar stress and nonlinear dynamic response for a simply supported laminated plate with interfacial damage are obtained by using the finite difference method, and the results are validated by comparison with the solution of nonlinear finite element method. In numerical calculations, the effects of interfacial damage on the stress in the interface and the nonlinear dynamic response of laminated plates are discussed.     

反对称铺设层合板动力问题的Hamilton体系及辛几何解法

基于ＹＮＳ层合格理论，建立反对称铺设层合板动力问题的Ｈａｍｉｌｔｏｎ正则方程，并采用共轭辛正交归一关系给出一对边简支，另一对边为任意支承层合板自振频率的精确解，数值算例讨论了长宽比，铺设角，层数及剪切修正系数的影响。     

Nonlinear active control of damaged piezoelectric smart laminated plates and damage detection

Considering mass and stiffness of piezoelectric layers and damage effects of composite layers, nonlinear dynamic equations of damaged piezoelectric smart laminated plates are derived. The derivation is based on the Hamilton＇s principle, the higher- order shear deformation plate theory, von Karman type geometrically nonlinear straindisplacement relations, and the strain energy equivalence theory. A negative velocity feedback control algorithm coupling the direct and converse piezoelectric effects is used to realize the active control and damage detection with a closed control loop. Simply supported rectangular laminated plates with immovable edges are used in numerical computation. Influence of the piezoelectric layers＇ location on the vibration control is in- vestigated. In addition, effects of the degree and location of damage on the sensor output voltage are discussed. A method for damage detection is introduced.     

采用精确化理论求解厚板任意形开孔动应力集中

摘要：本文基于复变函数与保角映射法,采用平板弯曲振动精确化方程[9],对含任意形开孔平板中弹性波散射与动应力集中问题进行了研究。利用正交函数展开的方法将待解的问题归结为对一组无穷代数方程组的求解。作为算例,计算了自由边界条件下圆孔和椭圆孔的动弯矩集中系数的数值结果,并对板厚与孔径比对动弯矩分布的影响做了分析研究。结果表明：入射波数、平板厚度和椭圆偏心率等参数对动弯矩的分布都有很大的影响。在较低频率和平板较薄的情况下,基于文献[9]的方程与基于Mindlin板的动弯矩结果在数值分布上是基本一致的;在较高频率和平板较厚的情况下,基于文献[9]的方程与基于Mindlin板的动弯矩结果在数值分布计算结果相差较大。由于文献[9]给出的平板振动精确化方程是在没有任何工程假设条件下得到的,因此本文的分析计算结果更精确一些。     

低速冲击激励下嵌入黏弹性阻尼芯层的纤维金属混杂层合板动态响应预测模型

本文首次从解析角度建立了低速冲击激励下嵌入黏弹性阻尼芯层的纤维金属混杂层合板动态响应预测模型. 首先,结合经典层合板理论和冯$\cdot$卡门假设,建立了嵌入黏弹性芯层的纤维金属混杂层合板弹性损伤本构关系. 然后,将层合板受冲击时的变形分成接触和拉伸两个区域,在接触区域内,对金属层采用 Von Mises 失效准则,纤维层采用 Tsai-Hill 失效准则和对黏弹性层采用指数 Drucker-Prager 失效准则判断层合板损伤情况. 考虑不同材料层对冲击动态响应的贡献来修正两个变形区域的位移公式,进而计算结构因弹性变形产生的应变能,以及接触区域因塑性变形消耗的能量,实现每次失效事件发生后各层材料的能量、位移和冲击接触力的理论求解,并给出了结构动态响应分析的具体流程图. 最后,以嵌入 Zn33 黏弹性芯层的 TA2 钛合金混杂 T300 碳纤维/树脂层合板为研究对象,开展落锤冲击实验. 验证结果表明,理论预测与测试获得的冲击接触力、位移响应以及冲击载荷-位移曲线吻合较好,且关注的峰值点计算误差最大不超过 9%,进而验证了所提出的理论模型的有效性.