压电复合材料层板弱界面的四种力电热物理模型

基于对压电复合材料层合结构弱界面弹性场、电场、温度场的宏观和细观尺度分析, 构建了四种界面力-电-热模型, 分别为非耦合型、耦合型和混合型。依据这些界面模型, 得到了柱面弯曲简支压电复合材料层板的力-电-热多场耦合解。结果表明, 损伤界面的多场耦合物理描述介于宏观和细观尺度之间, 需要多尺度考虑, 且基于不同尺度的描述也可获得相似的规律。在热载和力载下, 不同的界面模型对弹性场影响趋同、差异甚小, 而对电场和温度场, 四种模型的影响各异、但规律相似; 在电载作用下, 不同的界面模型无论对弹性场还是电场, 都有显著的影响。     

界面过渡层对磁-电-弹性层合板多场耦合特征的影响

针对两种不同形式(压电-铁磁-压电,铁磁-压电-铁磁)的磁电层状复合材料,研究了热场环境下磁电层状复合材料的力、热、电以及磁的多场耦合特征,给出了磁电层状复合结构的位移、应力、电势以及磁势的变化规律,探讨了界面过渡层厚度变化及其不同界面过渡方式对磁电复合材料的位移、应力、电势和磁势的影响。研究结果表明,界面过渡层对应力特征、电势和磁势的分布具有非常重要的影响,尤其对磁势的分布特征影响尤为明显,这些结果可为磁电层合材料的结构设计和可靠性分析提供参考和依据。     

圆环形截面压电纤维复合材料有效电弹性性能研究

研究含周期分布压电纤维的压电复合材料的有效电弹性性能。通过在材料代表性体积单元边界上施加位移和电势周期边界条件,利用有限元法求得了代表性体积单元内的电弹性场。由平均电弹性场和压电复合材料有效电弹性性能定义,预测了圆环形截面压电纤维复合材料的有效电弹性系数。通过算例,比较了相同压电材料体积分数下圆环形截面压电纤维复合材料与圆截面压电纤维复合材料有效电弹性性能的差异,讨论了圆环形截面压电纤维内部非压电填充物的力学性质对有效压电系数的影响。该文结论可为高灵敏度压电复合材料设计提供 参考。     

周期复合材料压电问题的双尺度数值模拟

利用渐近展开的方法对具有一般周期结构的复合材料中描述压电现象的电势与位移建立了二阶双尺度渐近展开式及边界层解, 得到了局部单胞内电场与位移场的相互耦合关系, 并给出了复合材料中电势与位移的双尺度结合边界层的有限元计算方法。数值算例表明了该方法的可行性与高效性。      

压电功能梯度层合梁的力-电-热耦合梁单元及最优振动控制

给出了一个压电功能梯度层合梁振动分析的两节点力-电-热耦合梁单元,并将其用于功能梯度层合梁的振动最优控制。在这个多场耦合梁单元中,功能梯度材料的等效力学性能用Voigt或Mori-Tanaka模型表征;梁的位移场用Shi改进的三阶剪切变形板理论描述;压电层的电势场用Layer-wise理论分层表征,且呈高阶非线性电势场的压电层可离散成数个子层。用Hamilton原理推导了压电功能梯度梁的力-电-热耦合单元列式,用拟协调元法给出了多场耦合梁单元的高计算效率的显式单元刚度矩阵,以及采用线性二次型(LQR)最优控制算法进行压电功能梯度层合梁的最优振动控制。使用所得力-电-热耦合梁单元进行了压电功能梯度层合梁的静力和动力分析。数值算例表明,所得力-电-热耦合梁单元可靠、准确和高效,LQR最优控制算法得到最优控制电压可有效抑制功能梯度梁的振动且实现控制系统能量的优化。     

压电层合结构力学模型评述

对于存在力场、电场和热场相互耦合的压电层合结构,建立合理的热机电耦合数学模型,是进行结构振动主动控制、形状控制和优化设计的基础.通过假设适当的位移、电势和温度分布模型,根据Hamilton原理或虚功原理导出系统动(静)力学模型是一种有效的建模方法.在推导压电层合结构热机电耦合基本方程的基础上,根据位移、电势和温度分布模型的不同假设,对各种近似力学模型进行评述,指出各种模型的优缺点.最后简单展望该领域今后的发展方向.     

含压电片复合材料层合板的高阶计算模型

给出了一种分析含任意内埋压电片复合材料层合板的高阶耦合模型, 板的位移场采用三阶剪切理论, 并提出了压电片中电势场在厚度方向的三次分布模式, 可以更精确地描述力、电耦合作用下电场的非均匀分布。在平面应力的假设下给出了简化的压电材料本构方程, 推导了基于该模型的压电层合板有限元计算公式, 并对双压电片梁的弯曲和层合板的变形控制进行了计算, 压电梁的弯曲计算结果与解析结果吻合良好, 表明本文的模型和公式是精确有效的。     

压电复合梁热机电耦合有限元模型

压电材料应用于航天结构形状或振动控制时,可能会受到热场、力场和电场的共同作用。为分析处于热场、力场和电场共同作用下的压电复合结构,文中基于高阶剪切变形理论、高阶电势模型和线性温度分布假设,利用虚功原理建立了压电复合梁结构的热-机-电耦合有限元模型。该模型可应用于热机电耦合压电复合结构的形状与振动控制研究。利用本文模型对压电双晶片梁、压电复合悬臂梁进行了数值仿真,仿真结果与文献给出的理论结果和实验值吻合良好,表明本文模型是正确有效的。     

