压电材料修正后的H-R混合变分原理及其层合板的精确法

将三维弹性体的Hellinger-Reissner(H-R)混合变分原理引入到具有机-电耦合效应的压电材料静力学问题中,建立了压电材料修正后的H-R混合变分原理,通过变分运算和分部积分得到了压电材料的状态向量方程。给出了四边简支的压电材料层合板静力学状态向量方程的精确求解方法,数值实例的结果证明了方法是正确性的。这里的理论和求解方法同样适应于纯弹性材料板和压电材料板混合的层合板静力学问题的分析。变分原理将有利于压电材料问题相应的半解析法或有限元法的推导。     

考虑阻尼力的Hellinger-Reissner变分原理及其应用

建立了圆柱坐标系下包含粘滞阻尼力的修正后的Hellinger—Reissner变分原理，推导了对应的状态向量方程。考虑阻尼力后，结构的特征方程应有复数根，因而通常用于求解多项式方程实数根的二分法不再适用。为了解决这个问题，本文结合精细积分法和米勒法，为叠层壳的阻尼自由振动提出了新的数值方法，同时，通过数值实例分析了简支边界条件下开口叠层壳的复频响应问题。目前修正后的Hellinger—Reissner变分原理将有利于复杂边界条件下阻尼叠层壳动力学问题的半解析法的推导。     

含分层的压电材料层合板的自由振动分析

该文为含分层的压电材料层合板的自由振动分析提出了一种状态空间方法。首先通过压电材料的修正H-R (Hellinger-Reissner)变分原理和径向基函数推导了无网格状态空间列式。然后结合非线性弹簧层模型,导出了含分层压电材料层合板的三维模型。该模型的主要优点是:场节点数和背景网格数不随层合板的层数增加而增加;另一方面,通过设定弹簧的刚度值,非线性弹簧层既能保证非分层区域横向应力和位移的连续性,也能防止分层区域嵌入现象的发生。     

基于三阶剪切变形理论的压电功能梯度板静力学等几何分析

针对压电功能梯度板的静力学问题,建立了一种基于三阶剪切变形理论的等几何分析求解方法.其中,定义功能梯度板的材料属性为板厚方向的幂函数分布,并假设压电功能梯度板中的机械位移场与电势场相互独立.利用压电材料的第二类本构方程以及哈密顿变分原理,推导出压电功能梯度板的相关等几何有限元方程.在压电功能梯度板的自由振动分析中,研究...     

压电材料的K正则方程及其层合板的显式辛算法

显式辛数值算法有一个重要的特性,即在长时间内保存Hamilton函数的指数幂,用这种方法求解可分的微分方程所得到的解逼近精确解.该文基于压电材料修正后的H-R混合变分原理,首先推导了Hamiltonian四节点有限元列式,然后通过对该列式进行行列变换,得到了K正则方程.最后将显式辛数值算法用于求解压电材料层合板的静力学...     

变曲率FGM拱的面内自由振动分析

基于Euler-Bernoulli曲梁理论,考虑材料沿拱厚度方向呈梯度分布时中性层的改变,将变曲率功能梯度材料(Functionally Graded Materials,FGM)拱在弧线方向离散成多个曲拱单元。视每个曲拱单元为半径一定的圆弧拱单元,根据Hamilton变分原理推导出FGM圆弧拱单元的面内自由振动方程,进而求得了单元传递矩阵。利用传递矩阵法(Transfer Matrix Method,TMM)推导出变曲率FGM拱的面内自由振动特征方程,求解两端固定边界条件下变曲率FGM拱面内自由振动的固有频率,并将得到结果与现有文献作了比较,证明TMM对求解该问题的有效性。分析了曲率变化系数和材料体积分数变化系数对变曲率FGM拱的面内自由振动频率的影响。     

