层合结构压电器件的机电耦合响应

压电传感嚣和致动器都可以看成是由压电材料层和非压电(弹性)材料层交替铺设而成。对于这类任意铺设的层合板悬臂梁结构,推导出了表示力学变形与外加电场之间耦合效应的解析表达式。进而,又推导出了两类(一类为单层压电-弹性层。另一类为双层压电-弹性层)层合型悬臂梁结构机电耦合性能的解析公式。在该机电耦合模型中,包括了两个压电常数d211和d222。最后。通过比较解析解、实验值以及有限元计算结果,发现它们吻合得很好。     

支架振动的主动控制研究

利用压电材料的机电耦合特性，采用数值分析和实验相结合的方法研究了压电材料对支架的振动控制。利用Ｈａｍｉｌｔｏｎ原理，采用速度反馈，并考虑压电材料的机电耦合效应推导了振动主动控制有限元方程，分析了不同约束，不同压电片布置情况下支架的振动控制，实现了压电片的优化布置，同时用实验验证了数值分析的正确性。     

压电桁架结构的稳定性及有限元分析方法

从力的平衡方程出发，考虑机电耦合效应，推导了含压电材料的桁架结构稳定性有限元方程。通过数值算例分析表明，机电耦合效应对桁架结构的稳定性影响较在，而电压对结构稳定性的影响相对较小，压电杆的优化布置能够有效地提高结构稳定性。     

反对称铺设复合材料层合板非线性后屈曲分析

基于层合板壳理论，考虑反对称铺设层合板的拉弯耦合效应和后屈曲过程中的非线性几何变形，推导了由应力函数和挠度表示的复合材料层合板的后屈曲控制方程。引入无量纲参数对控制方程和边界条件进行无量纲化，以消除材料参数及几何尺寸对分析结果的影响。采用摄动法将无量纲的非线性控制方程及边界条件展开成一系列非齐次线性摄动方程组，分析各阶摄动方程的通解与特解的构造，并逐次求解，建立了反对称铺设复合材料层合板受单向均布压力作用的临界屈曲荷载及后屈曲平衡路径的理论解。进而运用ABAQUS软件对复合材料层合板在面内压缩载荷作用下的屈曲和后屈曲进行有限元分析，结果表明理论解与ABAQUS结果十分接近，验证了理论解的正确性。在此基础上进一步讨论了铺设角度、铺设层数和拉弯耦合效应等对层合板后屈曲性能的影响。研究发现层合板的屈曲载荷受铺设角度与层数的影响较为显著，而拉弯耦合效应使板的屈后强度大大降低。     

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.     

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。     

压电结构振动控制及压电片位置优化的遗传算法

采用比例反馈控制,由线弹性压电层合结构有限元动力方程,推导了压电智能结构的振动控制方程.采用三维八节点实体耦合单元(Solid5)模拟压电致动器/感应器,三维实体单元(Solid45)模拟主结构,利用ANSYS中参数化语言(APDL)编写了压电层合智能结构的有限元程序.以零一最优问题来描述致动器/感应器的位置优化问题,...     

铁电薄膜在红外辐射作用下的动力响应

本文研究了红外探测器中红外焦平面列阵的象元———铁电薄膜微桥在红外辐射作用下的输出信号。用层合板壳作为微桥结构的力学模型,中间一层为压电材料,上下两层为金属材料电极。采用了力-电-热耦合的控制方程和变分原理,考虑了铁电薄膜的惯性力,推导出了基于Mindlin假设的压电材料层合板有限元公式。以红外探测器在夜间从飞机上探测地面的坦克为例,用有限单元法模拟了铁电薄膜微桥在红外辐射作用下的力、热、电输出信号,并对结果作了分析比较。     

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。     

铁电薄膜在红外辐射作用下的响应

研究了红外探测器中红外焦平面列阵的象元———铁电薄膜微桥在红外辐射作用下的输出信号。用层合板壳作为微桥结构的力学模型,中间一层为压电材料,上下两层为金属材料电极。采用了力-热-电耦合的控制方程和变分原理,推导出了基于Mindlin假设的压电材料层合板有限元公式。以红外探测器在夜间从飞机上探测地面的坦克为例,用有限单元法模拟了铁电薄膜微桥在红外辐射作用下的力、热、电输出信号,并对结果作了分析比较。     

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。     

A refined finite element method for bending analysis of laminated plates integrated with piezoelectric fiber-reinforced composite actuators

This research presents a finite element formulation based on four-variable refined plate theory for bending analysis of cross-ply and angle-ply laminated composite plates integrated with a piezoelectric fiber-reinforced composite actuator under electromechanical loading. The four-variable refined plate theory is a simple and efficient higher-order shear deformation theory, which predicts parabolic variation of transverse shear stresses across the plate thickness and satisfies zero traction conditions on the plate free surfaces. The weak form of governing equations is derived using the principle of minimum potential energy, and a 4-node non-conforming rectangular plate element with 8 degrees of freedom per node is introduced for discretizing the domain. Several benchmark problems are solved by the developed MATLAB code and the obtained results are compared with those from exact and other numerical solutions, showing good agreement.     

