粘贴压电层功能梯度材料Euler梁热屈曲前自由振动的半解析数值法

研究上下表面粘贴压电层的功能梯度材料Euler梁在升温及电场作用下的振动行为。在精确考虑轴线伸长基础上,建立压电功能梯度Euler层合梁在热-电-机械载荷作用下的几何非线性动力学控制方程。其中,假设功能梯度的材料性质沿厚度方向按照幂函数连续变化,压电层为各向同性均匀材料。把问题线性化,利用打靶法,获得在均匀电场和横向非均匀升温场内两端固定和两端简支Euler梁在热屈曲前自由振动特性的半解析数值解。由于材料在横向的非均匀性,即使在均匀升温和均匀电场作用下,梁内仍然会产生拉-弯耦合效应,对梁的自振频率也有一定的影响。     

压电双晶片悬臂梁结构用于结冰探测的研究

 采用一种压电双晶片悬臂梁结构作为结冰探测的传感元件,使用有限元方法(FEM)计算其在有水附着与结冰两种状态下的谐振频率变化,同时使用Agilent 35670A动态信号分析仪与传统的传输法进行实验测量,通过误差对比检验计算结果的正确性,并找出谐振频率的变化与压电梁局部质量和刚度等结构特征改变之间的联系,发现随着结冰的发生以及厚度的增加,相应的局部质量和刚度的改变对谐振频率的综合影响多变。针对压电双晶片悬臂梁结构的特殊性,采用一种反馈法接线进行测量,并与传输法测量结果以及FEM计算结果进行比较,证明这种测量方法的准确性。最后根据计算与实验测量结果确定合适的工作模态,总结整个结冰过程对该模态谐振频率的影响。结果表明,压电双晶片悬臂梁结构用于结冰探测是可行的,它能够准确检测出不同结冰状态对其结构特征的影响,并且结构简单、便于测量。     

偶应力理论层合梁的稳定性及尺度效应

将各向同性修正偶应力理论推广到各向异性,提出一个新的修正偶应力理论,基于虚功原理推导出梁的稳定方程和边界条件,建立了细观层合Timoshenko梁的稳定性模型并用于尺度效应分析.该模型含一个材料细观参数的基本方程与宏观层合梁的方程的算子相同,只需引入细观刚度参就可以直接由宏观解得到细观解.另外,该模型可以直接退化为Bernoulli-Euler梁模型.算例表明,建立的偶应力层合梁模型能够用于细观层合梁稳定性的尺度效应.     

基于固体壳单元的功能梯度材料板壳主动控制模拟仿真

基于假定自然应变法和加强假定应变法,推导了一用于压电层合FGM壳静、动态主动控制模拟的固体壳单元,该单元既可用做实体单元,又可模拟薄曲壳结构,在厚跨比非常小的情况下也能获得令人满意的精度.FGM壳的性能沿厚度方向按一定体积分数幂指数分布,并具有温度相关性,通过改变幂指数n,研究了组分材料体积分数对FGM壳力学性能的影响.采用闭环速度反馈控制算法来模拟压电层合FGM壳的静、动态响应的主动控制,算例表明了算法的有效性.     

压电阻抗法表征固体推进剂老化的研究

为了更好地得到压电阻抗法（EMI, Electro-mechanical impedance）监测固体推进剂老化规律并从物理特性上对其科学性、可靠性及有效性进行验证，采用理论推导分析方法将压电阻抗电学性能参数与动态力学性能参数进行联系；对热老化HTPB推进剂进行EMI试验及动态热机械分析（DMA, Dynamic thermomechanical analysis）测试，并根据结果分析进行验证。结果表明：压电阻抗电学性能与动态力学性能能够通过动态模量与导纳之间的关系以及电压电流滞后角与力学损耗角之间的关系进行联系；热老化HTPB推进剂在不同测试频率下力学损耗因子温度谱峰值随老化的变化规律一致，均随热老化时间的延长而降低；电压电流滞后角正切值能够很好反映HTPB推进剂的老化，共振频率处的滞后角正切值随热老化时间的延长而降低，并且与损耗因子峰值呈现出明显的线性关系。     

基于MFC的悬臂梁振动抑制设计与试验研究

为研究压电材料MFC在太阳电池翼等低频梁板结构振动抑制中的应用,搭建压电悬臂梁试验系统,辨识得到系统传递函数,分别设计了位移开关控制器、速度开关控制器以及根轨迹控制器,对控制器的实际振动抑制效果进行了试验,试验结果表明系统阻尼比由原来的4%分别上升为3%、6%和5%,表明所设计的控制器在压电悬臂梁的一阶弯曲模态振动抑制中控制效果明显,分析了三种控制效果产生差异的原因,其中速度开关控制效果最好。     

