具界面損傷壓電智能層合結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性靜動(dòng)力學(xué)性能與主動(dòng)控制研究.pdf

1、本論文以壓電智能板結(jié)構(gòu)以及壓電膜片與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料所構(gòu)成的壓電智能層合結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，綜合考慮幾何非線(xiàn)性、層內(nèi)材料和層間界面處的損傷效應(yīng)和壓電效應(yīng)等因素，系統(tǒng)地研究了非理想界面壓電智能板/層合結(jié)構(gòu)的層間應(yīng)力和層間電勢(shì)分布、非線(xiàn)性動(dòng)力響應(yīng)、非線(xiàn)性振動(dòng)、非線(xiàn)性主動(dòng)控制等力學(xué)性能，深入地揭示其力學(xué)的本質(zhì)特征。 然而，壓電材料的界面本構(gòu)關(guān)系及其相應(yīng)力學(xué)模型的建立是十分困難的。由于壓電材料固有的正、逆壓電效應(yīng)和特殊的力電耦合本構(gòu)關(guān)系，使

2、得現(xiàn)有的理論模型很難精確地描述壓電界面間復(fù)雜的電場(chǎng)、位移場(chǎng)以及層間應(yīng)力場(chǎng)的耦合關(guān)系；而且?guī)缀畏蔷€(xiàn)性、損傷效應(yīng)和壓電效應(yīng)等因素將使控制方程及邊界條件十分復(fù)雜，必須尋求新的分析途徑與求解方法。目前，對(duì)于壓電智能層合結(jié)構(gòu)層間界面問(wèn)題的非線(xiàn)性靜動(dòng)力學(xué)理論研究，還處于起步階段。本論文在壓電智能板/層合結(jié)構(gòu)的界面損傷本構(gòu)關(guān)系的確立，力學(xué)模型的建立，以及求解方法等方面進(jìn)行了探索。這些研究工作不僅具有重要的學(xué)術(shù)意義，而且具有非常重要的工程應(yīng)用價(jià)值。本論

3、文的主要研究?jī)?nèi)容如下。 對(duì)于復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的層間界面問(wèn)題，基于Soldatos精確應(yīng)力分析的廣義六自由度板理論和三維非線(xiàn)性彈性理論，應(yīng)用極小勢(shì)能原理和損傷力學(xué)中的應(yīng)變等效原理，考慮復(fù)合材料鋪設(shè)層內(nèi)和層間界面處的損傷效應(yīng)，分別建立適用于復(fù)合材料層合梁、板、扁殼層間應(yīng)力分析的非線(xiàn)性平衡微分方程組，并運(yùn)用有限差分法進(jìn)行求解。數(shù)值算例中，討論了損傷效應(yīng)、載荷形式、鋪設(shè)層數(shù)對(duì)層合結(jié)構(gòu)位移和層間應(yīng)力分布的影響，并研究層間界面處的剪切滑移和

4、分層特性。 對(duì)于壓電材料板的層間電勢(shì)分析，考慮幾何非線(xiàn)性、壓電界面損傷效應(yīng)和力電耦合效應(yīng)的影響，通過(guò)引入三維彈性平衡方程和靜電平衡方程的通解，構(gòu)造了滿(mǎn)足界面間力電耦合關(guān)系和各類(lèi)連續(xù)條件的位移、電勢(shì)分布形函數(shù)，建立了考慮層間界面處損傷效應(yīng)的壓電材料板的非線(xiàn)性平衡微分方程組，并討論損傷程度、載荷形式和不同電學(xué)條件對(duì)四邊簡(jiǎn)支非理想界面壓電材料板層間電勢(shì)分布的影響。 對(duì)于具界面損傷壓電智能層合結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題，在界面劣化

5、處于初始階段的條件下，根據(jù)Von Karman非線(xiàn)性板理論，應(yīng)用Hamilton變分原理，建立了考慮鋪設(shè)層內(nèi)和層間界面處損傷效應(yīng)的壓電智能層合板的三維非線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)控制方程組。采用Kachanov損傷演化方程來(lái)表征層內(nèi)材料損傷的發(fā)展規(guī)律，綜合利用有限差分法、Newmark法及迭代法對(duì)其非線(xiàn)性動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行求解。數(shù)值算例中，討論了不同損傷程度、損傷演化、電載荷幅值及外激勵(lì)頻率對(duì)四邊簡(jiǎn)支非理想界面壓電智能層合板非線(xiàn)性動(dòng)力響應(yīng)的影響，并與有關(guān)文

6、獻(xiàn)的結(jié)果進(jìn)行了比較。 對(duì)于具界面損傷壓電智能層合結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性自由振動(dòng)問(wèn)題，基于己建立的具鋪設(shè)層內(nèi)和層間界面處損傷效應(yīng)的壓電智能層合板的三維非線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)控制方程組，采用Galerkin技術(shù)，將非線(xiàn)性偏微分方程組化為由時(shí)間函數(shù)表示的非線(xiàn)性常微分方程組。數(shù)值算例中，仍采用Kachanov損傷演化模型，分別討論了在閉路情況下，不同損傷程度、壓電層厚度、厚跨比及長(zhǎng)寬比對(duì)四邊簡(jiǎn)支非理想界面壓電智能層合板線(xiàn)性自由振動(dòng)頻率和非線(xiàn)性幅頻響應(yīng)曲線(xiàn)的影

7、響。 此外，為實(shí)現(xiàn)對(duì)具界面損傷壓電智能系統(tǒng)的非線(xiàn)性主動(dòng)控制，將上、下壓電層分別作為傳感層和作動(dòng)層，與復(fù)合材料層組成一個(gè)壓電智能層合結(jié)構(gòu)，考慮壓電層的質(zhì)量和剛度，以及復(fù)合材料層內(nèi)和層間界面的損傷效應(yīng)，采用耦合正、逆壓電效應(yīng)的負(fù)速度反饋控制原理，在已建立的非線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)控制方程中引入主動(dòng)控制阻尼，建立具損傷壓電智能層合結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性反饋控制方程組，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓電智能層合板的主動(dòng)控制和損傷監(jiān)測(cè)。數(shù)值計(jì)算中，以四邊簡(jiǎn)支非理想界面壓電智能層合板為