压电纤维复合材料层合壳的非线性动力学研究

本文对横向激励作用下的1-3型压电纤维复合材料层合壳进行了非线性动力学分析,并研究了压电特性对结构振动响应的影响.首先建立了压电纤维复合材料层合壳的非线性动力学方程,并且在已知的几何结构和材料特性基础上考虑了电场属性.然后根据位移边界条件,选择合适的振型函数,通过Galerkin方法将运动控制方程转化成两自由度的非线性常微分方程.通过数值模拟方法分析了横向激励和压电系数对压电纤维复合材料层合壳非线性振动特性的影响.通过波形图、三维相图、庞加莱图和分叉图等来研究壳体不同类型的周期和混沌运动.结果表明,外激励作用下结构存在复杂的非线性振动响应,同时压电参数对层合壳结构振动响应具有很强的调节作用.     

背衬对隔声去耦瓦吸声性能的影响

基于传递矩阵法,建立了不同背衬情况下的水下隔声去耦吸声覆盖层模型,讨论了软背衬、硬背衬、单层壳体背衬和双层壳体背衬条件下隔声去耦瓦的吸声性能。结果表明:双层壳体背衬条件下吸声系数曲线存在明显的调制现象,且壳间水层增厚,吸声峰值向低频移动,峰增多、变密,峰值有所减小,而外层壳板厚度变化对吸声系数影响不大;单层壳背衬条件下,钢板的厚度越大,第一吸声峰值向低频移动,且峰值变小;当钢板的厚度达到一定的厚度时,其吸声系数曲线逐渐与刚性背衬下隔声去耦瓦的吸声曲线接近。     

基于LTCC技术的多层压电汽车扬声器的研究

为了提高压电汽车扬声器的低频性能，本文采用软性PZT压电陶瓷膜片，利用多层陶瓷结构，设计了三种不同层数的压电陶瓷芯片，并利用LTCC技术制作了多层压电汽车扬声器。通过对压电陶瓷电性能的测试，表明压电常数可达650x10^-12C/N；并对不同层数压电汽车扬声器的声频特性进行了测量，表明在频率为360Hz时，5层压电汽车扬声器声强较大，最大声强可达106dB。     

杯形陀螺压电片粘结胶层对谐振子振动特性的影响规律研究

针对杯形陀螺上压电陶瓷的粘胶问题,本文建立了基底一胶层一压电片层压板有限元模型,通过Ansys软件对模型进行仿真和分析,并对分析结果进行实验验证.重点研究了粘胶层厚度、材料特性、以及胶层中有缺陷等因素对谐振子的Q值、输出增益、频率裂解的影响.结果表明:粘胶层对谐振子的谐振频率影响不大,减小胶层厚度、保证胶层弹性模量在一...     

背衬对埋入混凝土中压电陶瓷电-声特性的影响

传统超声脉冲法不能对混凝土质量进行实时健康监测,将压电陶瓷埋入混凝土中构成的压电埋入式混凝土机敏模块能够进行混凝土结构的在线监测,但由于压电陶瓷在埋入混凝土后其电-声性能受到较大影响,能够激励的声信号能量弱、信噪比低,很难应用于噪声干扰强、待检测结构厚的场合。针对这一问题,提出了通过在埋入混凝土中的压电陶瓷上层合金属背衬的方法,提高声能的利用率和指向性。分析了在不同背衬厚度和不同激励频率条件下接收信号的时、频域特征。结果表明,经过层合金属背衬处理后的超声信号的能量提高了2～6倍,且这种方法并没有影响超声检测信号的波形及频率成分,具有较高的可行性。     

压电换能器瞬态接收特性的有限元模拟研究

接收信号在压电换能器压电层中的多次反射及波形转换对超声检测的灵敏度和分辨率有重要影响,如何优化阻尼结构与材料参数是提高压电换能器接收性能的关键之一。本文用ANSYS有限元软件中的力-电耦合瞬态模拟方法,研究了压电直探头中阻尼结构的几何尺寸及声阻抗对其瞬态响应的影响,得到了压电换能器中不同时刻的弹性波场、电场分布以及输出电压响应曲线,揭示了换能器瞬态响应产生的多次反射波对其检测灵敏度和分辨率的影响。研究结果表明：通过改进的阻尼结构与材料参数对消减接收信号的多次反射,缩短余振时间具有明显的作用,也可以大大降低换能器的研发周期和成本。     

