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。     

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.     

轴对称圆薄板大挠度微分方程的数值分析方法

根据轴对称问题的特点,利用级数展开和求极限法则,证明了轴对称大挠度圆薄板在圆心处应满足的边界条件,并以圆薄板轴对称大挠度弯曲变形微分方程为基础,建立了圆心处非奇异的轴对称大挠度圆板弯曲微分方程,从而可以方便地利用现有的常微分方程数值求解方法(如变步长龙格-库塔法)对实心圆板的轴对称问题进行数值求解,又不必像摄动法那样推导复杂的公式。在数值求解轴对称圆板大挠度弯曲变形微分方程时,将非线性微分方程的求解主要归结为迭代求解圆心处三个未知边界条件的问题,即圆心处的径向膜力、圆心处的挠度、圆心处挠度的二阶导数,并提出了相应的求解方法。实例中,对于圆薄板受均布横向荷载的问题,分析了周边固支边界条件下的非线性弯曲问题,给出了中心挠度参数大范围变化时的荷载和部分边界值变化曲线,并与经典摄动解进行了对比。对比结果可见,本文方法和摄动法的解非常接近,在量纲归一化中心挠度不超过4.0时,两种方法解的相对误差均小于5.0%。另外,本文还分析了与挠度有关的液体压力作用下和集中荷载作用下周边固支圆板的非线性弯曲问题。通过算例可见:本文方法可以灵活处理不同的荷载问题;对于不同的问题,计算过程相似,不必推导复杂的计算公式,计算精度容易控制。     

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。     

具损伤压电智能层合中厚板的非线性动力稳定性分析

基于各向异性损伤理论和压电理论，采用能量法和Lagrange方程，建立了具损伤压电智能层合中厚板在参数激励下的非线性运动控制方程，应用增量谐波平衡法，求解了具损伤压电智能层合中厚板的非线性动力稳定性问题。算例中，分析了损伤参数和压电效应对压电智能层合板非线性动力稳定性的影响，揭示了力电耦合效应的内在特征，并与有关文献的结果进行了比较。     

冲击波载荷作用下拉－弯耦合梁的瞬态响应分析

采用大挠度弹性理论和中心差分法分析了拉压变形和弯曲变形之间存在弹性耦合的非线性薄梁结构对冲击波载荷作用的大挠度瞬态响应。为了充分描述冲击波载荷的强度大小，文中应用了冲击波载荷的冲量概念。通过进一步研究模态数、时间步长、拉－弯耦合、拉／弯刚度比、冲击波冲量对挠度响应的影响，得到了一些有用的结论。     

冲击波载荷作用下拉－弯耦合梁的瞬态响应分析

采用大挠度弹性理论和中心差分法分析了拉压变形和弯曲变形之间存在弹性耦合的非线性薄梁结构对冲击波载荷作用的大挠度瞬态响应。为了充分描述冲击波载荷的强度大小，文中应用了冲击波载荷的冲量概念。通过进一步研究模态数、时间步长、拉－弯耦合、拉／弯刚度比、冲击波冲量对挠度响应的影响，得到了一些有用的结论。     

轴对称von Korman位移型方程的打靶法求解

本文采用常微分方程两点边值问题的打靶法，建立了圆薄板轴对称大挠度弯曲ｖｏｎＫáｒｍáｎ位移型方程的自动求解过程．作为例子，分析了圆薄板在均布横向截荷作用下的非线性弯曲问题，给出了载荷参数大范围变化的解曲线     

蠕动爬行微电机械力－电耦合的致动特性分析

对于以施加电场作为驱动的蠕动爬行微电机构，在柔韧薄板理论和电学物理基础上，通过考虑驱动元件在电场力作用下的几何非线性变形和与结构变形相关的电荷分布及电场力分布，建立了其驱动元件的非线性耦合模型。在此基础上，采用矩量法和增量有限元法相结合，给出了其微电机构在失稳前由弯曲变形引起的蠕动距离随外加电压之间的特征关系。     

轴对称von Korman位移型方程的打靶法求解

本文采用常微分方程两点边值问题的打靶法，建立了圆薄板轴对称大挠度弯曲ｖｏｎＫáｒｍáｎ位移型方程的自动求解过程．作为例子，分析了圆薄板在均布横向截荷作用下的非线性弯曲问题，给出了载荷参数大范围变化的解曲线     

A theoretical analysis of piezoelectric/composite anisotropic laminate with larger-amplitude deflection effect,Part I: Fundamental equations

Considering the effects of both the different material properties of composite layers and the poling directions of piezoelectric layers, we utilized the assumption of the simple-higher-order shear deformation theory to model and analyze the laminated composite plate integrated with the random poled piezoelectric layers. Further, the generalized Hamilton’s variation principle for electro-elasticity was employed to deduce the fundamental equations of piezoelectric/composite anisotropic laminate, i.e. the governing equations and boundary conditions. For the special requirement of the larger-amplitude deflection of smart structures, the Von Karman strains were used to account for the geometric nonlinear effect of the practical larger-amplitude deflection on the electro-elastic behavior of smart composite structures. Moreover, the sensor equations were also carried out with considering the large-amplitude deflection effect of smart composite structures.     