1-3型压电纤维主动薄壁梁扭转特性

从薄壁梁理论出发,在考虑扭转翘曲影响的情况下,推导了1-3型压电纤维复合材料主动薄壁梁的几何方程、本构方程和静力学控制方程。在此基础上,采用该理论分析了4类典型铺层方式的主动薄壁梁在控制电压作用下产生的主动力和变形模式。分析指出,采用适当的铺层方式,可以使得1-3型压电纤维复合材料主动薄壁梁具有主动扭转能力,特别是纯扭转能力。算例同时分析了主动薄壁梁主动扭转能力随压电纤维的体积比、铺层角、外界电场强度以及薄壁梁的长度等因素的变化规律。算例结果表明,本文分析方法具有较好的精度,1-3型压电纤维复合材料主动薄壁梁具有良好的主动扭转特性,这将大大扩大主动结构的自由度控制范围,特别是扭转自由度的控制范围。     

二氧化硅过渡层表面开口孔面积对层合玻璃力学性能影响

研究二氧化硅过渡层表面开口孔的大小对航空层合玻璃力学性能的影响.利用扫描电镜测试分析多孔二氧化硅过渡层的表面开口孔形貌,利用万能试验机测试含多孔二氧化硅过渡层的层合玻璃中无机玻璃/聚氨酯界面的剪切强度.以实验获得的开口孔形状为依据,以ANSYS软件建立含多孔二氧化硅过渡层的层合玻璃有限元实体模型,模拟获得不同孔面积条件下的多孔二氧化硅/聚氨酯界面的张应力.结果表明:随着多孔二氧化硅孔面积的增加,层合玻璃中无机玻璃/聚氨酯界面的剪切强度先迅速增大后缓慢降低;当单孔面积为52.61 μm2时,制备的层合玻璃有较好的力学性能.     

一种准确预测层合梁结构层间剪应力的新锯齿理论

层合梁是航空航天领域典型的承力构件，而过大的层间剪应力（层间处的横向剪应力）是导致其分层失效的主要原因。针对常见的层数较多的复合材料层合梁以及材料属性差异较大的三明治夹层梁，现有的理论模型仍然无法准确预测其横向剪应力。通过构造一个新的线性分段锯齿函数，提出了一种能够准确预测层合梁结构横向剪应力的新锯齿理论模型。几个典型的数值算例表明，本文提出的新锯齿理论模型在计算层数较多和材料属性差异较大的层合梁时，具有较高的计算精度，能够准确预测层合梁的分层。另外，该模型预先满足横向剪应力层间连续条件，无需三维平衡方程后处理就能够准确预测层合梁的横向剪应力。位移场中未知量个数少，不含横向位移的一阶导，便于C⁰梁单元的构造。     

一种分段线性边界条件连续体振动响应求解方法

基于振型转换的思想,提出了一种求解分段线性边界条件,以及可将其他非线性边界条件转化为分段线性边界条件的连续体振动问题的方法——相对振型转换法(Relative Mode Transfer Method,RMTM),用该法研究了端点带双阻挡悬臂梁的非线性振动.利用相对振型转换法处理了梁的接触振型与非接触振型的振动转换,与...     

旋转FGMs层合圆柱壳行波模态频率分析

为推进功能梯度（FGMs）材料在发动机、导弹和火箭等领域的应用，旨在研究旋转FGMs层合圆柱壳的行波模态频率。采用Voigt模型和Sigmoid体积分数描述FGMs层合圆柱壳的材料属性，考虑科里奥利力、离心惯性力、环向初应力以及热内力推导了FGMs层合圆柱壳的能量表达式。采用切比雪夫正交多项式构造位移容许函数，建立了任意边界旋转FGMs层合圆柱壳的模态频率方程，并探讨了组分含量、夹层厚度、温度梯度和弹簧刚度系数等对FGMs层合圆柱壳模态频率的影响。结果表明:夹层厚度相比Sigmoid体积分数对模态频率的变化更为敏感；高旋转短薄壁圆柱壳相比长薄壁圆柱壳对边界条件和失稳现象的影响更为敏感；轴向弹簧相比其他弹簧对模态频率的影响更大。      

低控制电压的杂交阻尼

提出一种用多层压电片和约束阻尼层在低控制电压下进行结构振动的杂交阻尼控制方式。基于各种材料的本构关系,导出了多层压电片作用在梁结构上的力和所施加的电压以及结构的运动之间的耦合关系和系统的控制微分方程。讨论了多层压电片附加位置的优化。仿真计算表明,这种杂交阻尼控制方式有着良好的振动抑制效果和较低的控制电压。     

