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．     

含币形裂纹的压电体在点力和点电荷作用下的裂纹张开位移

本文利用Chen和Shioya给出的在横观各向同性压电无限体内币形裂纹上下表面作用对称法向点力和点电荷情形下的解,结合压电材料之功的互等定,用初等函数的形式给出了在压电无限体中任意一点作用任意点力和点电荷情形下币形裂纹的张开位移,并对PZT－4压电陶瓷和非压电材料作了计算分析。     

基于裂纹附加模态Timoshenko梁的裂纹损伤识别

将梁中横向裂纹等效为无质量扭转弹簧，并忽略其对梁剪切变形的影响，得到的具有任意裂纹数目Timoshenko 梁自振模态的统一显示解析表达式．将裂纹梁的自振模态分为基本模态和裂纹附加模态，利用最小二乘拟合，建立了利用裂纹附加模态函数的梁裂纹损伤识别方法．通过数值模拟开展了简支单裂纹梁以及悬臂和固支双裂纹梁等的裂纹损伤识别，考察了测量误差对损伤识别的影响，数值结果表明本文所提出的裂纹损伤识别方法对裂纹位置的识别精度高于对裂纹损伤程度的识别精度；随着测量误差的增加，裂纹位置及裂纹损伤程度的识别误差增加，但仍在可接受的范围内，故该裂纹损伤识别方法在实际工程中具有一定的应用价值．     

压电体内孔边裂纹的应力强度因子

本文研究含有Ⅲ型孔边裂纹压电弹性体的反平面问题.根据Muskhelishvili的数学弹性力学理论,并利用保角变换和Cauchy积分的方法,对含有圆孔孔边单裂纹和双裂纹的压电弹性体分别进行了分析.基于电不可穿透裂纹模型,得到了在反平面剪力和面内电载荷的共同作用下裂纹尖端应力强度因子的解析解.最后,通过数值算例,讨论了应力强度因子随裂纹长度变化的规律.结果表明:应力强度因子随着裂纹和孔的相对尺寸的增加而增加,并且单边裂纹的应力强度因子要比双边裂纹的应力强度因子大.     

含裂纹梁参数的谐响应识别

主要研究含裂纹梁在简谐激励作用下的动力特性,提出一种依据幅值变化对裂纹参数进行识别的新方法。首先,在振动过程中考虑裂纹的呼吸特性,以悬臂梁为例建立含裂纹梁的二维有限元模型,指出在一般激励频率下,其对应的幅值均是明显信号,可用来描述裂纹梁的动力特性。其次,当激励频率分别取无裂纹梁一阶频率的1/4和二阶频率的1/4时,幅值随裂纹参数的变化明显不同,可依据响应幅值的变化对裂纹参数进行识别。然后,利用曲面拟合技术绘出幅值变化曲面,对未知参数的裂纹进行识别,验证了该方法的有效性,并归纳出利用幅值变化对任意裂纹参数进行识别的基本步骤。最后,针对无裂纹梁频率计算可能存在误差的情况,分析识别方法的鲁棒性,结果显示即使最大误差为10%,该方法也能对裂纹参数进行准确识别。     

层状压电陶瓷致动器中力电耦合场奇异性的数值分析

首先推导了不同压电材料界面裂纹尖端处的扇形区域内包含基本方程、裂纹面D-P边界条件和交界面处边界条件的弱形式。通过假设力电耦合位移场(位移和电势)与到裂纹尖端距离的(λ 1)次方成正比,可以得到一个分析压电材料裂纹尖端处力电耦合场奇异性的特殊的一维有限元列式。该一维有限元列式只需对扇形区域在角度方向上离散,最后的总体方程为一个关于λ的二次特征根方程。探讨了层状压电陶瓷致动器中可能出现奇异力电耦合场的部位的裂纹面边界条件及交界面处边界条件,进而将该一维有限元法进行推广,用于研究了这些部位的力电耦合场的奇异性。通过数值算例与相应的精确解的比较表明该方法是正确的,而且仅用很少单元就可以得到非常精确的结果。     

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.      

压电圆柱形夹杂对邻近裂纹三维应力场的影响

研究了压电复合材料薄板中压电圆柱形夹杂与邻近宏观钝裂纹间的相互作用。重点分析了外加电场，裂尖与压电圆柱形夹杂间韧带长度对裂尖三维应力场的影响。计算结果表明：在不同的外加电场作用下，压电体不仅能改变裂尖张开应力的大小，还能改变其分布。所得结果对进一步探讨线弹性介质中裂纹的启裂控制有参考价值。     

