超声速复合材料层合壁板结构的颤振特性分析

对超声速复合材料壁板结构的气动弹性颠振特性进行了分析研究.采用Hamilton原理和假设模态法建立结构的运动方程,采用活塞理论模拟超声速非定常气动力,通过求解本征值问题,得到结构的固有频率和阻尼比等物理量.数值计算了结构无量纲固有频率随气动压力的变化曲线,确定颤振临界气动压力(或颤振速度),并计算了结构的受迫振动时间响应历程曲线,分析比较了不同纤维铺设方式和不同铺设角度对超声速复合材料壁板结构气动弹性稳定性的影响.本文研究结果对超声速飞行器壁板结构的气动弹性稳定性分析和设计具有理论参考价值.     

主动约束层阻尼对超声速梁结构颤振特性的影响

本文采用主动约束层阻尼技术研究超声速梁的颤振特性,利用Hamilton原理和假设模态方法建立结构的运动方程,采用活塞理论模拟超声速梁的气动压力,采用速度负反馈控制获得主动阻尼,求解本征值问题得到复特征值,进而得到结构的固有频率和损耗因子.计算结构的固有频率随无量纲气动压力的变化曲线,得到颤振点,分析了主动阻尼和被动阻尼对颤振速度的影响.计算结果表明主动阻尼可以影响梁的气动弹性特性,并增大超声速梁的颤振速度.本文研究结果对超声速飞行器结构的颤振分析和气动设计具有重要意义.     

热过屈曲功能梯度壁板的气动弹性颤振

功能梯度材料的宏观物理性能随空间位置连续变化,能充分减少不同组份材料结合部位界面性能的不匹配因素.功能梯度壁板用作高速飞行器的热防护结构,能有效消除气动加热带来的壁板内部热应力集中.本文考虑热过屈曲变形引入的结构几何非线性,分析功能梯度壁板的气动弹性颤振边界.基于幂函数材料分布假设,采用混合定律计算功能梯度材料的等效力学性能.根据一阶剪切变形板理论、冯·卡门应变-位移关系和一阶活塞理论,基于虚功原理建立超声速气流中受热功能梯度壁板的非线性气动弹性有限元方程.采用牛顿-拉弗森迭代法数值求解壁板的热屈曲变形,分析超声速气流对热屈曲变形的影响机理.在壁板热过屈曲的静力平衡位置分析动态稳定性,确定了壁板的颤振边界.研究表明,当陶瓷-金属功能梯度壁板的组份材料沿厚度方向梯度分布时,会破坏结构的对称性导致壁板在面内热应力作用下发生指向金属侧的热屈曲变形.超声速气流中壁板热屈曲变形最大的位置随气流速压增大向下游推移,并伴随屈曲变形量的减小.热过屈曲壁板的几何非线性效应会提高壁板的颤振边界,这种影响在高温、低无量纲速压且壁板发生大挠度热屈曲变形时表现显著.较高无量纲气流速压下由于壁板的热屈曲变形被气动力限定在小挠度范围,几何非线性效应不明显.      

激波主导流动下壁板的热气动弹性稳定性理论分析

针对激波主导流动下弹性壁板的热气动弹性稳定性分析问题,建立了基于当地活塞流理论的分析模型,并用数值仿真方法来验证其正确性. 首先基于Hamilton原理和Von-Karman大变形理论,建立壁板的热气动弹性运动方程,其中假设壁板受热后温度均匀分布,激波前后区域的气动力模型采用当地一阶活塞流理论;利用Galerkin方法将具有连续参数系统的偏微分颤振方程离散为有限个自由度的常微分方程;基于李雅普诺夫间接法将非线性颤振方程组在平衡位置处进行线化,再用Routh-Hurwits判据来判断线性系统的稳定性,从而来推论出非线性颤振系统的气动弹性稳定性. 在时域中采用龙格--库塔法对非线性颤振方程进行数值积分,得到壁板非线性颤振响应的时间历程,与理论分析结果进行对比. 研究结果表明,壁板受到斜激波冲击时,更容易发生颤振失稳,并且激波强度越大,极限环幅值和频率越大;激波主导流场中的壁板失稳边界不同于传统单纯超声速气流中壁板颤振的失稳边界;只有在斜激波前后不同的动压值都满足颤振稳定性边界的条件下,壁板才可能保持其气动弹性稳定性.      

