文档介绍：维普资讯
振动与冲击
第卷第期
压电复合梁热机电耦合有限元模型
蒋建平, 李东旭
国防科学技术大学航天与材料工程学院,长沙
摘要:压电材料应用于航天结构形状或振动控制时,可能会受到热场、力场和电场的共同作用。为分析处于热
场、力场和电场共同作用下的压电复合结构,文中基于高阶剪切变形理论、高阶电势模型和线性温度分布假设,利用虚功
原理建立了压电复合梁结构的热一机一电耦合有限元模型。该模型可应用于热机电耦合压电复合结构的形状与振动控
制研究。利用本文模型对压电双晶片梁、压电复合悬臂梁进行了数值仿真,仿真结果与文献给出的理论结果和实验值吻
合良好,表明本文模型是正确有效的。
关键词:压电结构;热机电耦合;高阶剪切变形理论;有限元;数值仿真
中图分类号:. 文献标识码:
近年来,压电智能复合结构得到了广泛的研究。远。文献中给出了一种二次分布模模型,增加了
其应用领域之一便是柔性空间结构的振动控制。由于由梁弯曲决定的二次项,该模型可以较好的描述拉弯
在轨空间结构周期性的进出阴影区和日照区,结构表组合变形下的压电层电势分布。文献给出了一
面将受到周期性的热载荷,引起结构变形或振动。压种三阶电势分布模型,该模型可以更准确的描述复杂
电材料具有良好正、逆压电效应,既可用作传感器,也的电势分布,但式中具有内自由度,不便于处理边界
可作为作动器,而且响应快、频带宽,非常适合于航天条件。
结构的应用。对于工作于恶劣空间环境的压电结构而言,热效
迄今为止,已有大量的文献研究了压电复合结构应的影响不可忽略。这些影响包括:材料热膨胀系数
的建模和分析方法,至今仍是智能结构研究的重要内的不同引起的热应力;热电现象;材料特性随温度的变
容之一。这些建模和分析方法可以分为两类,一类是化等。目前,在有关压电结构的文献中,考虑到热效应
可以进行精确求解的解析模型,,,另一类是基于位的影响,建立热一机一电耦合的力学模型已成为研究
移场假设模式的近似有限元模型。解析模型虽然能够的焦点,
得到精确解,但只限于结构简单的模型。因此,基于有粘贴压电材料实现悬臂梁热变形主动补偿的实验¨。
限元方法的近似建模方法得到了广泛研究。为便于分析压电复合结构在热场、力场和电场共
根据位移场假设模式的不同,有限元模型又分为同作用下的形变或振动控制,本文采用高阶剪切变形
经典理论模型、一阶剪切理论模型’和高阶理论理论、高阶电势分布模型和线性温度分布假设,根据虚
模型,。对于压电复合结构,各层材料之间的材料特功原理建立了压电复合梁的热一机一电耦合动力学有
性差别可能很大,有的材料剪切模量很小,特别是对压限元方程。
电作动器产生主动剪切变形的情况,垂直面内的剪切为算例进行了数值分析,结果表明本文模型是精确有
效应变得显著。和对基于经典理论和效的。并可将该方法推广到一般压电复合结构的热机
高阶剪切理论的模型在振动控制中的应用进行了对电耦合行为分析。
比,指出经典理论模型可能会导致设计出错误的控制控制方程
器。因此,为提高模型精度,高阶剪切理论已在压电
结构的建模中广泛应用。压电材料的线性热压电本构方程为
关于电势分布模型的研究相对较少,大多数文献’Ⅲ