Finite element modeling of consolidation of composite laminates

Advanced fiber reinforced polymer composites have been increasingly applied to various structural components. One of the important processes to fabricate high performance laminated composites is an autoclave assisted prepreg lay-up. Since the quality of laminated composites is largely affected by the cure cycle, selection of an appropriate cure cycle for each application is important and must be optimized. Thus, some fundamental model of the consolidation and cure processes is necessary for selecting suitable parameters for a specific application. This article is concerned with the ``flow-compaction' model during the autoclave processing of composite materials. By using a weighted residual method, two-dimensional finite element formulation for the consolidation process of thick thermosetting composites is presented and the corresponding finite element code is developed. Numerical examples, including comparison of the present numerical results with one-dimensional and two-dimensional analytical solutions, are given to illustrate the accuracy and effectiveness of the proposed finite element formulation. In addition, a consolidation simulation of AS4/3501-6 graphite/epoxy laminate is carried out and compared with the experimental results available in the literature. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (10272037) The English text was polished by Yunming Chen.     

Hamiltonian parametric element and semi-analytical solution for smart laminated plates

Based on the Hellinger-Reissner (H-R) mixed variational principle for piezoelectric material, a unified 4-node Hamiltonian isoparametric element of anisotropy piezoelectric material is established. A new semi-analytical solution for the natural vibration of smart laminated plates and the transient response of the laminated cantilever with piezoelectric patch is presented. The major steps of mathematical model are as follows: the piezoelectric layer and host layer of laminated plate are considered as unattached three-dimensional bodies and discretized by the Hamiltonian isoparametric elements. The control equation of whole structure is derived by considering the compatibility of generalized displacements and generalized stresses on the interface between layers. There is no restriction for the side-face geometrical boundaries, the thickness and the number of layers of plate by the use of the present isoparametric element. Present method has wide application area.     

基于遗传算法和梯度算法压电层合结构的最优形状控制

基于压电层合结构的有限元方程,运用ANSYS/APDL语言,编制了力-电耦合有限元分析程序(MPFEMP).以该程序为计算基础,采用遗传算法和一阶梯度优化算法,以压电片尺寸为设计变量,以压电层合梁和板的预期位移或最小重量为目标函数,给定初始变量和适应度函数,通过循环迭代MPFEMP计算程序,研究了多点控制的压电层合梁板结构的形状最优控制.结论对比分析证明了两种优化方法分析压电层合结构的有效性,同时,对复杂多层智能结构的最优形状控制和主动控制研究具有一定的参考价值.     

精化杂交压电固体单元的研究

基于力、电耦合问题的三类交量广义交分原理，提出了广义杂交压电单元列式。为了进一步改进单元的性能和保证单元能够通过分片检验，通过引入非协调模式、放松电学方程约束条件和单元间的弱连续性条件，建立了新的、修正的广义交分原理，在此基础上成功地引入了应力、应交的正交化插值模式，从而建立了精化杂交压电单元法，它继承了常规精化杂交单元的全部优点。文中所推导的八节点精化杂交压电固体单元列式完全避免了矩阵求逆运算，较广义杂交压电单元和杂交应力压电单元均显著提高了计算效率。数值算例表明，与同类型其他单元相比，该单元明显具有更好的对歪斜网格的适应性。     

压电复合材料层板柱面弯曲的精化理论

本研究旨在建立精确的压电复合材料层板理论。位移场和电势场采用近似表达，其沿板厚的分布通过构造高精度的位移分布函数和电势分布函数来描述。这两个函数由三雏弹性平衡方程和静电平衡方程的特解来导出，从而满足复杂的力电耦合关系和各类连续条件，保证了本文理论的高精度。本文理论仅涉及4个位移和电势变量，且不随层数的增加而增多，较之变量随层数而增多的分层理论简单得多，平衡方程形式简单；也便于发展成有限元等数值模型。通过与三维精确解比较，算例显示了本文理论的高精度和有效性。     

压电智能复合材料层合梁的力电耦合模型及层间应力分析

由于非凡的物理性能，石墨烯纳米片(GPL)被认为是最有吸引力的复合材料增强材料之一.GPL增强材料可以明显提高聚偏氟乙烯(PVDF)压电性能和力学性能.在力电载荷作用下，对含均匀石墨烯薄片增强(GSR)智能压电复合材料层合梁层间应力预测至关重要.若对受到力电耦合作用且层与层之间材料性能突变的压电层合梁层间剪切变形预测有误，则其层间应力过大可能导致层间失效.因此，论文提出一种适于分析此类问题且满足层与层之间相容性条件的有效力电耦合模型，用于含GSR致动器的复合材料层合梁层间应力分析.应用Reissner混合变分原理(RMVT),可以提高考虑力电耦合效应的横向剪应力预测精度.三维(3D)弹性理论和所选模型计算结果将用于评估所提梁模型性能.此外，还从力电载荷、压电层厚度、石墨烯体积分数和长厚比等方面对含GSR致动器复合材料层合梁力学响应特性进行了系统的研究.     

压电材料中切口/接头端部平面电弹性场奇异性有限元分析

为了对平面载荷作用下压电材料中切口或接头端部附近电弹性场奇异性问题进行分析，首先以应力平衡方程、Maxwell方程和和边界条件为基础，得到一种求解压电材料特征问题的弱式方程；其次，假定楔形切口或接头端部附近单元内位移和电势沿径向分布为指数形式，而周向方向分布则采用泡函数插值，将其代入弱式方程，建立一种只需对楔形切口或接头端部附近周边进行离散的一维简单有限元方法．压电材料的极化轴可以是任意方向．利用该有限元模型讨论了楔形切口角度、极化轴方向和边界条件对奇性场的影响．通过和其它特定情况下的现有解相比，证实了该文有限元数值方法的有效性，而且精度很高．