Smart Behavior of Carbon Fiber Reinforced Cement-based Composite

The electrical characteristics of cement-based material can be remarkably improved by the addition of short carbon fibers. Carbon fiber reinforced cement composite (CFRC) is an intrinsically smart material that can sense not only the stress and strain, but also the temperature. In this paper, variations of electrical resistivity with external applied load, and relation of thermoelectric force and temperature were investigated. Test results indicated that the electrical signal is related to the increase in the material volume resistivity during crack generation or propagation and the decrease in the resistivity during crack closure. Moreover, it was found that the fiber addition increased the linearity and reversibility of the Seebeck effect in the cement-based materials. The change of electrical characteristics reflects large amount of information of inner damage and temperature differential of composite, which can be used for stress-strain or thermal self-monitoring by embedding it in the concrete structures.

High-Performance and Multifunctional Cement-Based Composite Material

Concrete is a continuously evolving material, and even the definition of high-performance concrete has changed over time. In this paper, high-performance characteristics of concrete material are considered to be those that support the desirable durability, resilience, and sustainability of civil infrastructure that directly impact our quality of life. It is proposed that high-performance material characteristics include tensile ductility, autogenous crack-width control, and material “greenness.” Furthermore, smart functionalities should be aimed at enhancing infrastructure durability, resilience, and sustainability by responding to changes in the surrounding environment of the structure in order to perform desirable functions, thus causing the material to behave in a manner more akin to certain biological materials. Based on recent advances in engineered cementitious composites (ECCs), this paper suggests that concrete embodying such high-performance characteristics and smart multifunctionalities can be designed, and holds the potential to fulfill the expected civil infrastructure needs of the 21st century. Highlights of relevant properties of ECCs are provided, and directions for necessary future research are indicated.

A refined finite element method for bending analysis of laminated plates integrated with piezoelectric fiber-reinforced composite actuators

This research presents a finite element formulation based on four-variable refined plate theory for bending analysis of cross-ply and angle-ply laminated composite plates integrated with a piezoelectric fiber-reinforced composite actuator under electromechanical loading. The four-variable refined plate theory is a simple and efficient higher-order shear deformation theory, which predicts parabolic variation of transverse shear stresses across the plate thickness and satisfies zero traction conditions on the plate free surfaces. The weak form of governing equations is derived using the principle of minimum potential energy, and a 4-node non-conforming rectangular plate element with 8 degrees of freedom per node is introduced for discretizing the domain. Several benchmark problems are solved by the developed MATLAB code and the obtained results are compared with those from exact and other numerical solutions, showing good agreement.

Multi-layered plate finite element models with node-dependent kinematics for smart structures with piezoelectric components

This article presents a type of plate Finite Element(FE)models with adaptive mathematical refinement capabilities for modeling laminated smart structures with piezoelectric layers or distributed patches.The p-version shape functions are used in combination with the higher-order Layer-Wise(LW)kinematics adopting hierarchical Legendre polynomials.Node-Dependent Kinematics(NDK)is employed to implement local LW models in the regions with piezoelectric components and simulate the global substrate structure with the Equivalent Single-Layer(ESL)approach.Through the proposed NDK FE models,the electro-mechanical behavior of smart structures can be predicted with high fidelity and numerical efficiency,and various patch configurations can be conveniently modeled through one set of mesh grids.Moreover,the effectiveness and efficiency of the NDK FE approach are assessed through numerical examples and its application is demonstrated.

压电纤维复合材料的发展、模拟及应用(英文)

压电材料同时具有驱动和传感性能,被广泛应用于各种智能结构中。圆形压电纤维复合材料和方形压电纤维复合材料作为两种新型压电复合材料,因其独特的结构而具有比压电陶瓷片更优异的性能。采用数值法和分析法对复合材料的结构参数及各组分材料性能进行评估从而预测复合材料的性能是目前的研究热点。压电纤维复合材料被广泛应用于振动及噪声控制、结构健康监测、结构变形及能量收集等领域,并能对上述领域的进一步发展发挥关键作用。

0-3型水泥基压电机敏复合材料的制备和性能

智能结构体系正逐渐被引入土木工程领域 ,它对于解决土木工程结构的安全性、耐久性、灵活性以及自适应性课题提供了更强的支持 .在智能结构中较为突出的问题是机敏材料与母体结构材料的相容性 .由于土木工程中主要结构材料———混凝土的特性 ,在其它智能结构中具有良好相容性的机敏材料 ,在混凝土智能结构中有可能存在相容性问题 .针对这一情况 ,提出以水泥基材料作为压电机敏复合材料的基体 ,期望解决机敏材料与混凝土结构材料之间的相容性问题 .研究结果显示 :0 -3型水泥基压电机敏复合材料在制备上是可行的 .而形成的0 -3型水泥基压电机敏复合材料内部结构均匀 ,压电性能优于同条件下聚合物基压电复合材料的性能 ,而极化电压却大大降低 。

