强电场和机械荷载联合作用下压电层合梁的非线性变形

本文研究简支,固支和悬臂压电层合梁在强电场和机械荷载联合作用下的非线性变形。考虑材料的电致伸缩和电致弹性压电效应以及几何非线性导出压电层合梁的数学模型。并求得在电场和均布力联合作用下各种边界条件梁的挠度和位移解析表达式。通过对双压电晶片梁和单压电晶片梁的数值计算及分析得到线性与非线性模型之间的差别和适用范围。     

压电层合圆杆中的几何非线性波

利用有限变形理论,导出了描述压电层合杆中几何非线性波的传播方程.在端部作用有限振幅位移函数的边界条件下,用逐步近似法对位移函数进行了假设,推导出了一维压电杆中位移函数与电势函数之间的关系式,并应用变动参数法求解了变换得到的非齐次波动方程,得到了位移和电势的响应.数值分析表明:初始频率的改变对位移和电势的非线性特性影响不大;而初始振幅的增加会使非线性波形畸变特性明显增强.     

轴对称压电圆板的非线性动力响应

基于Von Karman板理论和压电材料力学,考虑横向剪切变形,建立了轴对称压电圆板的非线性运动方程,提出了相应的力学与电学边界条件.求解时,首先应用Galerkin方法,将非线性偏微分运动方程转化为仅含时间变量的非线性常微分方程.然后,应用Newmark-β方法将时间函数离散,整个问题应用Newtoni迭代法求解.算例中,求得了压电圆板线性振动基频,验证了方程和求解方法的可靠性,讨论了压电效应、几何非线性、结构尺寸、力学和电学荷载等因素对板非线性动力响应的影响.     

非线性压电效应下压电层合板的弯曲

考虑非线性压电效应,即电致弹性和电致伸缩效应情况下压电层合板的弯曲。从非线性压电方程和几何方程导出了压电层合板合应力、合力矩与应变之间的广义本构关系,这些关系关于电场是非线性的。利用Ritz法和双傅立叶级数得到四边简支对称压电层合板在高电场作用下的非线性解并进行计算。结果表明,只考虑线性压电效应只能适应于作用电场较低或基础层的刚度比压电层的刚度要大得多的情况。     

功能梯度压电圆板轴对称自由振动问题精确解

将功能梯度压电圆板的位移变量和电势变量写为分离变量的形式，由压电动力学平衡方程导出以位移、电势及其一阶导数为状态变量的状态方程，考虑周边固支接地的边界条件，导出了求解功能梯度压电圆板自振频率精确解的方程。将方程退化至一般的非梯度纯弹性圆板的形式，求解其自振频率，得到的结果与相应的理论解完全吻合，从而验证了本文方法的正确性。更进一步地对梯度函数沿板厚以指数形式变化的功能梯度压电圆板的自振频率进行了计算，并得到了梯度化对板自振频率的影响规律。     

考虑接触效应的具脱层轴对称层合圆板的非线性动力响应

基于von Karman板理论,利用三分区模型,建立了在面内压力和横向荷载联合作用下具脱层的轴对称正交层合圆板的非线性运动微分方程,其中,考虑了横向剪切效应和脱层接触效应.在此基础上,利用正交配点法进行了求解,并着重讨论了脱层之间的接触效应对结构非线性动力响应的影响.     

具脱层的轴对称层合圆板的非线性振动分析

基于Von Karman板理论,应用三分区模型,建立了考虑横向剪切效应时具任意脱层的正交对称铺设轴对称层合圆板在径向压力荷载作用下的非线性运动微分方程。对未知变量在空间上采用Bessel函数,应用Galerkin法,得到无量纲的仅关于时间函数的运动微分方程,并应用谐波平衡法对此方程进行求解,算例中讨论了不同脱层半径、脱层深度对具脱层的正交对称铺设轴对称层合圆板非线性幅频响应的影响。     

压电层合圆板传感器的非线性静力耦合分析

本文基于von Karman薄板非线性理论，压电基本方程和经典层合板理论，对上，下表面粘有压电传感膜层的圆薄板压力传感器的力-电耦合特性进行了定理分析。首先，针对压电层合圆板传感器件建立了考虑几何非线性变形的力-意耦合模型。给出了压电薄膜层感应电量的计算公式；然后，采用级数解法进行了求解，得到了非线性静力耦合问题的幂级数精确解，给出了传感器静态测量过程中所关心的压力-电量特征曲线和中心挠度，电量特征曲线；同时，定量讨论了压电二次效应对感应电量和层合结构中心挠度的影响。通过所得结果，在压电式压力传感器设计中，为采用电信号直接输出有关结构的变形和外界载荷等待测参量提供了依据。     

非线性压电效应下压电弯曲执行器的弯曲

研究压电弯曲执行器在强电场作用下的非线性弯曲行为。考虑电致伸缩和电致弹性的非线性压电效应,导出了压电悬臂执行器自由端挠度或激励力和作用电场之间的非线性关系。结果表明,考虑非线性压电效应在很大的电场范围内都与实验结果吻合得很好,而线性压电效应只适合于低电场的情况。     

变温环境对压电圆板频率主动控制的影响

定量研究了具有几何非线性热弹性压电圆板的频率压电控制特征，考察了环境温度改变引起的热弹性效应和非线性大振幅振动对其控制特性的影响等．研究结果表明：环境温度的变化使压电控制的固有频率受到影响，而在压电电压较大时，振幅对振动频率影响不大．     

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。     

带压电层的混合层合板的自由振动和动力响应

基于Reddy高阶剪切变形理论和广义Kármán型方程,用双重Fourier级数展开法求得了四边简支带压电层的混合层合剪切板的自由振动及动力响应的解析解,分析中考虑了热/机/电荷载共同作用,并讨论了温度变化、控制电压、铺层方式对固有频率及动力响应的影响。     

考虑几何非线性的复合材料机翼气动弹性分析

本文研究结构几何非线性与气动力非平面效应对大展弦比复合材料机翼的气动弹性行为的影响．将非线性有限元法与曲面涡格法结合,计算机翼静气动弹性变形;通过曲面偶极子格网法结合静气动弹性平衡位置处的结构切线刚度,建立气动弹性方程并求解得到机翼颤振速度．针对板模型机翼,分析了迎角对机翼几何非线性气动弹性特性的影响．结果表明：本文复合材料板模型机翼的颤振形式不受水平弯曲模态影响,属于经典弯扭颤振;在几何非线性的影响下,机翼扭转频率随结构变形增大而明显减小,颤振速度随迎角增大而减小．     

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。