功能材料力-电耦合问题的几个基本解——(Ⅱ)悬臂梁梁端受轴向集中力作用

本文是本系列工作的第二部分,研究了功能材料悬臂梁梁端受轴向集中力作用的情况。采用半逆解法,分别求解了无体力悬臂梁、常体力悬臂梁以及密度梯度悬臂梁中的力-电耦合问题,并进行了讨论。      

功能材料力-电耦合问题的几个基本解——(Ⅲ)悬臂梁梁端受横向集中力

本文是本系列工作的第三部分,研究了功能材料悬臂梁梁端受横向集中力作用的情况。采用半逆解法,分别求解了无体力悬臂梁、常体力悬臂梁以及密度梯度悬臂梁中的力-电耦合问题,并进行了讨论。     

梯度功能压电悬臂梁的几个解析解

研究了密度梯度功能压电悬臂梁在轴向和横向均布荷载以及外加直流电压分别作用下的解析解。首先求得了悬臂梁在体积力呈非线性变化时相应问题的应力函数φ和电位移函数Ψ,进而求得梁中弹性场和电场的解析解。作为特例,同时还得到了常体力和无体力情况下悬臂梁的解答,并进行了讨论。     

各向异性材料平面问题基本解析解的特征方程解法

该文提出了一种利用特征方程解法构造基本解析解的新方法,并将其应用到各向异性材料平面问题,成功构造了完备且独立的系列基本解析解.构造各向异性材料平面问题控制微分方程的算子矩阵,通过其行列式计算可得到问题特征通解所需满足的特征方程,将所求得特征通解代入到微分方程算子矩阵所对应的伴随矩阵,可推导得出各向异性材料平面问题的基本解析解.根据基本解析解独立性的论证,可得到系列独立且完备各向异性材料平面问题基本解析解.利用特征方程解法求解基本解析解思路简单、并且容易找到独立且完备的解析解,其结果可以成为相关数值计算方法的基础.     

基于ANSYS的不同截面悬臂梁结构有限元分析

实际工程中悬臂梁结构应用普遍。对悬臂梁结构受集中荷载工况,利用ANSYS12.0(通用有限元软件)进行计算,并经分析对比该结构在横断面面积不变的情况之下,宽高比与其受力变形的关系,以及不同类型截面与结构承载的关系。得到"工"型截面较矩形截面梁具有更高的强度和刚度(两者断面面积等同)。同时通过理论解与有限元解对比,以验证有限元解的精度。此研究对实际工程设计与材料选型具有一定参考。     

SMA纤维混杂复合材料箱型薄壁悬臂梁的固有频率

研究SMA纤维驱动下的复合材料箱型薄壁悬臂梁的固有振动频率特性。根据作者提出的SMA主动纤维复合材料箱型悬臂梁的横截面二维分析模型,采用Hamilton原理导出具有拉伸-扭转-弯曲变形耦合的梁的自由振动偏微分方程组。由上述一般的弹性耦合振动方程出发,讨论周向均匀刚度配置以及周向反对称刚度配置等特殊情形,并且给出拉伸-扭转耦合、弯曲-扭转耦合固有振动频率的精确解。通过数值计算,分析了SMA纤维在激活状态下对复合材料箱型薄壁悬臂梁固有频率的影响机理。     

考虑压力追随效应的充气悬臂梁挠度计算模型与实验设计

针对以往研究只考虑充气内压的预应力效应,且存在褶皱判据定义不科学的问题,该文依据薄膜材料褶皱的基本理论,采用＂最小主应力为零＂作为薄膜褶皱判据,以承受端部集中载荷而弯曲的充气悬臂梁为研究对象,基于Euler-Bernoulli梁模型,加入了压力追随效应修正,推导了充气悬臂梁挠度计算的基本方程,并给出了可行的求解方法及计...     

S型悬臂梁柔度性能的计算与分析

基于线弹性和小变形假设理论,以卡氏第二定理为理论基础,推导了S型悬臂梁x向、y向和z向柔度的解析计算公式,利用有限元方法对柔度解析式进行校验。通过定义柔度比函数,比较了倒角S型悬臂梁、直梁S型悬臂梁和圆弧S型悬臂梁的柔度性能。结果表明:S型悬臂梁各柔度计算公式的相对误差均在10%以内,理论分析与仿真结果基本吻合,验证了S型悬臂梁各柔度解析式的正确性。当倒角S型悬臂的γ=0.2时,圆弧S型悬臂梁的x向和z向柔度最大,直梁S型悬臂梁的y向柔度最大。当α=18,β=6时,直梁S型悬臂梁的y向柔度最大,圆弧S型悬臂梁的z向柔度最大;倒角S型悬臂的参数0.2≤γ≤2.2时,圆弧S型悬臂梁的x向柔度最大;倒角S型悬臂的参数γ>2.2时,倒角S型悬臂梁的x向柔度最大。本文的研究内容为S型悬臂梁的工程设计和应用提供了理论基础。     

悬臂梁易损部件在矩形加速度脉冲激励下的动力学响应与有限元分析

为分析悬臂梁易损部件在矩形脉冲激励下的振动响应,推导出悬臂梁在悬臂端处动态应力的近似解析解,得到最大应力与矩形脉冲峰值之间的关系,分析结果表明：在速度变化量一定时,最大应力随加速度脉冲幅值的增加而增加,但会无限逼近极限值。最后建立了易损件-质量主体在矩形脉冲激励下的有限元模型,并与解析解进行了对比,发现运用2阶振动模态即可得到精确的悬臂梁的应力响应,所取得的研究成果为具有悬臂梁式易损件在蜂窝纸板缓冲作用下的防护提供理论基础。     