变曲率FGM拱的面内自由振动分析EI北大核心CSCD

基于Euler-Bernoulli曲梁理论,考虑材料沿拱厚度方向呈梯度分布时中性层的改变,将变曲率功能梯度材料(Functionally Graded Materials,FGM)拱在弧线方向离散成多个曲拱单元。视每个曲拱单元为半径一定的圆弧拱单元,根据Hamilton变分原理推导出FGM圆弧拱单元的面内自由振动方程,进而求得了单元传递矩阵。利用传递矩阵法(Transfer Matrix Method,TMM)推导出变曲率FGM拱的面内自由振动特征方程,求解两端固定边界条件下变曲率FGM拱面内自由振动的固有频率,并将得到结果与现有文献作了比较,证明TMM对求解该问题的有效性。分析了曲率变化系数和材料体积分数变化系数对变曲率FGM拱的面内自由振动频率的影响。     

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。     

基于等几何方法的压电功能梯度板动力学及主动振动控制分析

针对表面粘贴有压电层的功能梯度板的动力学及主动振动控制问题,建立了一种基于三阶剪切变形理论的等几何分析求解方法。其中,功能梯度板的材料属性为板厚方向的幂函数分布,并假设电势沿着压电层的厚度方向呈线性变化。利用线性压电本构方程以及哈密顿变分原理,推导了压电功能梯度板的相关等几何分析有限元方程。通过分析压电智能结构的静态弯曲行为验证了该方法的有效性与精确性。运用模态叠加技术与Newmark-β直接积分法分析了两种不同结构的压电功能梯度板的动力学响应与主动振动控制问题。在主动振动控制分析中,引入了物理中面的概念避免当传感器与驱动器分别粘贴于功能梯度的上、下表面时,由拉伸-耦合效应引起的控制不稳定的问题,并着重分析了振动控制过程中两种结构传感器层和驱动器层的电压响应。     

压电材料变分原理逆问题的研究

研究了压电材料变分原理的逆问题, 采用文献[ 8 ]提出的变积方法, 系统地建立了压电材料的变分原理及其广义变分原理, 除得到文献中已有的结果外, 还得到了一些新的变分原理, 为建立压电材料的有限元分析模型提供了依据。     

磁致伸缩层合悬臂梁式作动器的振动分析

为了分析磁致伸缩薄膜型层合悬臂梁式作动器的振动问题,应用磁致伸缩材料的非线性本构关系,由哈密尔顿原理导出了双层悬臂梁的振动微分方程。采用分离变量方法和常微分方程组的解析解法对磁致伸缩薄膜型层合悬臂梁的自由振动和受迫振动进行了理论分析。数值算例表明本文计算结果与有限元结果吻合较好,从而佐证了本文理论模型和求解方法的正确性,并讨论了几何参数、材料参数对层合梁固有频率的影响。还分析了在周期输入磁场激励下悬臂梁的挠度响应,且挠度响应呈现出倍频效应的动态特性。      

压电智能简支梁力电耦合性能分析

本文研究压电智能结构力电耦合性能分析的新理论新方法.以智能本构关系、瞬时变分原理及样条离散化为理论基础,利用智能样条有限点法建立了压电智能简支梁力电耦合性能方程.分析中考虑了不同荷载值、材料类型和材料参数等因素对压电智能梁性能的影响.与通用有限元软件ANSYS的结果进行比较说明了本文研究方法的正确性和有效性.     

基于压弯耦合效应下预应力梁的竖向自由振动研究

基于大位移广义变分原理,考虑梁的压弯耦合、剪切应变能和转动惯量的影响,建立了预应力梁的不完全广义势能泛函,通过对位移变分,推导出预应力梁自由振动微分方程。并以预应力混凝土简支梁和悬臂梁为例,通过引入边界条件,求出了自由振动频率的解答。对比Bernoulli-Eular梁和Timoshenko梁,详细分析了轴向荷载、剪切效应和转动惯量对自振频率的影响,研究发现,轴向压力荷载可使梁的自振频率降低,反之增大。剪切变形的影响约为转动惯量的3倍,随着主模态阶数的增加和长细比L/r的减小,轴向荷载、剪切变形和转动惯量的影响非常显著。因此,对于预应力混凝土梁,当跨高比L/h≤8,或长细比L/r≤28时,必须考虑轴向荷载、剪切变形和转动惯量的影响,通过与Bernoulli-Eular梁和Timoshenko梁的精确解相比较,证明该文的解答是正确的。     

