一类准周期结构压电问题的双尺度有限元算法分析

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压电材料由于其固有的机-电耦合效应和压电性能强的特点,使其在传感器、航天航空和半导体材料等高科技领域的应用越来越广泛,因此对压电材料性能的预测提出了更高要求.具有周期或准周期结构的压电复合材料是新型功能材料中学者最为关注的研究对象之一.由于周期性,一般很难得到对应问题的解析解,探讨高效可行的数值计算方法是重点研究的课题.本文对一类准周期结构中压电问题所对应的偏微分方程组的数值解进行了双尺度有限元分析.本文首先通过构造适当的单胞函数,运用双尺度渐近展开方法,得到了压电问题的高阶双尺度形式渐近展开式,并建立了描述等效压电行为的均匀化方程组及材料的均匀化力学和压电常数计算方法;接着对建立的双尺度渐近展开式进行了渐近误差估计,理论上得到了近似阶数更高的双尺度展开式,并讨论了基于形式展开的双尺度近似解;最后建立了形式渐近展开对应的双尺度有限元计算算法并简单的估计了双尺度有限元误差估计,提高了计算该结构中压电问题的速度与效率.本文所得结果对新型复合材料的开发、设计和应用有一定的理论指导意义和推广价值.
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