高量程MEMS加速度计灌封后的动态响应

对双悬臂梁高量程MEMS加速度传感器的封装结构进行了1×105g峰值的半正弦加速度冲击载荷下的有限元响应分析。灌封胶弹性模量的变化对加速度计的输出信号(输出电压、悬臂梁的挠度)的影响可以忽略。输出电压曲线的峰值与解析解接近。加速度计的悬臂梁表现为有阻尼下的受迫振动,并表现出悬臂梁的固有频率特性。输出信号的峰值与加速度载荷的峰值均呈很好的线性关系。灌封胶的弹性模量大于4GPa时胶已经足够硬,适宜用于保护芯片。     

变截面压电层合梁自由振动分析

考虑压电材料的质量效应和刚度效应,将表面粘贴或埋入式压电悬臂梁看作变截面梁,研究压电材料对智能结构固有特性的影响。基于一阶剪切变形理论导出压电层合梁的抗弯刚度和横向剪切刚度,计及梁的剪切变形和转动惯量,采用Timoshenko理论推导变截面压电层合梁的频率方程。给出了T300/970压电层合梁和硬铝压电层合梁的前3阶固有频率,并和有限元结果、等截面梁的计算结果进行比较。计算表明,压电材料对压电结构固有频率和固有振型的影响显著,在以振动控制为目标的压电结构动力学建模过程中,有必要考虑压电材料的质量和刚度。     

Finite dynamic deformations of smart structures

We study transient finite deformations of a neoHookean beam or plate with piezoelectric (PZT) patches bonded to its upper and lower surfaces. The constitutive relations for the PZTs are taken to be linear in the Green-Lagrange strain tensor but quadratic in the driving voltage. A finite element code using 8-noded brick elements has been developed and validated by comparing computed results with either analytical solutions or experimental observations. For flexural waves propagating through a cantilever beam, the sensor output is influenced a little by the presence of a defect placed symmetrically about the centroidal axis. A simple feedback control algorithm is shown to control the motion of a neoHookean plate subjected to an impulsive load.     

Analytical solution of a cantilever functionally graded beam

The problem of a cantilever functionally graded beam subjected to different loads is studied. In terms of Airy stress function a general two-dimensional solution is presented for a cantilever functionally graded beam, assuming that all the elastic moduli of the material have the same variations along the beam-thickness direction. Explicit expressions of analytical solutions to some specific examples under different boundary conditions are obtained to demonstrate the usefulness of the proposed general solution technique. This solution will be useful in analyzing functionally graded beam with arbitrary variations of material properties and it can serve as a basis for establishing simplified functionally graded beam theories.     

基于光控压电混合驱动悬臂梁独立模态控制

本文提出利用镧改性锆钛酸铅（PLZT）的光电效应,将PLZT作为电动势源来驱动压电作动器,从而实现光控板壳结构的振动控制。基于光控压电等效电学模型建立了光控压电混合驱动的数学模型,并进行了实验验证。为了实现光控悬臂梁的独立模态控制,针对悬臂梁结构,设计了正交模态传感器/作动器表面电极形状函数。提出PLZT与压电作动器正/反接控制的激励策略,并结合速度反馈定光强控制的控制算法,利用Newmark-β法对不同光照强度下悬臂梁的动态响应进行了数值仿真分析。分析结果证明了本文所设计的模态传感器/作动器及针对光控压电混合驱动提出的控制策略的正确性。     

压电陶瓷片迟滞补偿建模及悬臂梁主动控制研究

为增强压电悬臂梁振动控制效果,提出一种基于最小二乘法的逆迟滞补偿控制算法。在不同电压下对压电陶瓷片位移进行实测,应用最小二乘法对其迟滞环进行多项式拟合建模,并利用压电片逆迟滞补偿模型对控制电压进行补偿。通过悬臂梁振动主动控制试验系统研究PID控制器在有、无逆迟滞补偿时的控制效果。结果表明:经过PID逆迟滞补偿后的主动控制效果比传统PID提高10.083%。因此,该逆迟滞补偿方法能够有效增强压电陶瓷片的主动控制效果,对于压电悬臂梁振动主动控制具有重要参考价值。     

特征模型自适应控制方法在悬臂梁振动主动控制中的应用

特征建模理论和方法是对现有控制理论关于对象建模理论的一个发展,为高阶、参数未知对象进行低阶控制器、自适应控制器和智能控制器的设计提供了理论依据,为工程设计带来极大的方便。基于特征模型的自适应方法与常用的间接自适应方法相比,待辨识的参数更少,控制器算法更简单。由于基于特征模型的自适应方法是一种很新的方法,在实际系统中的应用还比较少,因此有必要通过在实际系统的应用来验证该方法的有效性并不断改进和完善该方法。为此,利用压电智能结构作为挠性悬臂梁的敏感器和致动器,采用特征模型自适应控制方法对挠性悬臂梁的振动进行主动控制,并比较研究了特征模型自适应控制算法和正位置反馈（PPF）控制算法的物理仿真结果,通过物理仿真验证了特征模型自适应控制器抑制梁弯曲振动的有效性。     

碰撞式微型压电风能采集器实验研究(英文)

为提高基于风致振动机理的微型风能采集器在低风速下的输出功率,设计了一种新型的碰撞式微型压电风能采集器.采集器主要由圆柱形钝体、铰接分隔板、压电悬臂梁和支架组成.通过铰接分隔板和压电悬臂梁的碰撞有效降低了采集器的工作风速.加工制作了采集器的原理样机并在小型风洞内进行了实验测量.通过实验发现分隔板与压电片横向间距对采集器的工作风速和输出功率有很大的影响.压电悬臂梁自由端添加质量块可以提高输出功率.风速15 m/s、外接200 kΩ优化负载时,采集器最大输出功率为64μW.