基于分层模型的复合材料耦合Lamb波频率—波数域特性研究

针对复合材料层合板中耦合Lamb波的传播问题,基于分层模型提出解析建模与有限元数值模拟相结合的方法对其进行预测和评估。利用Legendre正交多项式展开法推导多层各向异性复合材料层合板中耦合Lamb波的控制方程,并对频率-波数域频散特性曲线实现数值求解。基于平面壳单元构建复合材料层合板的有限元模型,采用波结构加载法生成单一Lamb波基本模态,设计复合材料层合板的不同纤维取向、边界和界面约束条件,并经二维傅里叶变换获得有限元模拟数据的频率-波数域频散特性曲线。通过对比验证,结果表明两种方法均有较好的吻合性。     

磁致/压电/磁致层合材料磁电响应分析

对沿长度方向振动(LT模式)的磁致/压电/磁致(MPM)层合材料的磁电响应进行了理论分析,其中磁致层沿长度方向磁化,压电层沿厚度方向极化.从压电效应和压磁效应本构方程出发,结合材料的机械运动学方程和电路状态方程,重新推导了LT模式下MPM结构的等效电路,完善了文献中的方法,得到了复合材料的磁电电压系数、开路电流、材料内阻、可供电功率与压电、磁致材料各物理参数以及体积参数之间的关系式.以Terfenol-D/PZT/Terfenol-D层合材料为例,对材料磁电响应进行了数值计算,将计算结果与相关实验结果进行了比较.利用磁电响应仿真结果,对磁电层合材料用于磁敏传感器以及自供电换能器进行了讨论.     

藕节形耐压壳体强度与稳定性有限元分析

研究无入水下航行器壳体强度优化问题,由于随着下潜深度的增加,水下航行器受到的压力不断增大,传统水下航行器采用的壳体结构已不能满足强度要求.藕节形耐压壳体则结合了球形壳体和圆柱形壳体的优点,弥补了传统耐压壳体结构的不足.针对藕节形耐压壳体强度设计,利用有限元软件对不同厚度、不同切弧角下的强度和稳定性进行了分析,给出了最大应力和稳定性系数随厚度和切弧角的变化规律并分析了其原因,为大深度水下航行器的壳体结构设计提供了一定的参考依据.     

基于滚压的压电叠堆压电转换特性仿真分析

本文提出一种基于滚压的压电俘能器结构,结合Cymbal压电换能器和压电振子叠堆,利用滚珠作为激励源,可以把机构的往复振动转换为对压电振子的单向压迫.使用仿真软件对俘能器结构中滚珠压迫压电单元的力,以及该俘能器结构在并联和串联模式下输出的电压和俘获的电能进行仿真分析,得到该结构的压电转换特性.仿真结果表明,滚珠对压电叠堆的压迫力与压电陶瓷层数并不是单向递减,1-5层时递增,5层以后压迫力逐渐减小.在压电陶瓷的总层数不变的情况下,并联和串联时压电叠堆所俘获的总电能是不变的.两种联接模式下总电能随层数的变化关系为5层以内时随层数的增加而减小,超过5层后逐渐增加.     

A finite element model for the analysis of 3D axisymmetric laminated shells with piezoelectric sensors and actuators: Bending and free vibrations

This paper addresses the bending and free vibrations of multilayered cylindrical shells with piezoelectric properties using a semi-analytical axisymmetric shell finite element model with piezoelectric layers using the 3D linear elasticity theory. In the present 3D axisymmetric model, the equations of motion are expressed by expanding the displacement field using Fourier series in the circumferential direction. Thus, the 3D elasticity equations of motion are reduced to 2D equations involving circumferential harmonics. In the finite element formulation the dependent variables, electric potential and loading are expanded in truncated Fourier series. Special emphasis is given to the coupling between symmetric and anti-symmetric terms for laminated materials with piezoelectric rings. Numerical results obtained with the present model are found to be in good agreement with other finite element solutions.     

压电复合材料梁的全局分叉、混沌动力学分析

研究了简支压电复合材料层合梁在轴向、横向载荷共同作用下的非线性动力学、分叉和混沌动力学响应.基于yon Karman理论和Reddy高阶剪切变形理论,推导出了压电复合层合梁的动力学方程.利用Galerkin法离散偏微分方程,得到二个自由度非线性控制方程,并且利用多尺度法得到了平均方程.基于平均方程,研究了压电层合梁系统...     