激波主导流动下壁板的热气动弹性稳定性理论分析

针对激波主导流动下弹性壁板的热气动弹性稳定性分析问题,建立了基于当地活塞流理论的分析模型,并用数值仿真方法来验证其正确性.首先基于Hamilton原理和Von-Karman大变形理论,建立壁板的热气动弹性运动方程,其中假设壁板受热后温度均匀分布,激波前后区域的气动力模型采用当地一阶活塞流理论;利用Galerkin方法将具有连续参数系统的偏微分颤振方程离散为有限个自由度的常微分方程;基于李雅普诺夫间接法将非线性颤振方程组在平衡位置处进行线化,再用Routh-Hurwits判据来判断线性系统的稳定性,从而来推论出非线性颤振系统的气动弹性稳定性.在时域中采用龙格-库塔法对非线性颤振方程进行数值积分,得到壁板非线性颤振响应的时间历程,与理论分析结果进行对比.研究结果表明,壁板受到斜激波冲击时,更容易发生颤振失稳,并且激波强度越大,极限环幅值和频率越大;激波主导流场中的壁板失稳边界不同于传统单纯超声速气流中壁板颤振的失稳边界;只有在斜激波前后不同的动压值都满足颤振稳定性边界的条件下,壁板才可能保持其气动弹性稳定性.     

超音速气流中受热曲壁板的非线性颤振特性

基于von Karman 大变形理论及带有曲率修正的一阶活塞理论, 用Galerkin方法建立了超音速气流中受热二维曲壁板的非线性气动弹性运动方程; 采用牛顿迭代法计算得到由静气动载荷和热载荷引起的静气动弹性变形; 根据李雅谱诺夫间接法分析了壁板初始曲率与温升对颤振边界的影响; 对二维曲壁板的非线性气动弹性方程组进行数值积分求解,分析了动压参数对受热二维曲壁板分岔特性的影响, 给出了典型状态下曲壁板非线性颤振响应的时程图与相图. 分析结果表明对小初始曲率的曲壁板, 温升对其静气动弹性变形影响较大, 且随着温升的增加其颤振临界动压急剧减小; 对具有较大初始曲率的曲壁板, 温升对其静气动弹性变形的影响较弱, 且随着温升的增加颤振临界动压基本保持不变. 初始几何曲率与气动热效应使得曲壁板具有复杂的动力学特性, 不再像平壁板一样, 经过倍周期分岔进入混沌, 而会出现由静变形状态直接进入混沌运动的现象, 且在混沌运动区域中还会出现静态稳定点或谐波运动, 在大曲率情况下, 曲壁板不会产生混沌运动, 而是幅值在一定范围内的极限带振荡.      

壁板颤振的分析模型、数值求解方法和研究进展

研究壁板颤振问题需要计及大挠度变形下结构的几何非线性效应,不仅涉及气动弹性稳定性,而且关心结构的非线性颤振响应.该文回顾了飞行器壁板颤振问题的国内外研究情况,评述了在壁板颤振研究中采用的分析模型、数值求解方法以及在理论分析和试验方面的研究成果,并提出了今后壁板颤振问题的4个研究方向.      

翼型颤振压电俘能器的输出特性研究

压电俘能器能够为自然界中低功率的微机电系统持续供能. 为了模拟机翼的沉浮?俯仰二自由度运动和有效俘获气动弹性振动能量, 本文提出一种新颖的翼型颤振压电俘能器. 基于非定常气动力模型, 推导翼型颤振压电俘能器流?固?电耦合场的数学模型. 建立有限元模型, 模拟机翼的沉浮?俯仰二自由度运动, 获得机翼附近的涡旋脱落和流场特性. 搭建风洞实验系统, 制作压电俘能器样机. 利用实验验证理论和仿真模型的正确性, 仿真分析压电俘能器结构参数对其气动弹性振动响应和俘获性能的影响. 结果表明: 理论分析、仿真模拟和实验研究获得的输出电压具有较好的一致性, 验证建立数学和仿真模型的正确性. 仿真分析获得机翼附近的压力场变化云图, 表明交替的压力差驱动机翼发生二自由度沉浮?俯仰运动. 当风速超过颤振起始速度时, 压电俘能器发生颤振, 并表现为极限环振荡. 当偏心距为0.3和风速为16 m/s时, 可获得最大输出电压为17.88 V和输出功率为1.278 mW. 功率密度为7.99 mW/cm3, 相比较于其他压电俘能器, 能实现优越的俘获性能. 研究结果对设计更高效的翼型颤振压电俘能器提供重要的指导意义.      