压电多层材料中的电极-陶瓷界面裂纹和椭圆夹杂

首先解析研究了压电多层材料中的电极-陶瓷界面裂纹,它是对Ru最近研究工作（见ASMB J·APPI.Mech.,2000年,67卷）的补充和完善.工作表明与 Ru的结论不同,对于一般的两相压电介质,仍可获得对于这种电极-陶瓷界面裂纹的精确解答.分析显示在界面处的电弹性场仍可显现出两类奇异性:振荡型奇异性一1/2土iε。和实指数型奇异性一1/2士 k,其中ε和k 由上下两相压电材料的本构常数加以确定.获得了界面电弹性场以及裂尖处能量释放率的显式和实形式解答.也讨论了在坐标变换下界面上物理量的一些不变性质.其次探讨了压电多层材料中的椭圆夹杂问题,并获得了当压电复合系统受到远场均布机电载荷时的通解.分析表明当压电基体受到远场均布机电载荷作用时,应力场和电场在压电夹杂体上仍然均匀分布井且整个夹杂体都为等电势体     

基于裂纹诱导弦挠度的简支外伸梁裂纹损伤识别

基于梁横向开裂纹的线性扭转弹簧模型，给出了具有任意裂纹数目的简支外伸梁弯曲挠度的显式解析解，研究了集中载荷作用下简支外伸梁裂纹诱导弦挠度函数的性质，给出了裂纹位置和裂纹等效扭转弹簧柔度的近似表达式，从而实现了梁横向裂纹位置及裂纹损伤程度的识别．在此基础上，为利用裂纹梁的测量挠度识别裂纹损伤，提出了分段线性函数的最佳拟合法，实现了简支外伸梁裂纹的损伤参数识别．通过数值试验验证了该识别方法的适用性和可靠性，考察了识别结果对梁挠度测量误差和裂纹深度的敏感性，结果表明随着挠度测量误差的增大，裂纹损伤参数识别误差增大，但裂纹损伤识别方法具有较强的鲁棒性，在工程实际中具有一定的应用性．     

含压电片梁的静变形控制

首先借助阶梯函数，建立了含有任意分布的用作执行器的压电片的梁挠曲轴线方程。然后利用该方程，进行了梁的静变形控制的研究。最后结合实例，用“遗传＋配点”法对压电片的位置和尺寸进行了优化。结果表明，本文建立的挠曲方程形式简洁，求解简单：“遗传＋配点”法优化效果明显。     

基于能量准则的梁振动多模态主动控制的LQR法

选用以结构振动能量和控制信号能量作为控制目标函数的LQR算法,在单对压电元件进行梁振动主动控制的基础上,使用多对压电元件进行主动控制．运用该算法对压电层合梁的振动控制进行了分析计算．数值算例表明该方法能够有效地控制多阶模态并减小控制能量的消耗．由此,进一步验证了以结构振动能量和控制信号能量作为控制目标函数的LQR算法的正确性。     

压电层合梁静动力学分析的高精度梁单元

给出了一个对复合材料压电层合梁进行数值分析的高精度压电层合梁单元。基于Shi三阶剪切变形板理论的位移场和Layer-wise理论的电势场,用力-电耦合的变分原理及Hamilton原理推导了压电层合梁单元列式。采用拟协调元方法推导了一个可显式给出单元刚度矩阵的两节点压电层合梁单元,并应用于压电层合梁的力-电耦合弯曲和自由振动分析。计算结果表明,该梁单元给出的梁挠度和固有频率与解析解吻合良好,并优于其它梁单元的计算结果,说明了本文所给压电层合梁单元的可靠性和准确性。研究结果可为力-电耦合作用下压电层合梁的力学分析提供一个简单、精确且高效的压电层合梁单元。     

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。     

压电复合材料梁和板的变形控制问题

由于具有良好的结构、力学性能,复合材料层合板在现代飞行器上大量应用;而压电复合材料,作为一种新兴的智能材料,由于其独特的力电耦合性能得到了人们更多的关注。本文研究含有压电片的复合材料梁和板在电场作用下的变形控制问题。基于经典的梁理论和层合板理论,分别研究了下列问题:(1)双压电片布置的悬臂梁的变形;(2)含有压电层的层合板变形控制问题;(3)含有一对压电片的层合板的变形控制问题。针对上述问题,分别给出了理论解和数值解,并进行了相关讨论分析。结果表明压电材料可对结构进行精确控制,因此本文的结果可对复合材料梁和板在电场作用下的变形控制问题提供工程参考。     

Analysis of Beams with Piezoelectric Actuators

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＤｕｅｔｏｔｈｅｅｘｔｅｎｓｉｖｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓｉｎｓｍａｒｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ,ｉｔｉｓｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｐｒｏｂｅｉｎｔｏｔｈｅｉｒｍｅｃｈａｎｉｓｍａｓａｃｔｕａｔｏｒｓａｎｄｓｅｎｓｏｒｓ[1].Ｏｎｅｏｆｔｈｅｆｉｒｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｓｔｕｄｉｅｓｉｎｖｏｌｖｉｎｇｔｈｅｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｃｔｕａｔｏｒｓｗｈｉｃｈａｒｅｓｕｒｆａ…     