An analytical approach for free vibration and transient response of functionally graded piezoelectric cylindrical panels subjected to impulsive loads

In this article, the free vibration and dynamic response of simply supported functionally graded piezoelectric cylindrical panel impacted by time-dependent blast pulses are analytically investigated. Using Hamilton’s principle, the equations of motion based on the first-order shear deformation theory are derived. Also, Maxwell’s electricity equation is taken as one of the governing equations. Three sets of electric surface conditions including closed circuit and two mixtures of closed and open circuit surface conditions are considered. By introducing an analytical approach and using the Fourier series expansions, the Laplace transform and Laplace inverse method, the solution of unknown variables are obtained in the real time domain based on a combination of system frequencies. Finally, the effects of various electric surface conditions, geometric parameters and the material power law index on the free vibration and transient response of functionally graded piezoelectric cylindrical panels subjected to various impulsive loads are examined in detail.     

四边简支压电层合板灵敏度分析的精确解

为了应用弹性力学中的Hamilton 正则方程研究压电材料的灵敏度系数问题,基于压电材料的H-R(Hellinger-Reissner) 变分原理,简要地导出Hamilton正则方程算子表达式,建立了四边简支板静力学控制方程。根据灵敏度定义,在静力学控制方程的基础上联立灵敏度控制方程,得到了增维的齐次压电材料静力响应和灵敏度系数混合控制方程。应用该方程可以同时求得压电层合板的力学、电学参量及其灵敏度。该算法过程简单、运算效率和稳定性好。数值算例结果与有限差分法的结果比较表明本文方法切实有效。      

双迭片压电振子的振动研究

利用压电方程和小挠度弯振理论,推导了边界自由压电陶瓷双迭片薄板小挠度条件下弯曲振动位移的一般解及振型频率方程。由频率方程计算得到的各阶振型频率与用有限元方法计算的结果基本相符,并基本得到实验结果的验证。所得结论对边界自由双迭片压电振子弯曲振动的设计提供了理论参考。     

基于模态应变能分布的压电致动器/传感器位置优化遗传算法

本文由线弹性压电结构有限元动力方程,推导了压电智能结构的振动控制方程。建立了准确模拟层合压电结构动力行为的有限元模型。基于主结构模态应变能分布提出了一种新的优化目标函数,将压电致动器/传感器位置编号作为优化变量,建立了离散变量表示的智能结构优化问题,并通过二进制编码的遗传算法（GA）求解了该最优问题。以四边固支复合层合压电智能板为数值算例,采用比例反馈控制, 研究了最优位置配置致动器/传感器智能结构目标模态的控制效果。数值结果表明基于模态应变能分布的遗传算法所得优化解具有较好的振动控制效果。     

Certain integral and differential types of variational principles in nonlinear piezoelectricity

Various forms of variational principles are developed and used to generate, as Euler-Lagrange equations, the fundamental differential equations of nonlinear piezoelectricity. First, Hamilton's principle is rigorously applied to the motion of an electroelastic solid with small piezoelectric coupling, and an associated variational principle is readily derived. Then, by use of the dislocation potentials and Lagrange undetermined multipliers (Friedrich's transformation), the variational principle is augmented for the motion of a piezoelectric solid region with an internal surface of discontinuity. To incorporate the constraints into the two-field variational principle, Friedrich's transformation is again applied, and a unified variational principle is systematically established. This unified variational principle is shown to produce the fundamental equations of an electroelastic solid with small piezoelectric coupling.