基于预置压电阵列的Lamb波检测技术研究

针对传统智能结构中多组传感器嵌入存在分散性的问题,成功研制了一种新型的预置压电传感器阵列。该预置传感器阵列综合采用了柔性印刷电路技术和压电超声换能技术,给出了压电传感器阵列的设计方案,对其进行了电学性能测试,并应用在某大面积复合材料构件上。结果表明,该传感阵列法可提高多组传感器布设时的一致性,便于快速、有效地在被检测结构中布置大量的传感器,且该技术对结构损伤状况反映灵敏。

复合材料层合梁结构在线损伤检测

复合材料层合结构在服役过程中关键部位的裂纹或分层损伤累积发展到一定程度 ,常出现损伤突变现象 ,导致结构局部刚度突发性降低和结构性能下降 .通过粘贴或埋入复合材料结构中的小型压电片构成结构动态响应的激励和检测系统、以小波分析技术从响应信号中识别结构损伤信息 ,可主动在线检测服役中的复合材料结构力学性能的突变 ,准确捕获结构突发损伤的时刻 .这项研究将为许多在役中人们无法直接观察或量测的复合材料结构的在线健康监控提供新的技术支持 .

2-2型水泥基压电机敏复合材料的研制

在土木工程领域中 ,智能结构系统越来越受到人们的重视 ,而在智能结构系统中机敏材料是不可缺的元素 ,它是构成智能结构中的传感器和驱动器的关键材料。针对目前土木工程领域智能结构中存在的结构材料与机敏材料相容性差问题 ,采用水泥基材料作为压电机敏复合材料的基体 ,通过调节水泥基材料组分和比例 ,克服水泥基材料与压电陶瓷在密度上的悬殊差异为材料准备带来的困难 ,制备出 2 - 2型水泥基压电机敏复合材料。同时 ,采用集成了微型计算机、MTS自动伺服试验机、示波器、信号发生器、线性放大器和 HP- IB界面的测试系统测量 2 -2型水泥基压电复合材料的弹性性能、传感性能和驱动性能。实验结果表明 ,在实验范围里 ,该材料具有线弹性性能 ;传感性能和驱动性能具有明显的频率依赖性 ;在超低频范围内 ,2 - 2型水泥基压电复合材料的压电电压系数的模值随频率线性增大 ,相角随频率增大开始时增大较快 ,随后趋于一常数 ;2 - 2型水泥基压电复合材料的压电性能与聚合物基压电复合材料相似。

基于高阶板理论的有限单元及其在压电智能结构中的应用研究

带有分布式压电驱动器 /传感器的自适应智能材料结构在振动控制、形状控制、精确定位等方面具有很大潜力而受到广泛的关注。本文把x ,y方向的位移定义为厚度坐标的三次多项式 ,利用板上下自由表面的力边界条件及正交异性复合材料的特性 ,导出了改进的高阶板理论。依据该理论建立了 4节点 2 0自由度矩形板高阶有限单元 ,并对一些算例进行了分析。通过与文献结果的对比 ,验证了改进的高阶板理论和所建立单元的正确性。最后利用所建立的单元 ,分析了压电悬臂梁中压电层在不同脱胶长度情况下板的频率变化 。

风力机叶片压电振动的主动控制研究

提出了将智能材料粘贴在叶片表面或嵌入叶片内部形成新结构的概念。本文将智能材料作为传感器和作动器,通过机电耦合抑制叶片的振动;利用有限元软件Algor分析在气动力作用下叶片的应力、应变;基于压电陶瓷第一压电方程,将风电叶片简化成柔性悬臂梁,建立了压电智能悬臂梁状态空间的动力学模型;针对此系统利用最优控制理论进行主动振动控制,设计了在系统低阶模态空间的振动控制器。最后通过计算机仿真得出:系统振动幅度缩小了约20%,振动时间减少了约80%,从而说明了此主动振动控制方法的有效性和可行性,对防止叶片这一弹性体发生颤振也起到一定的作用。

双层纤维压电智能薄板几何非线性建模与分析

纤维压电MFC(Micro-Fiber Composite)的强致动力和高柔性等特点具有广泛的应用前景,但是材料组成结构复杂给建模带来了难处。基于Reissner-Mindlin假设,采用冯卡门非线性、中等转角及大转角几何非线性等理论,建立了MFC压电智能结构的多种几何非线性有限元模型。同时该模型考虑了压电纤维角度变化对结构形变的影响。分别对两种不同结构的MFC进行了建模与仿真,分别是MFC-d31和MFC-d33,前一种主要利用压电d31效应,而后一种主要利用压电d33效应。随后,通过一压电悬臂梁结构实验数据验证了模型的准确性。最后,利用所建模型对一种双层纤维压电智能薄板结构进行了几何非线性的计算与仿真。

