压电纤维复合材料层合壳的非线性动力学研究.pdf
压电纤维复合材料(MacroFiberComposite)是近几年兴起的一种新型压电复合材料,在振动控制、变形控制和颤振抑制等方面都有广泛的应用 .压电纤维复合材料是由压电纤维粘贴于各种板壳结构表面复合而成的一种新型材料,它将压电纤维和电极以一定的方式排列在高分子聚合物的夹层中,结构主要由3部分组成:a.压电纤维层,其中压电纤维以平行的方式排列在一起;b.附有电极的高分子表层,电极材料为铜,以十指交叉的方式排列在高分子薄膜中,且电极丝与下层的压电纤维相互垂直;c.粘合材料,通常是环氧聚合物.它有寿命长、厚度薄、重量轻、韧性大和驱动力大等优点 .压电纤维复合材料结构同时具有驱动和传感的性能特点,这引起了国内外众多学者的极大兴趣,对压电纤维材料结构的振动特性进行了大量研究.Panda等人 研究了几何大变形下压电纤维增强复合材料功能梯度层合板的非线性动力学特性.Xia等 基于高阶剪切变形板理论和大变形理论,分析了热环境下,表面粘结压电纤维增强复合材料驱动器的功能梯度材料板的非线性动态响应.Thinh等人[5]研究了粘结有压电驱动器和传感器贴片的玻璃纤维/聚酯复合材料板的挠曲变形和振动响应控制.Sohn等人[6]利用Donnell的壳理论和拉格朗日方程得到了带有压电纤维复合材料驱动器的智能材料壳结构的运动控制方程,并分析了壳体结构的动态特性.Shiyekar等[7]基于高阶剪切变形理论,给出了双稳态情况下,压电纤维增强复合材料层合板结构振动响应的解析解.Mareishi等[8]基于欧拉-伯努利梁理论和几何非线性理论,研究了在机械、热和电载荷共同作用下,表面粘合压电纤维增强复合材料层合梁的力学特性.李敏等人[9]研究了压电驱动器控制翼面变形方面的静动态特性.Rafee等人[10]基于一阶剪切变形板理论和几何大变形理论,研究了表面粘合压电驱动器的碳纳米管/纤维/聚合物复合材料板结构的非线性自由振动响应.学者们对压电材料在振动控制和结构优化等方面的应用也做了大量的研究.Sodano等人[11]研究了可充气压电纤维复合材料结构的振动抑制和结构的动态状况监测,实验结果表明将压电纤维复合材料作为传感器和致动器可以抑制结构振动.李允等[12]采用有限元方法研究了1-3型压电纤维复合材料结构参数对驱动性能的影响.Ray等人[13]利用压电纤维增强复合材料做阻尼层,研究了约束层和压电纤维取向对复合材料层合薄壳振动的影响.Choi等[14]讨论了用压电纤维复合材料驱动器来抑制旋转复合材料薄壁梁的振动响应.侯志伟等 研究了压电纤维复合材料的传感和驱动性能,并将其应用于梁的频响辨识和尾翼结构的减振,以及通过试验表明压电纤维复合材料有优良的传感和驱动元性能.赵国旗等[15]有限元方法探讨了对叉指式压电纤维复合材料驱动器的结构优化.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.数值结果得到了结构在横向激励作用下幅频响应曲线以及位移的分叉图、相图、波形图和庞加莱图,在确定几何和材料参数的情况下,外激励的变化和压电系数的变化会引起结构振动响应的变化,出现从混沌到周期再到混沌的运动,通过改变压电系数可以抑制结构的振动响应.在确定外激励幅值的情况下,改变压电系数,会改变系统的刚度,进而会改变系统的固有频率,因此压电效应会对系统的非线性振动响应产生影响.所以,通过调节结构横向激励幅值和压电系数可以控制压电纤维复合材料层合壳结构的非线性振动响应.
作者：刘大猛郭翔鹰
作者单位：北京工业大学,100124
母体文献：北京力学会第二十三届学术年会论文集
会议名称：北京力学会第二十三届学术年会
会议时间：2017年1月14日
会议地点：北京
主办单位：北京力学会
语种：chi
分类号：TB3TM2
关键词：压电纤维复合材料层合壳 非线性动力学 振动响应 横向荷载
在线出版日期：2020年6月22日
基金项目：
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