层合结构压电器件的机电耦合效应

压电传感器和致动器都可以看成是一种复合材料层合板结构，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，我们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。此外，还建立了含压电材料的有限元算式，进行了实验测量。最后，通过比较解析解(包括考虑了d222参数的理论值和没有考虑d222参数的理论值)，实验值以及有限元计算结果，发现它们吻合得很好，而且考虑d222是十分必要的。     

PMN-PT层/弹性基底结构中声表面波特性分析

研究了PMN-PT 压电层/弹性(金刚石) 基底结构中表面波的传播特性,压电层表面是机械自由的,电学边界条件分为电学开路和电学短路,压电层与基底之间采用理想连接. 得到了满足控制方程和边界条件的电弹场以及弹性波在结构中传播时的频散方程,通过数值算例分析了压电材料PMN-PT 的极化方向对弹性波频散曲线和机电耦合系数的影响,以及不同极化方向时弹性位移和电势随结构深度方向的变化,结果可为PMN-PT 压电材料在高频声表面波器件中的应用提供有价值的理论参考.      

哈密顿体系下机电耦合问题的基本方程

利用多变量变分原理,针对具有机电耦合特性的压电材料,在哈密顿体系下推导出了机电耦合问题的对偶方程．求出了问题的零本征解和非零本征解的一般表达式。并就“二维压电平板对边受均布载荷”这一具体问题进行了完整的分析计算,得出了应力和电位移的具体解答,结果与一般弹性力学所得的结论相吻合,而且精度极高。表明哈密顿体系适用于压电材料的力学分析。     

一维六方准晶弹性层合悬臂梁的解析解

本文利用一维六方准晶的平面本构关系,以及简化为平面问题的物理方程,在悬臂梁的弹性应力解的基础上,假设准晶层和弹性层的应力分布,求出了各自的位移表达式,再利用层间连续条件和放松的边界条件,推导出一维六方准晶层合悬臂梁仅在自由端受集中力作用下声子场和相位子场的位移解析解,为研究准晶涂层材料的力学性质提供参考。     

基于LQG最优控制法的压电智能结构独立模态空间控制

采用压电材料作为传感器和驱动器对智能结构振动主动控制进行研究,基于机电耦合的压电智能结构传感和驱动方程,将振动控制动力学方程变换到模态空间对方程进行解耦。通过计算结构最大应变,确定压电元件的最佳粘贴位置。考虑到系统过程噪声和量测噪声的影响,设计Kalman滤波器,采用基于线性二次型高斯(LQG)最优控制的独立模态空间控制方法对压电智能结构的振动进行控制。最后以压电智能悬臂梁为例进行控制仿真,验证了此方法的有效性。     

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,...     

平面问题中弹性压电材料的本构关系及应用

本文在三维压电材料本构方程的基础上,推导出二维压电材料的机电耦合方程系统,并分析了受轴向力,弯矩作用时的位移和电势分布情况。     

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。     

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     

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.     

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．     

Finite element analysis of the piezoelectric vibrations of quartz plate resonators with higher-order plate theory

A finite element formulation of the piezoelectric vibrations of quartz resonators based on Mindlin plate theory is derived. The higher-order plate theory is employed for the development of a collection of successively higher-order plate elements which can be effective for a broad frequency range including the fundamental and overtone modes of thickness-shear vibrations. The presence of electrodes is also considered for their mechanical effects.The mechanical displacements and electric potential are combined into a generalized displacement field, and the subsequent derivations are carried out with all the generalized equations. Through the standard finite element procedure, the vibration frequency, the vibration mode shapes and the electric potential distribution are obtained. The frequency spectra are compared with some well-known experimental results with good agreement.Our previous experience with finite element analysis of high-frequency quartz plate vibrations leads us to believe that memory and computing time will always remain as key issues despite the advances in computers. Hence, the use of sparse matrix techniques, efficient eigenvalue solvers, and other reduction procedures are explored.