中性线修正型变截面梁类构件压电控制

传统绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation, ANCF)在变截面梁类构件建模过程中常以几何中位线等效构造单元中性线, 难以对变截面单元位移场状态进行精确描述. 为解决此类问题, 本文以中细型变截面梁类构件为研究对象, 深入考虑变截面结构几何因素及复合材料属性对变截面梁类构件中性线位置所产生的偏差影响, 建立修正型变截面梁单元位移场描述方法. 并进一步结合负应变率压电控制策略, 通过传感型及作动型压电片提出变截面梁类构件在空间热载荷作用下的ANCF主动抑振抑变控制方法. 同时, 以变截面太阳帆桅杆在轨实际运行状态为算例, 通过所述方法分析验证了模型在动力学参数预测过程中的准确性及精确性, 并深入探究变截面梁类构件在不同压电安装策略下的动态行为参数演化规律. 据其分析结果可知, ANCF主动抑振抑变控制方法随作动型压电片与传感型压电片之间安装距离的增加, 其控制同步性将会降低; 且在一定程度内提高增益调节系数可加强控制系统的稳定性及灵敏性, 但该参数一旦发生超调亦会激励变截面梁类构件产生非稳定性振动.      

Free vibration of functionally graded material beams with surface-bonded piezoelectric layers in thermal environment

Free vibration of statically thermal postbuckled functionally graded material （FGM） beams with surface-bonded piezoelectric layers subject to both temperature rise and voltage is studied. By accurately considering the axial extension and based on the Euler-Bernoulli beam theory, geometrically nonlinear dynamic governing equations for FGM beams with surface-bonded piezoelectric layers subject to thermo-electro- mechanical loadings are formulated. It is assumed that the material properties of the middle FGM layer vary continuously as a power law function of the thickness coordinate, and the piezoelectric layers are isotropic and homogenous. By assuming that the amplitude of the beam vibration is small and its response is harmonic, the above mentioned non-linear partial differential equations are reduced to two sets of coupled ordinary differential equations. One is for the postbuckling, and the other is for the linear vibration of the beam superimposed upon the postbuckled configuration. Using a shooting method to solve the two sets of ordinary differential equations with fixed-fixed boundary conditions numerically, the response of postbuckling and free vibration in the vicinity of the postbuckled configuration of the beam with fixed-fixed ends and subject to transversely nonuniform heating and uniform electric field is obtained. Thermo-electric postbuckling equilibrium paths and characteristic curves of the first three natural frequencies versus the temperature, the electricity, and the material gradient parameters are plotted. It is found that the three lowest frequencies of the prebuckled beam decrease with the increase of the temperature, but those of a buckled beam increase monotonically with the temperature rise. The results also show that the tensional force produced in the piezoelectric layers by the voltage can efficiently increase the critical buckling temperature and the natural frequency.     

Vibration analysis and active control of nearly periodic two-span beams with piezoelectric actuator/sensor pairs

The piezoelectric materials are used to investigate the active vibration control of ordered/disordered periodic two-span beams. The equation of motion of each sub-beam with piezoelectric patches is established based on Hamilton's principle with an assumed mode method. The velocity feedback control algorithm is used to design the controller. The free and forced vibration behaviors of the two-span beams with the piezoelectric actuators and sensors are analyzed. The vibration properties of the disordered two-span beams caused by misplacing the middle support are also researched. In addition, the effects of the length disorder degree on the vibration performances of the disordered beams are investigated. From the numerical results, it can be concluded that the disorder in the length of the periodic two-span beams will cause vibration localizations of the free and forced vibrations of the structure, and the vibration localization phenomenon will be more and more obvious when the length difference between the two sub-beams increases. Moreover, when the velocity feedback control is used, both the forced and the free vibrations will be suppressed. Meanwhile, the vibration behaviors of the two-span beam are tuned.     

界面特性对功能梯度智能梁静动态响应的影响研究

采用状态空间法分析了两边简支的含压电夹层的功能梯度梁的静力弯曲和自由振动问题．为了考虑中间压电层与上、下功能梯度层之间的粘结效果,采用线性弹簧模型以模拟界面性能．假设上下功能梯度层的材料参数沿厚度连续变化,而压电层则是均匀材料,并且它们都是正交各向异性的．由于功能梯度梁的不均匀性使得直接求解比较困难,文中用层合模型来进行近似．数值算例中,分别考虑了压电层用于传感器或作动器的情形,分析了粘结界面完美程度对组合梁静力弯曲和自由振动频率的影响．