剪切型压电层合圆柱壳的精确解

对剪切型压电层合圆柱壳在电场和机械力作用下的应力场、位移场和电势分布进行了分析。在每层的局部坐标系下对该层的应力场、位移场和电势进行傅立叶展开, 然后采用状态空间方法得到变系数的8 维一阶常微分方程组, 采用Frobenius 方法得到应力场、位移场和电势的解。数值算例显示了电场和机械力作用下, 壳体厚度对应力场和位移场分布的不同影响。得到的3 维精确解为其他剪切型压电弹性层合壳的壳体理论提供理论依据和验证。      

压电复合材料正交层板的精确理论

基于一个六自由度的位移场和电势场, 建立了压电复合材料层板的控制方程。在简支边界条件下, 得到了正交矩形压电复合材料层板的解析解。该理论是一个等效单层理论, 控制方程的变量仅六个, 且不随层数变化, 使解的数学过程简洁。在该理论中, 决定精度的位移分布函数和电势分布函数由三维应力和静电平衡方程的特解来确定, 使之满足压电层板界面连续条件与板面力及电条件。算例验证了本文中等效单层理论的高精度。     

Fracture of a piezoelectric material layer bonded by two elastic layers

A piezoelectric material layer bonded by two elastic layers under mechanical and electrical loads is studied. The piezoelectric material layer contains a central crack or two collinear cracks. Both mixed-mode crack and anti-plane crack are considered for the impermeable crack assumption and the permeable crack assumption. The effect of electric boundary conditions on electrical and mechanical field intensity factors are discussed. Some new observations are found.     

On the electrical boundary conditions on the crack surfaces in piezoelectric ceramics

This paper investigates a cracked piezoelectric ceramic under remote electro-mechanical loads. The ideal crack boundary conditions for electrically impermeable and permeable crack assumptions, and the deformed crack with a yet-to-be-determined crack shape are considered. The last is referred to as the “natural boundary condition (NBC)”. Closed-form solutions to the crack-tip field intensity factors are obtained. The analysis shows that traditional approaches to the electric boundary conditions on the crack faces, that is, either the impermeable crack assumption or the permeable crack assumption, produce significantly different results for the crack-tip quantities such as electric displacement intensity factor, energy release rate and crack opening displacement. There are also considerable differences between the results obtained from traditional impermeable and permeable crack analyses and those obtained from the proposed NBC. The difference increases with applied electric loads.     

Interlayer stress in laminate beam of piezoelectric and elastic materials

This paper studies interfacial mechanical behavior of laminate beams, consisting of two piezoelectric facial sheets and an elastic core. The study is based on coupled multi-filed finite element formulation. The emphasis is placed on mechanical and electric behavior of interfaces between piezoelectric material and elastic material, including effect of geometrical parameters, stress distribution and stress concentration near free edge of the beam subjected to coupling electric and mechanical loads. In particular, various parametric effect of laminate beam is explored and some conclusions are presented which may be useful for designing laminate beam and minimizing stress concentration at the free edges of the beam.     

层间弱粘贴复合材料层板的热弹性脱层

本文建立了一个层间弱粘贴复合材料层板热弹性脱层模型。该模型建立在两个描述层间弱粘贴的基本假设基础上。层间位移不连续由层间粘贴的物理关系来描述，表现为层间位移跳跃值与层间残余横向应力的关系；层间温度不连续由层间传热薄层来描述，并据此给出一个计算层间温度跳跃值的计算公式，表现为温度跳跃值与层间横向张开量之间的关系。在此假设基础上，根据平衡方程和静态传热方程导出了正交柱面弯曲层板热弹性脱层解。算例显示了层间弱粘贴对层板热弹性响应的影响。     

Exact three-dimensional piezothermoelasticity solution for dynamics of rectangular cross-ply hybrid plates featuring interlaminar bonding imperfections

An exact three-dimensional (3D) piezothermoelasticity solution is presented for static, free vibration and steady state harmonic response of simply supported cross-ply piezoelectric (hybrid) laminated rectangular plates with interlaminar bonding imperfections. The bonding imperfection is modeled by considering the jump in the displacements, electric potential and temperature across the non-rigid interface proportional, respectively, to the associated tractions, transverse electric displacement and heat flux. The solution includes the case when electric potentials are prescribed at the interfaces for effective actuation. Numerical results are presented for hybrid composite and sandwich plates with varying imperfection compliance. The effect of location of imperfect bonding on the response is investigated for mechanical, electric potential and thermal load cases. The effect of weak bonding at elastic–piezoelectric interface on the actuation authority of the piezoelectric layer is also investigated. These results would serve as benchmark for assessing 2D plate theories incorporating interlaminar bonding imperfections.     

压电压磁双层材料界面裂纹断裂特性进一步分析

该文利用积分变换和奇异积分方程技术研究压电压磁双材料界面裂纹在磁导、电位移和机械载荷作用下的二维断裂问题。本文仅考虑四种理想的裂纹面电磁边界条件即磁电不导通(情形1)、磁导通电不导通(情形2)、磁不导通电导通(情形3)和磁电导通(情形4)。导出了应力强度因子(SIF)和能量释放率(ERR)的表达式,给出了ERR的大量数值结果,并与已有结果进行了对比。研究成果对压电压磁多层复合结构的设计具有理论与应用价值。