功能梯度压电悬臂梁的多参数摄动解

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近年来,以压电材料为代表的传感驱动材料在智能结构中的应用非常广泛,对压电材料构件的力学研究将有助于智能结构的发展。目前工程中运用的压电元件大多为多层结构,当元件的某些成分或性质突变时,便容易导致粘结层在低温时开裂、高温时蠕动,这些都将大大降低材料的可靠度。因此,为了提高材料的使用性能,功能梯度压电材料作为新型复合材料应运而生。功能梯度压电复合材料结合压电材料的性能以及功能梯度材料的性能,大大提高了压电材料在不同环境下的使用性能并且延长了其使用寿命。因此,对功能梯度压电复合材料的力学研究成为国内外研究者们共同关注的热门课题之一。本文以多参数摄动法求解在复合荷载作用下功能梯度压电悬臂梁弯曲变形问题。文章首先介绍压电材料的物性参数和功能梯度函数形式,然后选取三个压电系数作为摄动参数。计算过程中首先推导出关于应力函数与电势函数的两个控制方程,然后将应力函数与电势函数关于所选取的这三个摄动参数进行摄动展开,再将应力函数与电势函数的摄动展开式代入最初的两个控制方程中,然后合并所得式的同类项,得到各阶的摄动方程组,代入假设的应力函数与电势函数的基本形式,获得各阶的微分方程组并使用边界条件进行求解得到应力函数与电势函数各阶摄动解,最后将应力函数与电势函数各阶摄动解的具体表达式回代到摄动展开式,通过相关基本方程计算得到功能梯度压电悬臂梁的应力、位移与电位移等的解答。文章最后,首先对本文解的有效性进行验证,然后讨论了在纯弯作用下功能梯度压电梁的二维解与一维解,并证明了在纯弯作用下一维解的有效性,最后分析了功能梯度系数、压电系数对悬臂梁应力、位移与电位移的影响。通过以上的计算和讨论本文有如下结论:(1)从应力、位移与电位移等的解以及各阶摄动方程组可以发现,应力函数与电势函数之间是互相耦合关联的。(2)当功能梯度系数?(29)0时,最大弯曲应力、最大剪应力、挠度、最大电位移随着?的增大而增大,当?(27)0时,以上列举的值则随着?的增大而减小;而挤压应力始终随着?增大而减小。(3)在静力荷载作用下,不同方向的压电系数对应力、位移与电位移的解的影响程度不同,并且压电效应的作用对悬臂梁仅产生微扰,这也印证了最初使用摄动法的合理性。
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