高速飞行器壁板颤振的分析模型和分析方法

壁板颤振是壁板结构在高速气流中产生的一种自激振动,在超声速和高超声速飞行器上特别容易发生这种现象。壁板颤振引发的非线性振动将对高速飞行器结构的疲劳强度、飞行性能和飞行安全带来不利的影响。随着高速飞行器设计中各项研究工作的开展,壁板颤振问题受到了到越来越多的重视。本文阐述了目前国内外学者在高速飞行器壁板颤振分析领域的研究现状及壁板颤振研究中常用的六种分析模型,并根据壁板颤振分析中使用的结构理论和气动力理论,详述了这种分类的依据。文中还介绍了温度、气流偏角、壁板几何尺寸及边界条件对壁板颤振的影响规律和目前常用于分析壁板颤振问题的频域和时域方法,总结了各种分析方法的优缺点。最后归纳了目前在高速飞行器壁板颤振研究中得出的几个重要结论,提出了今后在高速飞行器壁板颤振研究中需要解决的若干问题。     

热环境下壁板非线性颤振分析

基于一阶活塞气动力理论,采用Von Karman大变形应变-位移关系建立了无限展长壁板热环境下颤振方程,采用伽辽金方法对方程进行离散处理.取温度为分叉参数,研究壁板颤振时的分叉及混沌等复杂动力学特性.结果表明:温度载荷降低了系统的颤振临界动压,改变了颤振特性.在整个分岔参数范围内,系统呈现出较为复杂的变化,包括衰减振动、极限环振动、拟周期振动和混沌型振动.当考虑材料热效应时,系统的颤振动压将进一步降低,其响应也表现出更为丰富的非线性动态力学行为.     

复合材料层合板的颤振特性及振动抑制研究

研究了超声速流中压电复合材料层合板的颤振特性及振动抑制方法。采用一阶活塞理论计算了超声速流场中的气动压力,基于经典层合板理论和Hamilton原理推导了压电复合材料层合板的动力学模型,设计了滑模观测器以减少观测溢出,通过Lyapunov方法证明观测器的稳定性,应用观测状态设计了LQR控制器,讨论了几何参数、铺设角度对压电复合材料层合板颤振特性的影响,利用SIMULINK仿真求解了层合板的脉冲响应,验证了控制器的有效性。结果表明,合理规划层合板的几何参数和铺设角度可提高系统颤振稳定性,滑模观测器能够较为准确地追踪原始系统且具有良好的鲁棒性,LQR控制可以在一定范围内消除层合板的颤振点,并且能够有效地控制压电复合材料层合板在颤振边界处的振动,Q矩阵越大,振动控制效果越好,压电层厚度越大,LQR控制效果越好。     

梁板结构埋入压电片的深度和厚度优化研究

根据梁的弯曲变形理论，以及压电材料的压电效应，对压电复合材料梁结构的应变和应力状态进行了分析。推导了压电材料埋入梁结构时其埋入深度和压电材料本身厚度的优化目标函数。根据优化目标函数，绘制出了在给定的基体材料和压电材料弹性模量比之下，压电材料的驱动力矩随埋入深度和压电材料厚度变化的三维曲面和等高线图，直观地表示出了埋入型压电材料智能结构获得最佳驱动力矩的配置方案。同时也分析了结构和压电材料两者的弹性模量之比对其结果的影响。结果表明，压电材料对于结构的作动力矩与其埋入基体材料的深度、本身厚度以及基体材料和压电材料的弹性模量之比都有着密切的联系。同时将结果也推广到了压电板结构，此时压电材料和基体材料的泊松比时其结果也有一定的影响。     

Exact solution of orthotropic cylindrical shell with piezoelectric layers under cylindrical bending

An exact elasticity solution for an orthotropic cylindrical shell with piezoelectric layers is obtained in this paper. The stress and displacement distributions are presented. The influence of the piezoelectric layers on the mechanical behavior of structures is studied. Both the direct piezoelectric effect and the converse piezoelectrical effect of the piezoelectric material are investigated. Results presented in this paper can be used to study various approximate shell theories used in the numerical simulations of piezoelectric structures.     

