压电层合板热屈曲问题的精确分析

本文在作者们以前工作的基础上导出了热压电介弹性稳定性问题的控制微分方程，提出了热压电层合板热屈曲问题的数学和学解法。由于最后所得特征值问题的复杂性，热屈曲临界必须数值求解。文中对不同压电材非压电材料层构成的层合板作了具体计算，考虑了压电性对屈曲温度的影响。     

含多个分层复合材料层合板后屈曲性态研究

基于Mindlin假定下的大变形板／壳理论，采用参考面单元和虚拟杆单元相结合的非线性有限元方法，建立了分析含多个穿透分层损伤层合板后屈曲行为的有限元计算模型，并给出了考虑接触后非线性屈曲方程的迭代算法，从而研究考虑层间接触效应的多分层层合板的后屈曲性态。文中着重讨论了分层的深度、数目和尺寸对含多分层合板后屈曲性态的影响。大量数值分析结果证明了该模型的有效性，并且得到了一些对层合板结构设计和对含分层损伤层合板评估有益的结论。     

低速冲击下压电层合板的非线性动力响应与疲劳损伤寿命分析

基于损伤力学,考虑压电效应、几何非线性和损伤演化的影响,建立了集中载荷作用下压电层合板的非线性运动微分方程,考虑撞击物与压电层合板之间的弹性接触效应,确定了层合板所承受的冲击力.对此非线性动力问题,采用有限差分法进行求解,且引入损伤层合板单元模型,采用有限元方法模拟了冲击荷载作用下压电层合板的损伤演化.算例中,讨论了撞击物的冲击速度、压电材料以及损伤对压电层合板非线性动力响应的影响,以及周期冲击荷载下冲击速度和压电材料对压电层合板疲劳损伤寿命的影响.     

压电层合板柱形屈曲

导出了压电介质弹性稳定性问题的控制微分方程，提出了压电层合板柱形屈曲的数学弹性力学解法．由于最后所得特征值问题的复杂性，屈曲临界载荷必须数值求解．文中对不同压电材料的双层极作了具体计算，考查了压电性对屈曲载荷的影响．     

埋入压电元件的自适应层合板形状控制的数值分析

把压电元件埋入复合材料层合板中，层合板就变成压电自适应层合板，它除了具有承载能力外，还具有检测、动作、变形等功能。本文用有限元法对压电自适应层合板进行了分析，压电元件的驱动效应被等效为力学载荷。计算过程因此得到了简化，所得算例１的计算结果得到了实验结果的验证。在此基础上，利用非线性规划方法，对结构形状的最优控制进行了分析，并给出了算例２的分析结果。     

具损伤压电智能层合板的动力分析

基于应变能等效原理、高阶剪切变形理论和Hamilton变分原理,考虑复合材料铺设层内的损伤效应,建立了具损伤压电智能层合板的运动控制方程,并运用Galerkin方法进行求解.数值算例中,讨论了损伤效应、厚跨比及压电层厚度与层合板总厚度之比对四边简支压电智能层合板自由振动频率的影响和外部控制电压对其动力响应的影响.     

薄膜-基体型磁致伸缩微致动器的数值模拟

磁致伸缩薄膜是一种性能优异的微驱动元件。本文针对磁致伸缩薄膜一基体结构中薄膜磁致伸缩系数与层合结构变形之间关系的问题，从经典层合板理论的角度导出了其基本方程，并在此基础上对基体远厚于薄膜的情形采用非层合板理论进行了简化。通过比较非层合板理论和层合板理论下的薄膜一基体结构变形的有限元结果，讨论了有关几何参数和物理参数的影响，给出了用非层合板理论近似处理薄膜一基体型磁致伸缩微致动器的适用条件。     

