粘贴压电层功能梯度材料Timoshenko梁的热过屈曲分析

研究了上下表面粘贴压电层的功能梯度材料Timoshenko梁在升温及电场作用下的过屈曲行为。在精确考虑轴线伸长和一阶横向剪切变形的基础上,建立了压电功能梯度Timoshenko层合梁在热-电-机械载荷作用下的几何非线性控制方程。其中,假设功能梯度的材料性质沿厚度方向按照幂函数连续变化,压电层为各向同性均匀材料。采用打靶法数值求解所得强非线性边值问题,获得了在均匀电场和横向非均匀升温场内两端固定Timoshenko梁的静态非线性屈曲和过屈曲数值解。并给出了梁的变形随热、电载荷及材料梯度参数变化的特性曲线。结果表明,通过施加电压在压电层产生拉应力可以有效地提高梁的热屈曲临界载荷,延缓热过屈曲发生。由于材料在横向的非均匀性,即使在均匀升温和均匀电场作用下,也会产生拉-弯耦合效应。但是对于两端固定的压电-功能梯度材料梁,在横向非均匀升温下过屈曲变形仍然是分叉形的。     

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。     

激光辐照下圆柱壳结构的稳定性分析

针对航天工程中常用的承受轴压作用的薄壁圆柱壳,分别采用解析方法与特征值屈曲有限元方法分析了圆柱壳结构在均匀轴压作用下的稳定性能,得到了屈曲承载力.并进行了对比,验证了有限元模型的合理性.采用线性屈曲特征值有限元方法分析了强激光辐照作用下圆柱壳的稳定性能,分析表明激光辐照导致壳体局部温度上升并由此带来材料参数的改变,是因为激光辐照在壳体中引起了热应力与热应变,使轴压圆柱壳的屈曲承载力明显降低.论文还着重对加筋圆柱壳结构的稳定性进行了研究,数值分析结果表明,加筋能有效提高圆柱壳结构的抗压承载力,激光辐照作用下,加筋对轴压作用下圆柱壳的屈曲承载力的提高作用更为明显.     

圆柱壳在静水压力作用下的塑性屈曲

由于航空和造船等部门大量采用板壳结构,所以,板壳的塑性屈曲问题引起了广泛的注意。所采用的理论大体上为塑性形变理论和塑性流动理论,在建立板壳的塑性屈曲方程时,有的考虑卸载,有的不考虑卸载。由于板壳的塑性屈曲实验结果与不考虑卸载的形变理论的结果比较接近,所以,大部分板壳塑性屈曲工作采用不考虑卸载的形变理论。对于圆柱壳在静水压力作用下的塑性屈曲问题也有过不少研究,      

压电板屈曲和后屈曲的有限元分析

采用板的一附剪切理论,并考虑结构的几何非线性,基于Ｔｏｔａｌ Ｌａｇｒａｎｇｅ方法,建立了在弱非线性耦合假设下压电智能的有限元控制方法,分析了没边界条件下压电板的屈曲和后屈曲,计算结果表明,在单向压力作用下,材料的压电效应和外加电压对板的屈曲载荷及后屈曲影响很小;而电场对位移加载简支板的屈曲影响较显著。该文为压电材料的工程应用提供了理论指导,同时提供了一种有效的有限元分析方法。     

基于等几何有限元法的功能梯度微板热力耦合屈曲预测

基于修正偶应力理论和Kirchhoff板理论，建立了功能梯度微板热力耦合屈曲等几何有限元模型。该模型仅包含一个材料尺度参数，能够描述尺度效应现象，且满足修正偶应力理论的高阶连续性要求。基于虚功原理推导了功能梯度微板热力耦合屈曲等几何有限元方程。通过对板的典型算例分析，讨论了材料尺度参数、边长比及梯度指数对板稳定性的影响。结果表明，本文模型预测的屈曲载荷总是大于宏观理论的结果，即捕捉到了尺度效应现象；随着临界屈曲力的增加，临界屈曲热载荷线性减少；此外，边长比和梯度指数也对微板的稳定性产生一定影响。     

高强度钢板热成形数值模拟-静力显式

在已建立的高强度钢热成形热、力、相变耦合本构方程的基础上,基于虚功率方程及持续平衡方程建立了热成形静力显式多场耦合有限元列武。将热成形过程中的相变潜热引入温度场,并进行了有限元分析;在自主开发的商业化金属成形CAE软件KMAS(King-Mesh Analysis System)基础上,开发了考虑多场耦合的非线性、大变...     