压电涂层-功能梯度压电界面层-基底结构的二维接触问题研究

在多层压电元件中,由于界面处材料成分和性质的突变,常常导致界面处应力集中,使得界面处出现开裂或蠕变现象,从而大大缩短了压电元件的使用寿命。功能梯度压电材料作为界面层,可有效的缓解界面材料不匹配导致的破坏。本文主要研究利用功能梯度压电材料界面层连接压电涂层和基底,分析三层结构在圆柱型压头作用下的力电响应。利用傅里叶积分变换技术,本文将压电涂层-功能梯度压电层-基底结构在刚性圆柱压头作用下的二维平面应变接触问题转化为带有柯西核的奇异积分方程。运用高斯-切比雪夫积分公式,将奇异积分方程转化为线性方程组并对其进行数值求解,得到压电涂层-功能梯度压电层-基底结构在圆柱形压头作用下的应力分布和电位移分布。数值结果表明,梯度压电材料参数的变化对结构中的力电响应具有重要的影响。本文研究结果对于利用功能梯度压电界面层消除界面处的应力不连续导致的界面破坏具有重要的理论指导意义,研究结果可为功能梯度压电材料界面层的设计提供帮助。     

用于正交异性材料构件应变、应力测量的OPCM传感元件研究

介绍了由压电陶瓷和树脂材料构成的正交异性压电复合材料（Orthotropic Piezoelectric Composite Material,简称OPCM）应变传感元件的构造及传感原理，推导了粘贴式和埋入式OPCM传感元件测量正交异性材料构件中应力的传感方程。对受平面应力场的作用的正交异性板的表面应力，应变进行了实测研究，并对测试误差进行了分析。     

Multiple scattering of electro-elastic waves from a buried cavity in a functionally graded piezoelectric material layer

This paper presents a theoretical method to investigate the multiple scattering of electro-elastic waves and the dynamic stress around a buried cavity in a functionally graded piezoelectric material layer bonded to a homogeneous piezoelectric material. The analytical solutions of wave fields are expressed by employing wave function expansion method, and the expanded mode coefficients are determined by satisfying the boundary conditions around the cavity. The image method is used to satisfy the mechanical and electrically short conditions at the free surface of the structure. According to the analytical expression of this problem, the numerical solutions of the dynamic stress concentration factor around the cavity are presented. The effects of the piezoelectric property, the position of the cavity in the layer, the incident wave number and the material properties on the dynamic stress around the cavity are analyzed. Analyses show that the piezoelectric property has great effect on the dynamic stress in the region of higher frequencies, and the effect increases with the decrease of the thickness of FGPM layer. If the material properties of the homogeneous piezoelectric material are greater than those at the surface of the structure, the dynamic stress resulting from the piezoelectric property is greater. The effect material properties at the two boundaries of FGPM layer on the distribution of dynamic stress around the cavity is also examined.     

An exact solution of crack problems in piezoelectric materials

IntroductionInrecentyearscrackproblemsinpiezoelectricmaterialhavereceivedmuchattention.Manytheoreticalanalyseshavebeengivenby[1～16].Itshouldbe,however,notedthatalltheaboveanalysesarebasedonaso-calledimpermeablecrackassumphon,i.e.thecrackfacesareassumedtobeimpermeabletoelectricfield,sotheelectricdisplacementvanishesinsidethecrack.Usingthisassumption,onewillobtainthefollowingresultS[2'3'5,6'9'16]=whentheelectricloadsaresolelyaPPliedatinLfinity,theelectricdisplacementissquare-rootsingularatthe…     

智能板结构振动特性的半解析法

为智能板结构振动特性的分析提出了一种半解析法.根据压电材料修正后的Hellinger-Re issner变分原理,推导了压电材料的Ham ilton ian等参元.智能板结构的基体板和压电块(压电传感器或驱动器)被看作独立的三维体,并用Ham ilton ian等参元分别离散板和压电块.考虑到板和压电块在连接界面上广义应力和广义位移的连续性,联立板和压电块的方程得到整个结构的方程组.数值实例的分析结果证明了方法的可靠性.     

压电/纤维复合材料耦合旋转驱动器力学设计模型

本文在经典层合板理论和三维压电材料本构方程的基础上,依据压电材料与纤维复合材料之间的相互作用、位移连续条件,建立了压电—纤维复合材料旋转耦合驱动器力学模型,并推导出电耦合方程。计算和初步实验说明,这种新型结构的压电伸缩变形—离轴纤维复合层扭转变形耦合旋转驱动器比同类型驱动器能量密度高、转矩大,且这种旋转电机结构简单紧凑、工作稳定、寿命长、预计随着研究的进一步深入,可望成为一种新型的微致驱动器而广泛应用于微型机械、精密测量和自动控制等领域。     

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．