ACTIVE CONTROL OF THE PIEZOELASTIC LAMINATED CYLINDRICAL SHELL''''S VIBRATION UNDER HYDROSTATIC PRESSURE

IntroductionDuetotheintrinsicdirectandconversepiezoelectriceffects,piezoelectricmaterialscanbeeffectivelyusedtoproducesensorsoractuatorsfortheactiveshapeorvibrationcontrolostructures.Therefore,theuseofpiezoelectricmaterialsinintelligentstructuresattractedmanyattentionsinrecentyears.Thedesignofsuchactivesystemsrequiresgoodunderstandingofthemechanical_electricinteractionbetweenthestructuresandpiezoelectricmaterials.Manyinvestigationshavebeendoneinthisfield[1].However,mostofthesestudiesarebasedo…     

带剪切型压电激励器的板的高阶剪切变形理论

利用压电材料固有的正，逆压电效应可以对结构变形和振动进行控制。与外加电场与极化方向平行于板厚度的压电材料的拉伸作动机制相比，外加电场与极化方向垂直的压电材料的剪切作动机制可以在作动器内产生较小的应力，从而降低作动器边界产生分层破坏的危险。本文对于压电材料的剪切作动机制进行研究，应用三阶剪切变形理论建立带剪切型压电激励器的智能层合板模型。采用哈密顿原理导出带剪切型压电激励器的层合板的控制方程。采用空间法得到了各种边界条件组合条件下板的解析解。数值算例对一三层板采用高阶和一阶剪切变形理论进行计算，结果表明两种理论所得的变形曲线很相似。但对于厚度剪切型激励器而言，由于激励器是引起板的剪切变形，而高阶剪切变形理论比一阶剪切变形理论能更好地反映结构的剪切应变能，因此高阶剪切变形理论可以提供板变形的更为精确的解。因此，对于厚度剪切型激励器，剪切变形理论的选取对于板变形结果的好坏有重要的作用。     

Nonlinear active control of damaged piezoelectric smart laminated plates and damage detection

Considering mass and stiffness of piezoelectric layers and damage effects of composite layers, nonlinear dynamic equations of damaged piezoelectric smart laminated plates are derived. The derivation is based on the Hamilton＇s principle, the higher- order shear deformation plate theory, von Karman type geometrically nonlinear straindisplacement relations, and the strain energy equivalence theory. A negative velocity feedback control algorithm coupling the direct and converse piezoelectric effects is used to realize the active control and damage detection with a closed control loop. Simply supported rectangular laminated plates with immovable edges are used in numerical computation. Influence of the piezoelectric layers＇ location on the vibration control is in- vestigated. In addition, effects of the degree and location of damage on the sensor output voltage are discussed. A method for damage detection is introduced.     

Low-energy impact of adaptive cylindrical piezoelectric–composite shells

A theoretical framework for analyzing low-energy impacts of laminated shells with active and sensory piezoelectric layers is presented, including impactor dynamics and contact law. The formulation encompasses a coupled piezoelectric shell theory mixing first order shear displacement assumptions and layerwise variation of electric potential. An exact in-plane Ritz solution for the impact of open cylindrical piezoelectric–composite shells is developed and solved numerically using an explicit time integration scheme. The active impact control problem of adaptive cylindrical shells with distributed curved piezoelectric actuators is addressed. The cases of optimized state feedback controllers and output feedback controllers using piezoelectric sensors are analyzed. Numerical results quantify the impact response of cylindrical shells of various curvatures including the signal of curved piezoelectric sensors. Additional numerical studies quantify the impact response of adaptive cylindrical panels and investigate the feasibility of actively reducing the impact force.     

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。     

弹性板振动的多模态主动控制

采用多对压电片对板振动的多阶模态进行主动控制。为了改善结构振动控制的效果，本文对选用结构振动能量和控制信号能量作为控制目标函数的LQR控制算法作了初步研究。首先，按能量准则推导了控制目标函数中权系数矩阵(Q矩阵和R矩阵)的理论计算公式，为权系数矩阵的选取提供了一定的理论依据。然后，运用该算法，在研究了单对压电片进行振动主动控制的基础上．本文深入分析了压电层合板振动的多阶模态控制的问题，用Matlab进行系统仿真，得到了压电层合板受到初始位移激励下板中心点的位移和控制电压大小随时间变化的曲线。数值模拟的结果表明，该方法能达到更有效控制结构振动和减小控制能量消耗的目的．进一步验证了该方法能达到有效控制结构振动和减小控制能量消耗的目的。     

埋入压电元件的自诊断智能结构的理论分析与实验研究

将压电元件埋设于复合材料层板结构中，可实现结构应变分布的在线监测。本文提出一种采用压电应变传感器阵列和人工神经网络模型的自诊断方法，对局部埋入压电应变传感元件的平板结构进行了分析，采用神经网络模型根据压电传感器组的输出识别结构承载位置和大小，对该方法进行了数值模拟和实验验证。