含压电层复合材料结构的静力学行为分析

为克服位移有限元法中求解单元节点应力时不方便引入应力边界条件的缺点,首先根据压电材料的广义最小势能原理,为压电材料结构的静力学分析提出了一种实用的8节点六面体非协调位移元。然后,基于广义H-R变分原理提出了一种计算含压电层复合材料结构广义应力的线性方程组方法,为广义应力边界条件的引入提供了条件,且保证了相邻单元同一节点上应力的连续性,为高精度的数值结果奠定了理论基础。数值结果表明,线性方程组方法得到的广义应力结果的精度高于高斯点应力外推法(Gauss-point Stress Extrapolation Method,GSEM)。

热处理温度对TbFe_2/Fe交换耦合磁致伸缩多层膜的影响

采用直流磁控溅射在20mm×5mm×240μm抛光单晶硅片上制备了TbFe2/Fe磁致伸缩多层膜,主要研究了热处理温度对TbFe2/Fe磁致伸缩多层膜磁致伸缩系数的影响。采用量热分析法(DSC)、XPS以及光杠杆测试法对TbFe2/Fe磁致伸缩多层膜的晶化曲线、成分随深度的变化以及磁致伸缩系数进行了分析与测试。结果表明:TbFe2薄膜的起始晶化温度为327℃,晶化温度为372℃;TbFe2/Fe磁致伸缩多层膜的最佳热处理温度为327℃,在此热处理温度下热处理60min,外加磁场1.6×104A/m时,TbFe2/Fe磁致伸缩多层膜磁致伸缩系数可达1.56×10-4。采用XPS分析了一个周期的TbFe2/Fe成分随薄膜深度的变化,未经热处理的薄膜Fe层和TbFe2层之间界面清晰,两层之间有少量的扩散。经327℃热处理60min的薄膜Fe层和TbFe2层界面发生了互扩散,原子数之比也发生了改变。

磁致伸缩铺层阻尼板壳结构的振动分析

通过理论分析讨论了含磁致伸缩材料和黏弹性材料铺层的层合板壳结构的频率和损失因子。假设黏弹性层仅发生剪切变形,对磁致伸缩层应用偏置磁场下的线性本构,推导得到由磁致伸缩层、黏弹性层、复合材料基本层组成的约束阻尼薄壳结构的运动方程,并求得结构振动频率和损失因子的解。对板、曲板等算例的计算结果表明,用磁致伸缩材料作约束层可使层合结构损失因子提高。

层合结构压电器件的机电耦合响应

压电传感器和致动器都可以看成是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,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。最后,通过比较解析解、实验值以及有限元计算结果,发现它们吻合得很好。

基于zig-zag假设的压电阻尼层合结构机电耦合建模与分析

基于zig-zag板壳假设和哈密顿原理建立了压电阻尼层合结构的机电耦合动力学有限元模型,实现了结构自然频率和损耗系数的准确计算。有限元模型采用八节点的七自由度(degrees of freedom,DOFs)四边形单元,且考虑阻尼层的复弹性模量。通过对文献算例的计算与仿真,验证建立的有限元模型的正确性。研究了材料增强角度、阻尼层厚度和结构曲率对压电阻尼层合结构频率和损耗系数的影响,为压电阻尼层合结构的减振及结构优化提供参考。

基于遗传算法和梯度算法压电层合结构的最优形状控制

基于压电层合结构的有限元方程,运用ANSYS/APDL语言,编制了力-电耦合有限元分析程序(MPFEMP).以该程序为计算基础,采用遗传算法和一阶梯度优化算法,以压电片尺寸为设计变量,以压电层合梁和板的预期位移或最小重量为目标函数,给定初始变量和适应度函数,通过循环迭代MPFEMP计算程序,研究了多点控制的压电层合梁板结构的形状最优控制.结论对比分析证明了两种优化方法分析压电层合结构的有效性,同时,对复杂多层智能结构的最优形状控制和主动控制研究具有一定的参考价值.

压电压磁三明治结构小样品的磁电耦合效应

研究了PMN-PT/Terfenol-D/PMN-PT三明治结构复合材料中的磁电耦合效应。通过电诱导磁测试系统得到该3层结构的电诱导磁转化系数,在电-机械谐振频率225 kHz时为6.94×10-7s/m,是个较大的转化系数。磁电压的相位在谐振频率附近增加了0.75π~π,且样品与磁场中的方向也对电场诱导磁输出的贡献不同。

考虑胶层影响的压电陶瓷层合结构变形模型

针对压电层合结构中胶层厚度不可忽略的情况,根据层合结构各层的正应变分布,研究了压电层合结构中压电层与基底层中的正应变与胶层内部剪应变的数学关系,再根据剪应力与剪应变的关系,建立了考虑胶层情况下压电层与基底层界面上的剪应力、剪应变分布模型,得到压电层与基底层间界面上的应力、应变分布规律。并基于该模型研究了压电层合结构的几何参数与材料物性参数对应力、应变分布的影响。最后结合压电层合结构在电载荷下的变形模型,通过与实验结果对比,验证了考虑胶层影响模型的正确性。

