湿热条件下具脱层压电圆柱壳非线性静动力学研究

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压电材料具有正、逆压电效应,而且还具有比重小、频响范围宽、成本低、应用方便等优点,已经广泛应用在航空航天、土木工程、体育、医药和日常用品等领域。但是作为一种新型材料,由于加工工艺水平存在缺陷,结构容易产生脱层损伤。另外,压电智能结构通常所处环境比较恶劣,考虑到温度和湿度的增加会引起严重的湿热残余应变和残余应力,造成压电脱层结构的刚度和强度进一步降低。本论文以含环向贯穿脱层压电圆柱壳为研究对象,研究脱层压电圆柱壳的屈曲、动力响应和动力稳定性的问题。  利用瑞利—里兹法,推导出含脱层的压电圆柱壳屈曲本征值方程。首先,假定一种适合于脱层圆柱壳的位移模式,本文采用Heaviside单位阶跃函数,进行内力分析,推导出结构的总能量方程。基于哈密顿变分原理,采用瑞利—里兹法,得到系统在轴向载荷作用下的静力屈曲控制方程。最后,通过算例讨论压电圆柱壳在轴向静载荷作用下,脱层参数、几何参数以及温度湿度和压电材料等因素对脱层压电圆柱壳屈曲载荷的影响。  基于非线性弹性壳理论和压电原理,考虑湿热效应以及压电效应,建立含对称脱层的压电圆柱壳运动控制方程。为避免脱层区域上下贯穿,引入脱层间接触力对方程进行修正。采用有限差分法和Newton-Newmark方法对非线性微分控制方程和定解条件中偏导数进行离散,然后通过迭代法进行求解。算例中,讨论了脱层参数、湿热效应、压电效应、外载荷以及脱层间接触力对含轴对称脱层的压电圆柱壳的非线性动力响应的影响。  同样采用瑞利—里兹法,考虑压电效应等因素对脱层圆柱壳动力稳定性的影响。首先,采用Heaviside单位阶跃函数假定一种适合于脱层圆柱壳的位移模式,进行内力分析、能量分析,应用瑞利—里兹法进行能量变分得到脱层压电圆柱壳的Mathieu型参数振动方程,然后采用谐波平衡法对参数方程进行求解。通过算例讨论轴向静载荷作用下,脱层大小、脱层深度、几何参数、外激励的大小以及压电材料等因素对脱层压电圆柱壳固有频率及动力不稳定性的研究。
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