层合板中压电作动器最优厚度和嵌入位置研究

研究了压电结构中压电片厚度和嵌入深度的优化问题。首先给出了压电层合板的高阶耦合分析模型;然后以不受约束的含压电铺层复合材料板为代表,在压电层厚度方向施加电场时板自由变形,假设板任意微元横截面上内力为零,以其弯(扭)曲曲率最大为优化目标,建立了求解压电片最优厚度和嵌入深度问题的约束优化模型。最后分别以各向同性板中嵌入各项同性压电片和复合材料板中嵌入各向异性压电片为例进行了分析,绘出了目标函数的三维曲面图及等高线图,结果表明压电片的作动效能与其厚度和嵌入位置密切相关,而最优厚度和嵌入位置是由压电片和基体的材料特性决定的。

智能复合材料风力机叶片设计与有限元分析

随着风力发电机叶片的大型化,将智能材料粘贴在叶片表面或嵌入叶片内部形成新的结构,智能材料作为传感器和作动器。设计了小型风力发电机叶片及其智能夹层结构,用有限元分析软件Algor分析埋入的压电材料逆压电效应下的应力、位移,并与气动力作用下的叶片流体计算结果进行对比。分析实现叶片振动主动控制的可行性,以防止叶片这一弹性体发生颤振。

压电智能复合材料层板冲击压电响应仿真分析

基于1阶剪切变形理论,采用有限单元方法,建立了压电智能复合材料层板有限元模型,采用低速冲击对其压电传感器的瞬态响应进行了仿真分析。结果表明,各压电传感器响应信号特征与各传感器的布置位置、冲击荷载位置及层板的边界条件等因素有关。综合分析各传感器响应信号并进行特征提取,可建立传感器响应与冲击位置间的非线性关系,从而实现结构加载损伤位置的自诊断。

面向电力设备检测与诊断的压电材料及器件

随着中国智能电网建设不断推进及电网规模的扩大,以压电材料为核心的传感器和能量采集器在电力系统在线监测、故障检修、无线传感器网络等方面扮演着越来越重要的角色。从电力检测和传感器自取能出发,回顾近年来基于压电效应的电压电场传感器、声检测和环境能量采集装置的研究进展并介绍了压电陶瓷、压电驻极体、压电复合材料等传统和新兴的压电材料。在现有研究基础上,指出在智能电力系统建设中各类压电器件所面临的挑战,包括频率匹配、环境适应性和集成化等,需要新的微纳加工技术、探索压电效应与其他物理效应耦合、设计新型压电材料和能量收集电路来助力新型压电器件的实际应用。

基于FEM的水泥基压电复合材料的性能分析

建立了1-3型水泥基压电复合材料的有限元模型,并对其进行了静力分析、模态分析和瞬态动力学分析。得到了水泥基压电复合材料的内部应力应变分布、水泥基体对复合材料压电性能的影响、复合材料的厚度振动模态和在动态载荷下的响应情况。发现水泥基压电复合材料产生的驱动应变和节点应力都集中在压电陶瓷柱上,高泊松比和低弹性模量的水泥基体能够增加复合材料的压电性能;低频下水泥基压电复合材料的振动特性与压电陶瓷相同,且对外部的动态激励有着良好的线性响应。

宏观纤维复合材料及其驱动器的研究与应用

宏观纤维复合材料(Macro Fiber Composite,简称MFC)是一种新型压电纤维复合材料。用MFC制成的器件既是传感器也是驱动器。以d33模式的MFC驱动器为例,给出了MFC的压电本构方程,总结对比了目前常用的3种压电纤维片制备方法的优缺点。最后,通过列举MFC驱动器在不同领域的实际应用案例说明了其应用现状,展望了MFC驱动器的应用与发展前景。

碳系水泥基复合材料的研究进展

本文介绍了国内外水泥基复合材料的研究进展,重点对水泥基导电复合材料、水泥基电磁屏蔽复合材料和水泥基压电机敏复合材料,如导电性能、磁性能、屏蔽性能、压电性能等材料的组成、特性及发展状况进行了综述。

基于智能复合微结构的亚手掌尺度压电双驱扑翼微飞行器的研究

该文设计、制作和研究了一种亚手掌尺度的双驱扑翼微飞行器。飞行器主要采用多层平面材料的智能复合微结构(SCM)加工工艺进行加工。装配得到的样机整机质量为244 mg,翼展61 mm。对样机的压电驱动器性能进行了测试。测试结果表明,压电驱动器空载共振频率约为1100 Hz,负载共振频率约为28 Hz;对样机进行了升力测试,得到样机的升力为0.689 mN。