铁电薄膜在红外辐射作用下的动力响应

本文研究了红外探测器中红外焦平面列阵的象元———铁电薄膜微桥在红外辐射作用下的输出信号。用层合板壳作为微桥结构的力学模型,中间一层为压电材料,上下两层为金属材料电极。采用了力-电-热耦合的控制方程和变分原理,考虑了铁电薄膜的惯性力,推导出了基于Mindlin假设的压电材料层合板有限元公式。以红外探测器在夜间从飞机上探测地面的坦克为例,用有限单元法模拟了铁电薄膜微桥在红外辐射作用下的力、热、电输出信号,并对结果作了分析比较。     

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。     

铁电薄膜在红外辐射作用下的响应

研究了红外探测器中红外焦平面列阵的象元———铁电薄膜微桥在红外辐射作用下的输出信号。用层合板壳作为微桥结构的力学模型,中间一层为压电材料,上下两层为金属材料电极。采用了力-热-电耦合的控制方程和变分原理,推导出了基于Mindlin假设的压电材料层合板有限元公式。以红外探测器在夜间从飞机上探测地面的坦克为例,用有限单元法模拟了铁电薄膜微桥在红外辐射作用下的力、热、电输出信号,并对结果作了分析比较。     

Generalized layerwise mechanics for the static and modal response of delaminated composite beams with active piezoelectric sensors

A coupled linear layerwise laminate theory and a beam FE are formulated for analyzing delaminated composite beams with piezoactuators and sensors. The model assumes zig-zag fields for the axial displacements and the electric potential and it treats the discontinuities in the displacement fields due to the delaminations as additional degrees of freedom. The formulation naturally includes the excitation of piezoelectric actuators, their interactions with the composite laminate, and the effect of delamination on the predicted sensory voltage. The quasistatic and modal response of laminated composite Gr/Epoxy beams with active or sensory layers having various delamination sizes is predicted. The numerical results illustrate the strong effect of delamination on the sensor voltage, on through the thickness displacement and on the stress fields. Finally, the effect of delamination on modal frequencies and shapes are predicted and compared with previously obtained experimental results.     

A coupled electromechanical analysis of a piezoelectric layer bonded to an elastic substrate: Part II,numerical solution and applications

This two-part contribution presents a novel and efficient method to analyze the two-dimensional (2-D) electromechanical fields of a piezoelectric layer bonded to an elastic substrate, which takes into account the fully coupled electric and mechanical behaviors. In Part I, we have obtained a system of governing integro-differential equations for the structure via a variational principle. This part presents a numerical solution algorithm of the integro-differential equations and the numerical results of some applications. A numerical algorithm for solving the system of four integro-differential equations with strongly singular kernels is developed. The convergence of the numerical algorithm is discussed. The numerical results suggest that the fully coupled electromechanical analysis is helpful for a better understanding of the performance of the piezoelectric sensor and actuator. The interfacial normal stress is much higher than the interfacial shear stress, suggesting that the interfacial normal stress causes a delamination initiation.     

挠性自适应结构振动控制的分析与实验研究

采用自适应结构的原理和方法,对压电元件用于挠性结构振动控制的一些问题进行了探讨。对压电驱动器与结构的匹配关系进行了理论分析,对模态传感/驱动器在挠性悬臂板结构中的布置方案进行了优化设计,并进行了结构的振动控制实验,从而验证了方法的有效性     

压电层合圆板传感器的非线性静力耦合分析

本文基于von Karman薄板非线性理论，压电基本方程和经典层合板理论，对上，下表面粘有压电传感膜层的圆薄板压力传感器的力-电耦合特性进行了定理分析。首先，针对压电层合圆板传感器件建立了考虑几何非线性变形的力-意耦合模型。给出了压电薄膜层感应电量的计算公式；然后，采用级数解法进行了求解，得到了非线性静力耦合问题的幂级数精确解，给出了传感器静态测量过程中所关心的压力-电量特征曲线和中心挠度，电量特征曲线；同时，定量讨论了压电二次效应对感应电量和层合结构中心挠度的影响。通过所得结果，在压电式压力传感器设计中，为采用电信号直接输出有关结构的变形和外界载荷等待测参量提供了依据。     

Finite element formulation for dynamics of delaminated composite beams with piezoelectric actuators

As a part of an effort to develop a model-supported method for detection of delaminations in composite beams with the use of time responses to external excitations, a finite element formulation for dynamics of a composite beam with delamination and attached piezoelectric actuators is developed. In this formulation account is taken of transverse shear deformation and nonlinear through-thickness variation of the longitudinal displacement. Parameters that characterize the delamination are incorporated into the formulation that makes the finite element model convenient for use in conjunction with damage identification (not discussed in the present paper). Computational predictions of frequencies show good agreement with experimental results.     

