偏场作用下不可压缩软电弹性圆柱壳的轴对称波动

基于Dorfmann-Ogden非线性电弹性框架及其线性增量理论,研究了在偏场作用下的不可压缩各向同性软电弹性圆柱壳中的轴对称波,获得了以贝塞尔函数表示的波动解和精确的频散方程。针对已有文献提出的非线性软电弹性材料模型,研究了偏场下电弹性圆柱壳的波动特性。结果表明:预加电场与预拉伸对软电弹性圆柱壳中波动的影响显著,二者可用于对波动特性的调控。另外,对比研究了不同结构形式、考虑和不考虑真空情况下电场对波动特性的影响,结果表明:这两个因素的变化会使弥散曲线形状发生较大的改变。     

磁-电-弹性半空间在轴对称热载荷作用下的三维问题研究

考虑力-电-磁-热等多场耦合作用, 基于线性理论给出了磁-电-弹性半空间在表面轴对称温度载荷作用下的热-磁-电-弹性分析, 并得到了问题的解析解. 利用Hankel 积分变换法求解了磁-电-弹性材料中的热传导及控制方程, 讨论了在磁-电-弹性半空间在边界表面上作用局部热载荷时的混合边值问题, 利用积分变换和积分方程技术, 通过在边界表面上施加应力自由及磁-电开路条件, 推导得到了磁-电-弹性半空间中位移、电势及磁势的积分形式的表达式. 获得了磁-电-弹性半空间中温度场的解析表达式并且给出了应力, 电位移和磁通量的解析解. 数值计算结果表明温度载荷对磁-电-弹性场的分布有显著影响. 当温度载荷作用的圆域半径增大时, 最大正应力发生的位置会远离半无限大体的边界; 反之当温度载荷作用的圆域半径减小时, 最大应力发生的位置会靠近半无限大体的边界. 电场和磁场在温度载荷作用的圆域内在边界表面附近有明显的强化, 而磁-电-弹性场强化区域的强化程度跟温度载荷的大小和作用区域大小相关. 本研究的相关结果对智能材料和结构在热载荷作用下的设计和制造具有指导意义.      

力电耦合偏场理论：回顾、比较与展望

力电耦合固体的非线性连续介质理论最早出现于20世纪50年代,而成熟于70年代.80年代末、90年代初则因智能材料与结构的兴起而又得到了新的发展,引起了较为广泛的关注,但应用上以线性分析为主.21世纪初以来,力电耦合软材料因其潜在的应用前景激发了众多的研究兴趣.由于牵涉到大变形,必须在一般非线性连续介质力学的框架内进行问题的建模和开展定量分析,因此力电耦合固体的非线性理论重新得到了大家的重视,出现了很多新版本.本文旨在阐述力电耦合固体非线性连续介质理论一般框架的基础上,采用3个构型的表述方式,较为详细地给出拉格朗日描述和更新拉格朗日描述下的力电耦合偏场理论,甄别不同理论表述版本之间的异同,以廓清目前文献中的混乱现象,为今后的相关研究提供理论指导.最后,本文讨论和展望了力电耦合偏场理论在不同研究领域的若干研究重点及其未来发展趋势.     

深部岩体变形破坏的特征能量因子与应用

深部岩体在高地应力作用下储存了大量的弹性应变能。在开挖或爆破扰动作用下，原有的平衡状态被打破，围岩中形成了有势场和不平衡应力场。在不平衡力场和扰动场的共同作用下，岩体的变形与破坏表现出了诸如分区破裂化、大变形、岩爆以及人工地震等非线性行为。传统的连续介质理论并不能考虑岩体的构造特性与含能特性，因此无法很好地解释深部岩体的特殊非线性力学现象。特征能量因子从能量的角度出发，结合统计物理学观点，为分析深部岩体在动静荷载组合作用下的变形和破坏过程提供了有效的理论支撑。本文主要对特征能量因子进行了简要介绍，并回顾了其在深部岩体分区破裂以及动力诱发围岩不可逆变形等非线性工程灾害现象中的应用。     

