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。     

具损伤压电智能层合板的动力分析

基于应变能等效原理、高阶剪切变形理论和Hamilton变分原理,考虑复合材料铺设层内的损伤效应,建立了具损伤压电智能层合板的运动控制方程,并运用Galerkin方法进行求解.数值算例中,讨论了损伤效应、厚跨比及压电层厚度与层合板总厚度之比对四边简支压电智能层合板自由振动频率的影响和外部控制电压对其动力响应的影响.     

含压电层的功能梯度柱壳的自由振动分析

基于三维弹性理论，导出了带有压电层的圆柱形梯度壳的动力学方程以及相应的边界条件，用幂级数展开法得到了求解该圆柱形梯度壳自由振动的三维精确公式．通过实例模型求解了该壳体的自由振动的固有频率；分析了不同电学边界条件对壳体的振动频率的影响。结果可评估各种近似理论解和数值解的正确性。     

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主要基于三维弹性力学和状态空间法给出了四边简支各向同性矩形层合板自由振动和 强迫振动问题的精确解. 首先基于三维弹性力学建立了层合板的基本方程,利用状态空间法 解决了层合板的自由振动问题,然后根据Lagrange动力学方程求解了层合板受到横向冲击时 的强迫振动响应.     

弹性板振动的多模态主动控制

采用多对压电片对板振动的多阶模态进行主动控制。为了改善结构振动控制的效果，本文对选用结构振动能量和控制信号能量作为控制目标函数的LQR控制算法作了初步研究。首先，按能量准则推导了控制目标函数中权系数矩阵(Q矩阵和R矩阵)的理论计算公式，为权系数矩阵的选取提供了一定的理论依据。然后，运用该算法，在研究了单对压电片进行振动主动控制的基础上．本文深入分析了压电层合板振动的多阶模态控制的问题，用Matlab进行系统仿真，得到了压电层合板受到初始位移激励下板中心点的位移和控制电压大小随时间变化的曲线。数值模拟的结果表明，该方法能达到更有效控制结构振动和减小控制能量消耗的目的．进一步验证了该方法能达到有效控制结构振动和减小控制能量消耗的目的。     

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。     

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。     

多层压电材料层合板的精确解

抛弃有关位移和应力的所有假设，直接从三维弹性力学理论的静电学理论，先导出正交各向异性压电材料板的状态方程，由此得到四边简支压电材料板的状态主程，再根据矩阵分析理论，建立了单层压电材料板的上下表面状态量之间的关系，进一步建立了多层压电板上，下表面状态量之间关系式，利用上下表面已知状态量，得到上表面未知状态的求解方程解。通过求解方程组，便得上表面未知状态量，最终可以得到任意位置处状态量，最后，同时给出了四边简支，两层不同压电材料组成，不同纵横比的层合板受正弦分布载荷作用下的精确解，其结果与现有解比较，吻合较好。     

压电层合板结构振动控制的有限元法

利用有限元方法模拟压电结构的振动控制，从Ｈａｍｉｌｔｏｎ理论出发推导出具有压电传感器及激励器的层合板的电耦合动力方程，应用Ｌｙａｐｕｎｏｖ及负速度反馈控制算来实现振动的控制。     

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.     

Free axisymmetric vibration of transversely isotropic piezoelectric circular plates

Based on three-dimensional elastic theory of piezoelectric materials, the axisymmetric state space formulation of piezoelectric laminated circular plates is derived. Finite Hankel transforms are used and the boundary variables in free terms are replaced, for two kinds of boundary conditions, to obtain ordinary differential equations with constant coefficients. Regarding the axisymmetric free vibration problem, two exact solutions for two different boundary conditions are found. Discarding piezoelectric effect, the exact solutions for transversely isotropic circular laminates are also obtained through the same procedure. Numerical examples are given and compared with those of Finite Element Method (FEM) .     

带剪切型压电激励器的板的高阶剪切变形理论

利用压电材料固有的正，逆压电效应可以对结构变形和振动进行控制。与外加电场与极化方向平行于板厚度的压电材料的拉伸作动机制相比，外加电场与极化方向垂直的压电材料的剪切作动机制可以在作动器内产生较小的应力，从而降低作动器边界产生分层破坏的危险。本文对于压电材料的剪切作动机制进行研究，应用三阶剪切变形理论建立带剪切型压电激励器的智能层合板模型。采用哈密顿原理导出带剪切型压电激励器的层合板的控制方程。采用空间法得到了各种边界条件组合条件下板的解析解。数值算例对一三层板采用高阶和一阶剪切变形理论进行计算，结果表明两种理论所得的变形曲线很相似。但对于厚度剪切型激励器而言，由于激励器是引起板的剪切变形，而高阶剪切变形理论比一阶剪切变形理论能更好地反映结构的剪切应变能，因此高阶剪切变形理论可以提供板变形的更为精确的解。因此，对于厚度剪切型激励器，剪切变形理论的选取对于板变形结果的好坏有重要的作用。     