一种精化的层合梁脱层模型

建立了一种精化的复合材料层合梁脱层模型。脱层梁被分为3个区,各区位移场为厚度坐标的三次函数,能满足层间位移和剪应力的连续条件、脱层界面的脱层条件和脱层边界点的位移连续条件。构造了其有限元模型。算例表明该模型较之基于经典理论和一阶剪切变形理论的脱层模型精度显著提高。     

不同支承条件下弯曲振动梁的频率方程及特征值

本文推导出两端带有扭转弹簧的铰支梁的弯曲振动频率方程,并由此导出一些特殊支承条件下的梁的振动频率方程,并用数值方法计算出不同支承条件下梁的特征值,本文还通过绘制变化曲线的方法,直观地说明了特征值随梁的刚度EI,长度L和弹簧弹性系数K三个参数的变化及相互影响的情况。     

基于半理论法预测基础激励下纤维增强悬臂梁结构应变能

提出了半理论法预测基础激励下纤维增强悬臂梁结构应变能。首先，建立了基础激励下纤维增强复合梁结构的应变能分析模型。然后，明确了采用半理论法预测纤维增强悬臂梁应变能的相关原理，并给出预测纤维增强悬臂梁应变能的具体流程。最后，测试获得该类型梁结构在某基础激励幅度下的振动位移响应，验证所建立的应变能分析模型的正确性，可以采用半理论法来分析预测复合梁的应变能，同时还与相同尺寸的铝合金梁的预测结果进行了对比。结果证明:在相同激励幅度下，纤维增强悬臂梁的应变能相对于铝合金梁结构要低于24%~36%，可以利用应变能指标来客观评价复合结构件相对于金属构件的减振能力。      

具有拉压双模量材料简支梁和悬臂梁稳定性分析

首先在迹应力分析基础上讨论了单、双模量梁在受拉和受弯共同作用下中性轴偏移的问题,分析了中性轴偏移产生的附加弯矩及其对梁挠曲线微分方程的影响。并推导出双模量简支梁的挠曲线方程。随后,利用新的挠曲线微分方程对悬臂梁稳定性进行分析,利用数值解法计算不同拉压模量下双模量悬臂梁的屈曲荷载,并通过计算结果对双模量材料的性能作出初步分析。     

在速度平方控制项下可变方向悬臂梁的振动

本文讨论研究可改变方向的悬臂梁非线性系统参激振动并利用速度二次项对其振动控制。讨论中认为末端带集中质量块悬臂梁的第一阶模态具有决定性的影响，对系统位移响应采用单阶Galerkin截断方法处理将描述梁的偏微分方程转化为常微分方程。本文应用非线性梁方程中加入二次速度反馈项进行控制，对控制方程应用多尺度方法得到幅频关系并作稳定性分析，最后用数值方法分别讨论外谐振下线性阻尼项、梁非线性系项、二次速度控制项增益和激励幅对悬臂梁振幅在不同方向下的影响。     

复合阻尼结构梁动力特性分析

提出一种基于Layerwise层合理论的复合阻尼结构梁单元用于计算嵌入多阻尼层的复合阻尼结构梁。通过与NASTRAN软件的计算结果进行对比，证明该梁单元满足层间位移、应力连续条件并避免了剪切自锁，并且具有单元数量和节点数量少、计算精度高的优点。     

含脱胶压电传感器/驱动器的智能结构的有限元分析

将压电传感器、驱动器粘贴在复合材料结构的表面可实现结构的振动主动控制 ,但若传感器、驱动器部分脱开会对结构的静、动态特性产生显著影响。建立了一个新的加强假定应变压电固体单元 ,用于压电自适应层合结构振动主动控制的模拟仿真。与现有的压电固体单元相比 ,所建单元性能更优越 ,精度和计算效率更高 ,并能用于壳体结构的分析。采用相同坐标值但不同的节点号的方法模拟脱层 ,利用该单元分析了传感器、驱动器脱开对结构动力学特性的影响。     

双压电振子异步振动主动调制湍流边界层流向涡减阻

以热线敏感丝为感受器、单片机(MCU)为控制器、双压电振子为动作器构成闭环控制回路,实现闭环主动控制湍流边界层相干结构减阻。采用安装在壁面上的展向布置的双压电振子异步振动方式,通过对压电振子输入3种不同振动频率,得到160 Hz工况实现最大减阻率为16.03%。压电振子振动使得湍动能更大程度地集中在能量峰值周围,改变了湍流边界层近壁区的含能结构,对相干结构产生调制作用。压电振子振动频率与相干结构特征频率越接近,减阻效果越好。闭环控制中控制压电振子所需要的电能节省开环的75%,实现与开环控制相近的减阻效果。施加控制加入条件检测的条件相位平均波形时间周期略变短,以压电振子壁面扰动方式调制近壁流向涡,减小壁面摩擦阻力,获得减阻效果。