盘式制动器摩擦界面接触压力分布研究

在考虑具有可变效应的移动热源影响、制动盘与片的弹性影响以及界面摩擦热流影响等的耦合作用下,建立了一个三维瞬态盘式制动器热-结构耦合模型,利用大型有限元软件ANSYS的非线性多场耦合分析方法,分别数值模拟了不同状态下的制动器摩擦接触界面上的压力场分布情况.发现制动接触压力并非均匀分布,而是与制动盘和片的变形、摩擦力以及摩擦热-结构耦合有关.     

虚单元计算方法的最新理论与应用进展

虚单元方法是近几年在计算领域迅速发展的一种先进数值方法, 相比于有限元方法, 该方法放松了对单元凸凹性的限制, 可适用于任意形状的多边形单元, 因而在处理悬挂节点、接触、多晶体变形等特定问题方面具有优势, 是当前计算力学领域的国际前沿与热点方向. 本文全面综述了虚单元方法的理论发展, 通过介绍该方法在泊松方程、线弹性、非线性等问题中的应用, 向读者展示了虚单元法的理论核心以及它和有限元方法的异同. 尽管虚单元法的发展目前还处在起步阶段, 但该方法在诸多的非线性问题、接触问题、裂纹扩展以及多场耦合等方面展现出了巨大潜力. 通过对虚单元方法最新理论与应用进展的综述, 为面临单元凸凹性等问题苦恼的计算领域科研工作者提供一种新的解决方案; 同时为对工程科学计算感兴趣的青年科研人员提供关于虚单元方法的快速而系统的全面认知, 以期青年学者能融会贯通, 发展出适应我国计算力学需求的新型算法与高性能软件.      

深梁理论的研究现状与工程应用

综述了深梁理论、截面剪切修正系数计算理论、深梁线性与几何非线性有限元、深梁材料非线性分析、深梁振动理论、深梁稳定理论、箱梁结构分析中弯曲、剪力滞、畸变分析时考虑剪切变形影响的计算理论、钢腹板桥梁考虑剪切变形的研究成果、弹性地基深梁、深梁理论在工程结构中的应用等. 提出了杆系结构的静力、振动和稳定分析方法都可用Timoshenko 深梁理论进行重建和重写.     

THREE-DIMENSIONAL ANALYSIS OF A MAGNETOELECTROELASTIC HALF-SPACE UNDER AXISYMMETRIC TEMPERATURE LOADING 1)

考虑力-电-磁-热等多场耦合作用, 基于线性理论给出了磁-电-弹性半空间在表面轴对称温度载荷作用下的热-磁-电-弹性分析, 并得到了问题的解析解. 利用Hankel 积分变换法求解了磁-电-弹性材料中的热传导及控制方程, 讨论了在磁-电-弹性半空间在边界表面上作用局部热载荷时的混合边值问题, 利用积分变换和积分方程技术, 通过在边界表面上施加应力自由及磁-电开路条件, 推导得到了磁-电-弹性半空间中位移、电势及磁势的积分形式的表达式. 获得了磁-电-弹性半空间中温度场的解析表达式并且给出了应力, 电位移和磁通量的解析解. 数值计算结果表明温度载荷对磁-电-弹性场的分布有显著影响. 当温度载荷作用的圆域半径增大时, 最大正应力发生的位置会远离半无限大体的边界; 反之当温度载荷作用的圆域半径减小时, 最大应力发生的位置会靠近半无限大体的边界. 电场和磁场在温度载荷作用的圆域内在边界表面附近有明显的强化, 而磁-电-弹性场强化区域的强化程度跟温度载荷的大小和作用区域大小相关. 本研究的相关结果对智能材料和结构在热载荷作用下的设计和制造具有指导意义.     