功能梯度压电圆板自由振动问题的三维精确分析

本文对周边为广义刚性滑动和广义简支两种边界条件下的功能梯度压电材料圆板自由振动问题进行分析。根据轴对称横观各向同性压电材料基本方程，并利用有限Hankel变换得到了功能梯度压电材料圆板的状态空间方程。假设材料的机械和电学性质均沿板厚方向按统一的指数函数形式梯度分布，从而获得了周边为广义刚性滑动和广义弹性简支两种边界条件下功能梯度压电圆板自由振动问题的三维精确频率方程，该方程是一个关于自由振动频率的超越方程，通过求解该超越方程可得到在不同板厚以及不同的材料性质梯度变化情况下的圆板自由振动频率值，结果表明在相同的材料性质梯度变化情况下频率均随着板厚增加而增大，而在相同的板厚情况下频率则随材料性质梯度变化指数的增大而减小的结论。     

Analytical solution for the cylindrical bending vibration of piezoelectric composite plates

An analytical solution for the cylindrical bending vibrations of linear piezoelectric laminated plates is obtained by extending the Stroh formalism to the generalized plane strain vibrations of piezoelectric materials. The laminated plate consists of homogeneous elastic or piezoelectric laminae of arbitrary thickness and width. Fourier basis functions for the mechanical displacements and electric potential that identically satisfy the equations of motion and the charge equation of electrostatics are used to solve boundary value problems via the superposition principle. The coefficients in the infinite series solution are determined from the boundary conditions at the edges and continuity conditions at the interfaces between laminae, which are satisfied in the sense of Fourier series. The formulation admits different boundary conditions at the edges of the laminated piezoelectric composite plate. Results for laminated elastic plates with either distributed or segmented piezoelectric actuators are presented for different sets of boundary conditions at the edges.     

BUCKING AND FREE VIBRATION OF PIEZOELECTRIC/PIEZOMAGNETIC LAMINATED NANO-BEAM 1)

针对压电/压磁层合纳米梁屈曲、自由振动问题，基于非局部理论与正弦剪切型变形梁理论，建立了力学模型；利用哈密顿原理推导出层合梁运动方程与边界条件；通过数值解法求得层合梁临界屈曲载荷与自由振动频率。对数值结果分析可知：磁电弹夹层对压电/压磁层合纳米梁屈曲和自由振动的影响不能忽略；磁电弹夹层中压电或压磁材料的体积分数和夹层厚度为主要影响因素；分析得到的影响规律可为此类材料在工程中的应用提供理论参考。     

压电层合板热屈曲问题的精确分析

本文在作者们以前工作的基础上导出了热压电介弹性稳定性问题的控制微分方程，提出了热压电层合板热屈曲问题的数学和学解法。由于最后所得特征值问题的复杂性，热屈曲临界必须数值求解。文中对不同压电材非压电材料层构成的层合板作了具体计算，考虑了压电性对屈曲温度的影响。     

压电/纤维复合材料耦合旋转驱动器力学设计模型

本文在经典层合板理论和三维压电材料本构方程的基础上,依据压电材料与纤维复合材料之间的相互作用、位移连续条件,建立了压电—纤维复合材料旋转耦合驱动器力学模型,并推导出电耦合方程。计算和初步实验说明,这种新型结构的压电伸缩变形—离轴纤维复合层扭转变形耦合旋转驱动器比同类型驱动器能量密度高、转矩大,且这种旋转电机结构简单紧凑、工作稳定、寿命长、预计随着研究的进一步深入,可望成为一种新型的微致驱动器而广泛应用于微型机械、精密测量和自动控制等领域。     

Free vibration analysis of stiffened laminated plates

Based on the semi-analytical solution of the state-vector equation theory, a novel mathematical model for free vibration analysis of stiffened laminated plates is developed by separate consideration of plate and stiffeners. The method accounts for the compatibility of displacements and stresses on the interface between the plate and stiffeners, the transverse shear deformation, and naturally the rotary inertia of the plate and stiffeners. Meanwhile, there is no restriction on the thickness of plate and the height of stiffeners. To demonstrate the excellent predictive capability of the model, several examples are analyzed numerically. The model presented in this paper can also be easily modified to solve the problems of stiffened piezolaminated plates and shells, or plates and shells with piezoelectric material patches.     

材料非线性对复合材料层合板热自由边界效应的影响

本文用准三维有限元法研究了材料非线性对复合材料层合板热自山边界效应的影响,给出了修正型Hahn-Tsai非线性应力-应变关系的三维形式。由本文非线性分析方法得到的层间应力与以往由线性分析方法得到的层间应力做了比较,结果表明:材料非线性能显著降低层间剪应力的集中程度,但对层间正应力影响不太明显。     

Bending and vibration of composite laminated plates

Hybrid-stress finite element method is applied for analysis of bending and vibration of composite laminated plates in this paper. Firstly, based on the modified complementary principle, a rectangular hybrid-stress plate bending element is presented which applies to analysis of laminates. Inside the element, different stress parameters are assumed according to different layers. The boundary displacements are determined by means of the assumption of YNS theory on the boundary of elements. The element formed in this way not only can take effects of transverse shear deformation and local warping into account, but also has less degrees of freedom. Then, problems of bending and vibration of laminates are solved by using this element, and the numerical results are compared with the exact solutions. This shows that the results obtained in the paper are very close to the exact results.