基于COMSOL有限元挠曲电圆筒的力电耦合行为分析

挠曲电效应是一种新型的力电耦合效应。不同于压电效应,挠曲电效应是极化对应变梯度的响应,指的是电介质中的离子由于应变梯度的存在打破了反演对称性,从而导致电介质发生极化或者变形的现象。作为一种类似压电效应的机电耦合效应,因其在材料、机械工程、自动化、仪器仪表等学科中的独特优势而受到越来越多的关注。由于目前所有的商业有限元软件中都缺少挠曲电模块,因此挠曲电问题的数值模拟需用有限元自主编程进行计算。得益于COMSOL Multiphysics的偏微分方程模块（PDE模块）,本文展示在COMSOL软件中对考虑挠曲电效应的力电耦合问题直接进行数值模拟的方法。并针对固定边界位移的挠曲电圆筒进行数值计算,与已有的解析解进行对比,验证了有限元数值计算方法的正确性。此外,本文研究了挠曲电系数及材料不同梯度指数对圆筒力电耦合的影响。该工作可以为挠曲电效应数值计算及挠曲电结构设计提供帮助。     

基于MEMsFEM的功能梯度压电板力电耦合分析

功能梯度压电材料(FGPM)是一类材料特性连续变化的力电耦合材料.由于材料性能的不均匀性,相应的力学分析具有很大挑战.基于混合扩展多尺度有限元法(MEMsFEM)建立了FGPM力电耦合问题的分析模型.采用传统多尺度有限元法构造电势多尺度基函数,用扩展多尺度有限元法在不同坐标方向构造位移多尺度基函数,并通过引入耦合附加项考虑各坐标方向位移场间的耦合作用.多尺度基函数的构造可以有效捕捉材料的非均质性,由此可以在粗尺度上对问题进行求解,明显减少了计算量.最后通过数值算例验证了MEMs FEM的有效性和高效性.文中模型为功能梯度材料力学行为的数值模拟提供了有效途径.     

电磁固体力——磁——电作用的耦合效应

详细介绍了兰州大学电磁固体结构力学研究组近年来在铁磁弹性结构力磁耦合模型建立与定量分析、超导载流磁体磁弹性行为模拟、磁悬浮列车动力控制稳定性与仿真以及压电型智能结构主动控制和小波方法等方面的研究工作和成果。     

切流向列相液晶孤子的挠曲电效应

本文详细讨论了均匀切变流动下,向列相液晶中孤子所引起的挠曲电效应,给出了A型孤子和B型孤子产生的板极电压,面电荷及体电荷的数值。A型孤子的挠曲电效应比B型孤子要大,其原因是A型孤子的指向角θ随z的变化比B型孤子要快。我们选用一种测量挠曲电系数e_1的实验方法,並作出相应的计算。     

2个外激励下BVP耦合电路的簇发行为分析

为了明确多个外激励作用下系统的簇发行为,通过引入2个电压源控制的电路模块,建立了具有双激励的5阶广义BVP耦合电路模型.将2个外激励项转化为1个慢变量并将其视为慢变参数,激励系统转化为广义自治系统,分析了广义自治系统平衡点的稳定性以及分岔条件.应用快慢分析法和转换相图探讨了系统分别在3组参数条件的簇发振荡行为及其诱发机理.结果表明,多平衡态共存的情况下,系统轨线所处的吸引域决定了轨线的走向.     

热-力-电耦合下天线罩电性能仿真及分析

在实际飞行工况下,热力载荷会改变高速飞行器天线罩原有的电磁特性,从而影响制导性能。提出了一种基于六面体网格划分的热-力-电耦合模型及仿真方法,可准确表征高速飞行工况下天线罩介电温漂和结构变形对电性能的影响。基于天线罩热-力-电共享网格模型,首先通过瞬态热仿真得到天线罩响应温度场,通过静力分析得到天线罩结构变形场。然后,将天线罩介电温漂和结构变形准确传递到其电磁仿真模型中,并采用三维射线跟踪法计算其电性能。最后通过一个典型算例对高速飞行工况下天线罩电性能的变化进行仿真和分析,结果表明电性能变化非常明显,也进一步说明了所提方法的可行性和研究的必要性。     