单层平面索网幕墙结构的几何非线性问题研究

单层平面索网支承式玻璃幕墙结构是近年来在国内外应用较为广泛的一种新型幕墙结构形式,由于单层平面索网不具有负高斯曲面形式,结构在平面外方向的刚度偏柔,表现出较明显的几何非线性特征.本文采用连续化方法建立了单层平面索网结构考虑几何非线性影响的静力平衡方程和振动方程,得到了结构刚度的解析表达式,并采用谐波平衡法求得非线性频率的简化解析表达式,以此为基础研究了单层平面索网结构的静力非线性和动力非线性问题.研究结果表明:结构的非线性和结构的初始位置密切相关;结构的非线性频率主要取决于索的初始应变、结构振动幅值与跨度的比值,几何非线性对于结构动力性能的影响要小于对结构静力性能的影响;本文得到的结构在地震荷载和平均风荷载作用下的非线性振动方程和非线性频率为结构在地震荷载和脉动风荷载作用下动力响应的求解奠定了基础.     

强电场作用下简支压电层合梁的非线性动力分析

研究可移简支压电弯曲层合梁在交变强电场作用下的非线性动力学行为．考虑材料的电致伸缩和电致弹性压电效应以及几何非线性导出压电层合梁的数学模型．导出简支压电执行器的弯曲振动控制方程,并得到它的刚度是关于时间的慢变函数关系．利用非定常振动的渐近理论和Galerkin方法对具有慢变系数的非线性动力方程进行求解,得到了可移简支压电层合梁的动力特征．最后得到了可移压电简支梁的共振频率、固有频率和电场频率三者之间的变化关系以及谐振幅度与作用电场强度的关系．     

A model for electroelastic plates under biasing fields with applications in buckling analysis

This paper presents a theoretical model for coupled extension and flexure with shear deformations of an electroelastic plate under biasing fields. The governing equations of this model, defined in the middle plane of the plates, are derived from the full three-dimensional theory of electroelasticity for small fields superposed upon finite biasing fields, under the assumption that the stress component normal to the plate vanishes identically. As examples to illustrate the applications of this model, the authors include their analysis of buckling of three plates, one single-layered plate and two double-layered plates (i.e., bimorphs) of distinct poling configurations. This analysis indicates that the electromechanical coupling strengthens the plates against buckling.     

On the influence of a flexural biasing state on the velocity of piezoelectric surface waves

A system of linear electroelastic equations for small fields superposed on a bias is applied in the determination of the velocity of acoustic surface waves in piezoelectric substrates subject to flexural biasing stresses. The influence of the biasing stresses appears in the boundary conditions as well as the differential equations. Direct calculations performed for both quartz and lithium niobate when the spatial variation of the flexural biasing state is omitted indicate that the biasing stresses in the boundary conditions have an important influence of the surface wave velocity. In addition, perturbation calculations are performed which include the influence of the spatial variation of all flexural biasing terms and it is shown that, for substrate thickness-to-wavelength ratios well within the practical range, the spatial variation in the biasing state has an appreciable effect on the velocity of acoustic surface waves.     

WAVE PROPAGATION IN ELECTROSTRICTIVE MATERIALS UNDER BIASED FIELDS

I. INTRODUCTION Di?erent from piezoelectricity which is a linear coupling between mechanical and electric ?elds andcan only exist in anisotropic materials[1], electrostriction refers to the quadratic dependence of strainor stress on electric ?elds[2,3] …     

压电体中考虑表面效应时开裂孔洞的断裂特征

研究了反平面机械载荷和面内电载荷作用下压电体中考虑表面效应时孔边双裂纹问题的断裂特征。基于Gurtin-Murdoch表面理论模型，通过构造映射函数，利用复势电弹理论获得了应力场和电位移场的闭合解答。给出了裂纹尖端应力强度因子、电位移场强因子和能量释放率的解析解。讨论了开裂孔洞几何参数和施加力电载荷对电弹场强因子和能量释放率的影响。     

THICKNESS-SHEAR VIBRATION OF CIRCULAR CRYSTAL PLATE IN CYLINDRICAL SHELL AS PRESSURE SENSOR

Based on the theory for small fields superposed on relatively larger fields in an electroelastic body, & theoretical analysis is performed on a circular plate thickness-shear crystal resonator sealed in a circular cylindrical shell for pressure measurement. A simple expression is obtained for pressure induced frequency shifts in the resonator, which is examined for design optimization. Numerical results show that the frequency shifts depend linearly on the pressure, and that a pressure sensor with a softer outer shell or a smaller thickness ratio of the crystal plate to the outer shell has higher sensitivity.     