压电体表面金属电极脱层的屈曲分析

基于弹性有限变形理论和电弹性体偏场理论,对半无限压电体及其表面电极层间存在穿透脱层的屈曲问题进行了分析. 采用平面应变模型,在脱层远处作用有平行于脱层的应变载荷. 使用Fourier积分变换,应用脱层界面的连续条件和电极表面的边界条件将问题归为第2类Cauchy型奇异积分方程组. 利用Gauss-Chebyshev积分公式将奇异积分方程组变为齐次线性代数方程组,以确定临界应变载荷. 通过数值算例,给出了底层为PZT-4材料、电极为金属Pt在不同的脱层长厚比时的临界应变载荷和屈曲形状,分析了压电体的压电、介电效应对屈曲载荷的影响. 另外给出了脱层屈曲时,脱层尖端奇异性振荡因子随不同脱层长厚比的关系曲线.      

界面特性对功能梯度智能梁静动态响应的影响研究

采用状态空间法分析了两边简支的含压电夹层的功能梯度梁的静力弯曲和自由振动问题．为了考虑中间压电层与上、下功能梯度层之间的粘结效果,采用线性弹簧模型以模拟界面性能．假设上下功能梯度层的材料参数沿厚度连续变化,而压电层则是均匀材料,并且它们都是正交各向异性的．由于功能梯度梁的不均匀性使得直接求解比较困难,文中用层合模型来进行近似．数值算例中,分别考虑了压电层用于传感器或作动器的情形,分析了粘结界面完美程度对组合梁静力弯曲和自由振动频率的影响．     

有限厚压电层表面金属电极脱层的屈曲研究

基于弹性有限变形理论和压电弹性体偏场理论,对上、下表面有金属电极的压电材料板内存在穿透脱层的屈曲问题进行了分析.采用平面应变模型,远处作用有均匀压应变载荷.用Fourier积分变换,界面连续条件和上、下电极表面的边界条件将问题归为第二类Cauchy型奇异积分方程组.利用Gauss-Chebyshev积分公式将该方程组变为一齐次线性代数方程组,以确定脱层屈曲载荷.算例给出了中间层为PZT-4,上、下电极为Pt的结构在不同脱层长厚比时的临界应变及相应屈曲形状.同时分析了压电层的机电耦合效应对临界应变的影响.     

智能板振动控制的分布压电单元法

提出了一个用于振动控制的分布压电单元法，该方法中采用将分布压电传感器和致动器分割成若干相互独立的单元的方法，来设计压电模态传感器与压电模态致动器．压电模态传感器所观测的模态坐标和模态速度，可从各传感单元的输出电荷及电流中提取出来；而压电模态致动器则通过调制施加于其上的电压的空间分布来实现．在此基础上对智能板进行了模态控制     

Nonlinear active control of damaged piezoelectric smart laminated plates and damage detection

Considering mass and stiffness of piezoelectric layers and damage effects of composite layers, nonlinear dynamic equations of damaged piezoelectric smart laminated plates are derived. The derivation is based on the Hamilton＇s principle, the higher- order shear deformation plate theory, von Karman type geometrically nonlinear straindisplacement relations, and the strain energy equivalence theory. A negative velocity feedback control algorithm coupling the direct and converse piezoelectric effects is used to realize the active control and damage detection with a closed control loop. Simply supported rectangular laminated plates with immovable edges are used in numerical computation. Influence of the piezoelectric layers＇ location on the vibration control is in- vestigated. In addition, effects of the degree and location of damage on the sensor output voltage are discussed. A method for damage detection is introduced.