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。     

压电薄板屈曲有限元分析及DKQ单元

在机电耦合本构方程基础上,利用Hamilton原理推导了压电薄板屈曲分析的有限元特征方程和机电耦合的内力计算公式,在有限元实现中选择了基于Kirchhoff薄板假定的四边形薄板单元（DKQ单元）,并给出该单元的几何刚度阵及其数值积分方法。在大型通用有限元分析和优化设计软件系统JIFEX中实现了该方法。给出的数值验证了DKQ单元在屈曲分析和压电薄板静力分析中具有较高精度和收敛性,通过机械荷载和电荷载联合作用下的临界荷载计算,表明压电耦合效应能够影响结构的稳定性,可以通过改变外加电压对结构稳定性进行控制。     

板桁结构考虑局部屈曲空间计算的横向条带板段单元法

用有限个横向条带法构造了板桁组合结构板段考虑局部屈曲的空间位移模式。基于三维连续体的虚功增量方程,导出了横向条带板段单元的ＵＬ列式,并考虑了板段单元位形变化的影响。此计算方法自由度少,计算精度高,能用于大型板桁结构的几何非线性分析。文末计算了广东西江桥板桁组合结构模型梁,计算结果与实测结果吻合较好。     

压电智能桁架的灵敏度分析与优化设计

在压电桁架结构的有限元分析方法基础上，考虑电荷载和机械荷载联合作用的机电耦合效应，给出了压电智能桁架的位移和自振频率对常规尺寸设计变量和形状设计变量的灵敏度计算公式，增加了电压这一类新的设计变量，给出了位移对电压的灵敏度计算方法。在此基础上实现了通过优化压电主动桁架的电压进行变形控制的方法，并在JIFEX软件中实现了压电桁架的灵敏度分析与优化设计。文中给出的数值算例验证了算法和程序的有效性。     

具有压电材料弹性环形板的屈曲

对在不同位置粘有任意多对压电片的弹性环形板在电压和径向压力作用下的轴对称屈曲进行了研究．根据压电效应的等效作用量，初参数法以及传递矩阵方法得到了环板屈曲的特征方程．对不同位置及不同宽度的压电片，计算了结构的屈曲载荷．并得到了稳定性边界曲线．     

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。     

Optimum design and sensitivity analysis of piezoelectric truss structures

This paper is concerned with the optimum design and sensitivity analysis methods of piezoelectric intelligent trusses on the structural stiffness and free-vibration frequency. On the basis of the finite element method and taking into account the mechanical-electric coupling effect under electric load and mechanical load, the computational formula of sensitivities of structural displacement and free-vibration frequency with respect to the size and shape design variables are proposed. A new kind of design variable of the electric voltage and the calculating method of displacement sensitivity with respect to the electric voltage variable is presented. The new method for structural deformation control by optimizing the voltages of piezoelectric active bars is given. The numerical methods of optimum design and sensitivity analysis for piezoelectric truss structures are implemented in JIFEX software. Numerical examples demonstrate the effectiveness of the methods and the program. Project supported by the Special Funds for National Key Basic Research of China (No. G1999032805) and the Foundation for University Key Teachers by the Ministry of Education of China.     

Thermal,electrical, mechanical coupled mechanics for initial buckling analysis of smart plates and beams using discrete layer kinematics

Non-linear behavior of smart structures is of interest to researchers due to the possibilities for the elaboration of more effective actuators and sensors based on piezoelectric materials. The aim of the present work, is to present an integrated approach for the buckling behavior of smart beams and plates under multiple loading conditions. In order to present an accurate analysis, a coupled constitutive formulation between thermal, electrical and mechanical fields is elaborated incorporating non-linearity due to large displacements. An 8-node plate element was implemented in combination with discrete layer kinematics (LW) for the through-the-thickness representation of the structure. The issues of the critical buckling load under different electrical conditions as well as thermal and electrical loading are also presented. Experimental results contribute to the verification of the accuracy of the numerical analysis results and of the coupling mechanics in general.     

Kagome plate structures for actuation

A class of planar, pin-jointed truss structures based on the ancient Kagome basket weave pattern with exceptional characteristics for actuation has been identified. Its in-plane stiffness is isotropic and has optimal weight among planar trusses for specified stiffness or strength. The version with welded joints resists plastic yielding and buckling, while storing minimal energy upon truss bending during actuation. Two plate structures are considered which employ the planar Kagome truss as the actuation plane. It is shown that these plates can be actuated with minimal internal resistance to achieve a wide range of shapes, while also sustaining large loads through their isotropic bending/stretching stiffness, and their excellent resistance to yielding/buckling.