Multi-pulse orbits dynamics of composite laminated piezoelectric rectangular plate

The multi-pulse orbits and chaotic dynamics of a simply supported laminated composite piezoelectric rectangular plate under combined parametric excitation and transverse excitation are studied in detail. It is assumed that different layers are perfectly bonded to each other with piezoelectric actuator patches embedded. The nonlinear equations of motion for the laminated composite piezoelectric rectangular plate are derived from von Karman-type equation and third-order shear deformation plate theory of Reddy...     

Exact solution for static analysis of an intelligent structure under cylindrical bending

An exact static analysis of a simply supported intelligent structure under cylindrical bending is presented. The performance of the actuator layer of the intelligent structure to cause induced axial and transverse stresses in the substrate layer is investigated. The capability of the sensor layer to sense the deformations of the structure is shown in terms of induced electric potential on its surface. The distribution of electric potential across the thickness of the piezoelectric sensor and actuator implies that the linear variation can be adopted for choosing the electric potential function to model the laminated intelligent structure of complicated geometry and boundary conditions with refined approximate technique. The results presented here will be helpful to obtain correlation between theoretical and experimental results and to numerical analysts to verify their results.     

基于数据依赖核LS-SVM的压电智能结构冲击损伤检测

基于支持向量机与信息几何的统计学关联性,从信息几何学的角度通过共形变换构造了数据依赖核函数,并与LS-SVM相结合,从而形成数据依赖核LS-SVM方法。基于一阶剪切变形理论及有限单元方法,对压电智能复合材料层板进行了低速冲击压电响应数值仿真,并进行了特征提取。基于各压电传感器响应信号特征,采用数据依赖核LS-SVM方法,对压电智能复合材料层板进行了冲击损伤检测,并与静态高斯核函数(RBF)的LS-SVM方法进行了对比。结果表明:在同等条件下,相比于静态RBF核LS-SVM,数据依赖核LS-SVM具有更高的损伤检测精度及更强的推广能力。     

Discrete material optimization of vibrating composite plate and attached piezoelectric fiber composite patch

Structural and Multidisciplinary Optimization - This work deals with the layout optimization of piezoelectric fiber composite patches on a vibrating laminated composite plate and the discrete...     

智能太阳翼有限元建模与振动控制研究

采用空间梁单元和矩形层板单元建立了表面粘贴压电片太阳翼的机电耦合有限元模型．其中,太阳翼与星体之间的连接架、太阳翼基板间连接铰链按空间梁单元处理;不含压电片的太阳翼基板按普通层板单元处理,而含有压电片的基板按压电层板单元处理．推导了多点约束关系式处理空间梁单元和板单元公共节点自由度不协调的问题．利用速度负反馈和线性二次最优调节器设计控制系统,编制有限元分析程序,进行了动力学特性计算和振动控制数值仿真．结果表明,压电传感／作动器的引入对太阳翼振动频率具有重要影响;利用压电传感／作动器和最优控制系统能够有效抑制太阳翼的振动．     

Application of nonlocal strain–stress gradient theory and GDQEM for thermo-vibration responses of a laminated composite nanoshell

In this article, thermal buckling and frequency analysis of a size-dependent laminated composite cylindrical nanoshell in thermal environment using nonlocal strain–stress gradient theory are presented. The thermodynamic equations of the laminated cylindrical nanoshell are based on first-order shear deformation theory, and generalized differential quadrature element method is implemented to solve these equations and obtain natural frequency and critical temperature of the presented model. The results show that by considering C–F boundary conditions and every even layers’ number, in lower value of length scale parameter, by increasing the length scale parameter, the frequency of the structure decreases but in higher value of length scale parameter this matter is inverse. Finally, influences of temperature difference, ply angle, length scale and nonlocal parameters on the critical temperature and frequency of the laminated composite nanostructure are investigated.

     

Topology optimization of piezoelectric macro-fiber composite patches on laminated plates for vibration suppression

Structural and Multidisciplinary Optimization - This work presents a new methodology for the topology optimization of piezoelectric actuators in laminated composite structures with the objective of...