挠曲电效应对简支梁式压电传感器性能的影响

挠曲电效应是材料极化强度(或电场强度)与应变梯度之间的耦合关系,对于新型微纳米致动器和传感器的性能具有重要的影响.以纳米简支梁式压电传感器(简称压电简支梁)为研究对象,讨论材料的挠曲电效应对压电简支梁输出电势与挠度的影响.采用电吉布斯自由能密度函数,并根据压电材料线性理论与伯努利-欧拉梁理论,采用变分法推导压电简支梁的控制方程和相应力电耦合边界条件.数值模拟BaTiO3压电简支梁在外加机械载荷作用下,由于挠曲电效应产生的诱导电势和极化强度等与梁结构、材料参数的相互关系.计算结果表明,诱导电势反馈作用在梁的表面引起一个与机械载荷作用相反的弯矩,减小了梁结构的弯曲挠度;在一定的挠曲电系数和梁结构尺寸下,诱导电势存在最大值;在微纳尺度上挠曲电效应具有很强的尺寸依赖性,随着梁的厚度增大,挠曲电效应的影响将显著减弱.     

挠曲线临界力的近似计算

在已知等截面杆挠曲线方程的基础上，探讨了运用加权残数法求变截面杆挠曲线及其临界力近似解的方法，结果表明该方法理论简单，适用电算，在求得结果的同时给出了解答的精确度。     

基于C1型Bell三角形单元的挠曲电效应分析

采用C¹连续性Bell三角形单元,进行了挠曲电效应的机理研究,求解了厚壁筒的平面应变边值问题,并利用挠曲电结构的非对称性产生压电效应。通过算例分析,验证了Bell单元的准确性和收敛性,研究了梯度弹性理论中内禀尺度对挠曲电结构变形的影响,分析了挠曲电的尺寸效应。该工作为挠曲电效应分析和结构设计提供了基础和依据。     

基于力磁耦合效应的金属磁记忆仿真研究

为研究铁磁材料早期损伤和金属磁记忆信号之间的相互关系,结合力磁耦合模型与磁偶极子模型分析了铁磁材料磁导率变化与外加载荷之间的关系,并采用ANSYS Workbench有限元仿真软件中的静力学与静磁学模块对45号钢试件进行了地磁场下的力磁耦合仿真,得到了不同拉伸应力下试件漏磁场强度的变化规律及法向分量B(y)梯度值K的分布规律;研究表明:应力集中区的磁记忆信号随应力呈规律性增加,为金属磁记忆检测技术在铁磁材料应力集中区的检测提供了参考依据。     

煤岩电磁辐射的力-电耦合模型

基于煤岩电磁辐射的力-电耦合机理和统计损伤力学理论,建立了煤岩电磁辐射的力-电耦合模型,并通过对Weibull形态参数m值的模拟研究,修正了煤岩电磁辐射力-电耦合模型,使其更具有准确性和实用性。运用修正后的煤岩电磁辐射力-电耦合模型对不同煤岩试样的m值及电磁辐射进行了模拟,煤岩电磁辐射的模拟结果与实验测试结果一致。     

各种对称性下挠曲电系数的Kronecker张量积表示

Kronecker张量积在描述材料系数的对称性方面具有重要作用.通过首次构建符合挠曲电系数对称性的正交旋转张量4次Kronecker幂,推导了7大晶系、32类晶体点群及各向同性下挠曲电系数的矩阵结构表示,这些结果包含了独立的挠曲电系数个数及其具体的分量形式.通过与前人的工作对比,验证了本文结果的正确性.     

基于PZT机电耦合效应的工作平台调平方法

【目的】针对航空航天、工业机器人、生物医疗、光刻机等微机电领域的高精度要求,提出一种基于锆钛酸铅压电陶瓷的调平方法。【方法】首先,设计了由压电陶瓷驱动器、传感器等核心元件组成的调平机构,利用PZT(piezoelectric ceramics,压电陶瓷)的机电耦合效应对工作平台进行闭环调平;然后结合电场中的电介质逆压电效应理论,仿真分析了在工作平台不同位置附加载荷时驱动支腿产生的4种受力和形变情况;最后通过施加驱动电压产生微动位移来实现调平。【结果】当驱动电压在10～150 V时,本调平方法可将工作平台倾斜角减小到原来的37%。【结论】研究结果验证了本调平方法的可行性及理论计算和模拟仿真的统一性,可为功能材料在调平领域的应用提供参考依据。     