压电智能层合结构噪声主动控制的实验研究

根据噪声主动控制原理 ,建立了压电智能层合结构噪声主动控制模型 ,在隔声箱内部激励分别单频、多频情况下 ,进行了噪声控制实验研究。研究表明 ,在 5 0～ 4 5 0 Hz的频段内取得了良好的降噪效果 ,其中在 80 Hz的最大降噪达到 2 6 .4 d B。

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d2 11和d2 2 2 。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d2 2 2 参数的理论值和没有考虑d2 2 2 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d2 2 2

压电弹性层合梁-板结构中SH波的传播

建立了压电层合梁-板结构的压电-弹性动力学基本方程式,在给定压电层合梁-板结构形式和波传播方向的情况下,对基本方程式进行了简化;利用连续性条件和边界条件,建立了波传播的特征方程式,并对波动方程式进行求解;得到了前三阶频散关系曲线。通过实例数值计算,讨论了弹性层、压电层的厚度比与频散关系的影响,得出了SH波在压电层合梁-板结构中传播的基本特性。

压电材料机电耦合参数测试试件的优化设计

在压电材料机电耦合参数e_(31)的测量中,测试试件的好坏对测试结果有非常重要的影响,因此需要建立精确模型,准确预测压电试件的性能。为了分析试件结构对e_(31)测量结果的影响,基于经典压电理论建立了压电层合梁理论模型,应用最小势能原理推导了控制方程和边界条件,计算得到了控制方程的一般解。将计算结果与现有实验数据进行对比,证明了该理论模型的准确性和有效性。通过对压电试件不同结构参数下的测试结果发现,e_(31)的测量精度与弯曲挠度成正比。在压电试件关键参数长、宽、厚中,试件的宽度对挠度的影响最小,因此可忽略宽度对e_(31)的测量精度。试件长度与挠度成正比,故为了提高测量精度,应延长压电梁的长度。厚度对压电参数e_(31)有着显著影响,当弹性层厚度比压电层厚度大100倍时,在e_(31)测量中可以忽略压电层对梁弯曲的影响。

压电类智能层合结构的力学和计算模型综述

综述了压电类智能层合结构的力学和计算模型。基于大量国内外有关压电类智能层合结构的文献 ,根据各自采用的运动学假设、场变量的近似、压电层的表达法以及曲率和温度的影响 ,对压电层合结构的力学和计算模型进行了分类 ,阐述了各种理论的特点及一般形式。

压磁压电层合复合材料圆柱壳表面局部分层屈曲

基于复合材料层合壳理论,利用压磁压电纤维材料的本构关系,考虑在温度和电场、磁场作用下,推导含压磁压电材料的局部非对称分层子层壳的总势能及屈曲控制方程.分析子层屈曲时,考虑了面内横向位移.通过对不同铺层形式的计算,给出了温度、电场、磁场荷载作用下,压磁压电复合材料层壳的几何参数、物理参数对任意方向椭圆形的局部分层屈曲临界应变值的影响规律.

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 .

层合机敏结构的变形传递和层间应力分析

建立了一种承受弯矩及正应力加载下结构材料与压电陶瓷传感 执行器的应力应变传递关系模型 ,获得了位移、应力、应变等场量方程。模拟了压电陶瓷作为传感器时结构的变形传递及作为执行器时的应力分布和变形传递 ,并与实验和有限元分析结果进行了比较。结果显示 :模型得出的理论值与试验和有限元结果较为接近 ;当本体材料两面贴压电陶瓷并加同向电压 (即只受纵向载荷作用 ) ,本模型与已有的一些模型模拟结果近似 ,但此模型能同时分析承受弯曲加载的智能结构情况 ;压电陶瓷作为执行器时 ,层间正应力和层间剪应力在中间都比较平缓 ,到接近边缘处有一应力集中 ,实际制作时应加强此处粘接强度 。

压电弹性层合梁在电场作用下的二维解析解

由压电弹性介质的二维本构关系 ,通过假设电势分布和利用应力边界条件 ,得到其应力函数 .由此假设弹性体的应力函数 ,利用几何方程分别得到弹性和压电体的位移 ,最后利用应力边界条件、应力和位移连续条件以及位移边界条件 ,推导出一端固支带压电层的弹性梁在电场作用下的位移、应力分布的解析表达式 。

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。

压电层合板高阶计算模型

压电复合(层合)结构可应用于结构振动控制、形状保持、健康监测等,建立压电层合结构精确的机电耦合计算模型成为了研究的焦点。针对表面粘贴或内部嵌入压电片的压电层合板结构,基于高阶位移场和高阶电势模型,根据Ham ilton原理建立了机电耦合高阶有限元模型。该模型适用于薄板和中厚板,并且能够捕捉压电层内沿厚度方向呈抛物线型分布的诱导电势。以压电双晶片简支板为例,进行了作动器构型和开环、闭环状态传感器构型的数值分析。结果指出,诱导电势对压电传感器有重要影响,而压电作动器可忽略这种电势。

层状磁电复合材料的研究进展

介绍了层状磁电复合材料的特点和研究进展,阐述了层状磁电复合材料的理论,并在此基础上探讨了磁电材料的发展趋势。