考虑几何与压电非线性行为压电层合轴对称圆板的精确解

研究可移简支及夹支边界条件下,轴对称压电层合圆板在强电场和机械荷载联合作用下的非线性变形.考虑电致伸缩的非线性压电效应及几何非线性的影响,导出轴对称压电层合圆板的控制方程.通过调整坐标轴的位置对控制方程进行简化,得到关于挠度和径向力的4阶非线性控制方程.再通过简单的积分并引入无量刚变量将控制方程等价地化为2阶非线性耦合微分方程组.利用幂级数法得到可移简支及夹支边界条件下强电场和均布荷载共同作用时的挠度、径向力及径向位移的幂级数精确解.通过对双、单压电晶片执行器的数值计算及分析,得到电场、外载对于位移、径向力的影响关系.     

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。     

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。     

强电场作用下简支压电层合梁的非线性动力分析

研究可移简支压电弯曲层合梁在交变强电场作用下的非线性动力学行为.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.导出简支压电执行器的弯曲振动控制方程,并得到它的刚度是关于时间的慢变函数关系.利用非定常振动的渐近理论和Galerkin方法对具有慢变系数的非线性动力方程进行求解.得到了可移简支压电层合梁的动力特征.最后得到了可移压电简支梁的共振频率、固有频率和电场频率三者之间的变化关系以及谐振幅度与作用电场强度的关系.     

压电——层合梁在非接触电极作用下的二维解析解

本文利用压电弹性介质的二维本构关系,推导出带压电层的弹性梁在非接触电极作用下的位移、应力分布的解析表达式,为探索压电层的作动机理提供了参考依据。     

剪切流作用下层合梁非线性振动特性研究

针对剪切流中层合梁的大变形非线性振动问题, 采用高阶剪切变形锯齿理论和冯·卡门应变描述层合梁的变形模式和几何非线性效应, 构建了大变形层合梁非线性振动有限元数值模型; 采用基于任意拉格朗日?欧拉方法的有限体积法求解不可压缩黏性流体纳维-斯托克斯方程, 结合层合梁和流体的耦合界面条件建立了剪切流作用下层合梁流固耦合非线性动力学数值模型, 采用分区并行强耦合方法对层合梁的流致非线性振动响应进行了迭代计算. 研究了不同速度分布的剪切流作用下单层梁和多层复合材料梁的振动响应特性, 并验证了本文数值建模方法的有效性. 结果表明: 剪切流作用下单层梁的振动特性与均匀流作用下的情况不同, 梁的运动轨迹受剪切流影响向下偏斜, 随着速度分布系数增加, 尾部流场中的涡结构发生改变; 刚度比对剪切流作用下层合梁的振动特性有显著影响, 随着刚度比的增加, 层合梁振动的振幅增大, 主导频率下降, 运动轨迹由‘8’字形逐渐变得不对称; 发现了不同厚度比和铺层角度情况下, 层合梁存在定点稳定模式、周期极限环振动模式和非周期振动模式三种不同的振动模式, 改变层合梁铺层角度可实现层合梁周期极限环振动模式向非周期振动模式转变.      

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.     

轴向载荷作用下压电—弹性层合梁段的二维解析解

本文利用压电弹性介质的二维本构关系，推导出带压电层的弹性梁段受轴力作用的位移和电势分布的解析表达式。为探索压电层的分布感测机理以及验证有限元数值方法提供了参考依据。     

压电-弹性层合梁自由振动分析的新方法

将状态空间法和微分求积法相结合,分析了压电-弹性层合梁的自由振动. 通过微分求积把状态方程在每一个节点处离散,进而求得解答. 选用不同的节点数目, 分析了方法的收敛性. 计算结果与相关文献的结果能较好地符合. 该方法 对于分析压电-弹性层合梁的工程振动问题非常方便.     

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。     

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。     

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。     

Nonlinear behavior of composite sandwich beams in three-point bending

The load-deflection behavior of a composite sandwich beam in three-point bending was investigated. The beam was made of unidirectional carbon/epoxy facings and a polyvinyl chloride closed-cell foam core. The load-deflection curves were plotted up to the point of failure initiation. They consist of an initial linear part followed by a nonlinear portion. A nonlinear mechanics of materials analysis that accounts for the combined effect of the nonlinear behavior of the facings and core materials (material nonlinearity) and the large deflections of the beam (geometric nonlinearity) was developed. The theoretical predictions were in good agreement with the experimental results. It was found that the effect of material nonlinearity on the deflection of the beam is more pronounced for shear-dominated core failures in the case of short span lengths. It is due to the nonlinear shear stress-strain behavior of the core. For long span lengths, the observed nonlinearity is small and is attributed to the combined effect of the facings nonlinear stress-strain behavior and the large deflections of the beam.     

Determining the Axisymmetric, Geometrically Nonlinear, Thermoelastoplastic State of Laminated Orthotropic Shells

A technique is developed to determine the axisymmetric, geometrically nonlinear, thermoplastic stress–strain state of laminated ortotropic shells of revolution under loads that cause a meridian stress state and torsion. The technique is based on the rectilinear-element hypotheses for the whole stack of layers. The active elastoplastic deformation of an ortotropic material is described by deformation-type equations that have been derived without resort to the existence conditions for the plastic potential. The scalar functions in the constitutive equations depend on the intensity of shear strains and temperature. The problem is solved through the numerical integration of a system of differential equations. The technique is tried out in designing tubular specimens subjected to axial force and torque. As an example, the elastoplastic state of a corrugated shell is analyzed     

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。     

变刚度层叠梁的力学性能研究

为满足不同场景下的功能需求,变刚度结构得到越来越广泛的应用．以机器人手臂为例,在执行操作时,需要其手臂的结构刚度足够大,避免出现过大的扭曲和变形,而在与人交互时,又需要其结构足够柔软,以保证在此过程中与人交互的安全性．该类变刚度结构可根据需求通过外部激励在柔性和刚性状态之间自由切换．在该文章中,研究分析了层叠梁结构,通过理论推导和数值模拟,对其力学性能做出了很好的预测,同时为此类结构的研究提供了有效可靠的思路和方法．