偏压电场对压电板中Lamb波相速度的影响

本文研究了偏压电场作用下,Lamb波在压电板中的传播行为，首先给出了偏压电场作用时压电板中的应力场及电位移场，然后通过求解含初应力及初电位移的小幅波动问题的耦合方程，分别给出了Lamb波的对称模态和反对称模态的相速度方程，以典型的PZT－5H压电陶瓷板为例进行了数值计算,并讨论了偏压电场对Lamb波相速度及频散曲线的影响，结果表明，偏压电场可以显著地改变Lamb波的传播速度，借此可使声波器件获得延时效果。     

Indentation of a compressible soft electroactive half-space: Some theoretical aspects

We theoretically study the indentation response of a compressible soft electroactive material by a rigid punch. The half-space material is assumed to be initially subjected to a finite deformation and an electric biasing field. By adopting the linearized theory for incremental fields, which is established on the basis of a general nonlinear theory for electroelasticity, the appropriate equations governing the perturbed infinitesimal elastic and electric fields are derived particularly when the material is subjected to a uniform equibiaxial stretch and a uniform electric displacement. A general solution to the governing equations is presented, which is concisely expressed in terms of four quasi-harmonic functions. By adopting the potential theory method, exact contact solutions for three common perfectly conducting rigid indenters of flat-ended circular, conical and spherical geometries can be derived, and some explicit relations that are of practical importance are outlined.     

压电材料中椭圆片状裂纹问题精确解的一种方法

在线性压电陶瓷本构关系和裂纹边界绝缘的框架下,用超奇异积分方程的方法对椭圆类片状裂纹问题进行了重新研究．超奇异积分方程中的未知位移间断和电势间断近似地表示为基本密度函数与多项式之积,其中基本密度函数反映了椭圆片状裂纹前沿电弹性场的奇异性,而多项式在均布载荷作用下可用一个常数来表达．引入椭球坐标系后,得到了均布载荷作用下未知位移间断和电势间断的解析解．使用这些解析解和电弹性场强度的定义,得到了裂纹前沿Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型应力强度因子以及电位移强度因子的精确表达式．法向均布载荷作用下的结果与现有精确解完全一致,切向均布载荷作用下的结果则尚未见有其它报道．     

WAVES IN PRE-STRETCHED INCOMPRESSIBLE SOFT ELECTROACTIVE CYLINDERS:EXACT SOLUTION

This paper studies wave propagation in a soft electroactive cylinder with an underlying finite deformation in the presence of an electric biasing field.Based on a recently proposed nonlinear framework for electroelasticity and the associated linear incremental theory,the basic equations governing the axisymmetric wave motion in the cylinder,which is subjected to homogeneous pre-stretches and pre-existing axial electric displacement,are presented when the electroactive material is isotropic and incompressible.Exact wave solution is then derived in terms of(modified) Bessel functions.For a prototype model of nonlinear electroactive material,illustrative numerical results are given.It is shown that the effect of pre-stretch and electric biasing field could be significant on the wave propagation characteristics.     

强电场和机械荷载联合作用下压电层合梁的非线性变形

本文研究简支,固支和悬臂压电层合梁在强电场和机械荷载联合作用下的非线性变形。考虑材料的电致伸缩和电致弹性压电效应以及几何非线性导出压电层合梁的数学模型。并求得在电场和均布力联合作用下各种边界条件梁的挠度和位移解析表达式。通过对双压电晶片梁和单压电晶片梁的数值计算及分析得到线性与非线性模型之间的差别和适用范围。