耳蜗外毛细胞Prestin的研究进展

哺乳动物耳蜗外毛细胞能响应膜电位变化，其长度和劲度(stiffness)均能发生迅速改变．外毛细胞的这种电动性被认为是由分子马达(motor)驱动，能产生耳蜗机械放大，Prestin特异地在外毛细胞内表达．近年的研究认为Prestin正是耳蜗外毛细胞的分子马达．对近年来有关Prestin的结构功能特性的研究结果进行了较详细论述．     

具有挠曲电效应的纳米电介质变分原理及控制方程

纳米电介质具有较强的挠曲电效应,并且该效应与大的应变梯度相耦合．在纳米尺度,静电力不能被忽略．我们基于电学焓,建立了可考虑应变及极化梯度效应以及静电力影响的纳米电介质变分原理．由此变分原理,导出了其控制方程,给出了广义静电应力的表达式．广义静电应力由两部分组成,一部分为与极化及应变有关的Maxwell应力,另一部分为与极化梯度及应变梯度有关的应力．我们的工作为研究纳米电介质中的力电耦合问题提供了基础．     

铁电材料非线性力电耦合特性的模拟计算

铁电材料具有独特的内部结构 ,在外加力、电场的作用下 ,由于电畴的反转而表现出非线性滞回特性。基于单晶的本构行为 ,发展了针对铁电陶瓷性能的计算方法 ,计及了四方结构铁电多晶材料中晶粒与基体间相互的能量作用 ,考虑了 90°及 180°反转的不同能量限值 ,计算结果表明该模型能较好地描述铁电材料的非线性行为。     

路面激励下弹体-运输车耦合振动分析

为了提供在导弹运输过程中振动问题的理论分析依据,分别利用能量法和有限元方法对运输车和弹体进行了动力学建模,并通过支撑处的自由度匹配建立车-弹耦合振动分析模型.通过求解车-弹耦合振动微分方程,分析了路面激励下系统的振动量级.利用数值仿真研究了不同弹体支撑刚度、车速和路面等级等因素对弹体某重要部位振动量级的影响.结果表明:弹体动响应均方根随着运输车车速的增大呈波动增大,随着支撑刚度的增加而减小,并趋于稳定.     

瞬态激励下保守耦合系统的统计能量分析

根据保守耦合系统的统计能量分析原理,通过对耦合子系统之间功率平衡方程式的修正和推导,得到了瞬态激励条件下系统的能量平衡方程,并针对L-型耦合平板的具体结构形式,建立了两子系统的SEA模型,提出了有关参数的预估和测试方法,计算了耦合平板的能量分布和功率流,测量了瞬态激励条件下系统的能量等参数.理论分析和实验结果的一致性证明了本文的研究方法和所取得的结果是合理可靠的.     

外激励下两个单向耦合的Lorenz系统的广义同步的复杂性

研究了响应系统在外界周期扰动(外激励)情况下两个单向耦合的Lorenz系统的广义同步问题。利用辅助系统方法,基于稳定性理论得到了两个Lorenz系统达到混沌轨道附近的广义同步时的充分条件以及达到各种复杂周期轨道附近的广义同步时的充分条件。利用广义Hamilton函数理论和Melnikov方法,得到了修正系统进入混沌轨道和各种周期轨道的充分条件,说明广义同步比完全同步更为复杂。数值仿真证实了该方法的可行性及有效性。     

电-力耦合场下导电弹性介质的表面失稳

文章利用线性摄动理论,对扩散调控的弹性固体表面在受到单向均匀远场应力和电场的作用下进行了研究;采用线性稳定性分析得到了临界失稳波长,得出了摄动增长率随扰动波数的变化曲线;在分析过程中,考虑了弹性应变能、表面能和静电能的共同作用.分析结果表明,表面能总是抑制表面失稳,弹性应变能促进表面失稳,而静电能有利于表面失稳.表面形态的演化是由于几种能量相互竞争导致的结果,最终趋于总自由能最小.通过机械应力和电应力调控的表面自组装可以生成周期性纳米结构,从而为纳电设备的制造提供模板.