MFC纖維壓電智慧型結構幾何和遲滯非線性有限元建模方法

《MFC纖維壓電智慧型結構幾何和遲滯非線性有限元建模方法》是依託上海大學，由張順琦擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：MFC纖維壓電智慧型結構幾何和遲滯非線性有限元建模方法
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張順琦
• 依託單位：上海大學

中文摘要

纖維壓電材料（Macro-fiber composite）採用普通壓電陶瓷纖維與環氧樹脂交錯排列的複雜結構形式，極大提高了其柔韌性和致動能力，有效克服了普通壓電陶瓷和聚合物脆弱易碎、致動能力弱的缺陷。針對纖維壓電層合板殼智慧型結構發生大轉角大應變變形和載入強致動電壓的計算與仿真難題，擬開展纖維壓電智慧型結構幾何和遲滯非線性建模方法研究。首先開展纖維壓電材料參數等效方法的研究，獲得建模所需的等效材料參數和遲滯非線性本構方程；其次，研究幾何和遲滯非線性建模基理，獲得建模所需的應變場和電場矩陣，以及彈性、壓電耦合、介電和遲滯等係數矩陣，並且考慮壓電纖維和電場任意方向；再次，通過採用有限元、牛頓疊代和Newmark等方法，實現對纖維壓電層合板殼靜力學和動力學建模及其後處理；最後通過數值仿真和實驗對所建模型進行驗證和修正。通過本項目的實施，最終實現纖維壓電智慧型結構大轉角變形和強致動電壓載入的計算與仿真。

結題摘要

薄壁結構廣泛存在於航空、航天、船舶等領域。由於薄壁結構弱剛性、低阻尼，使得結構極易發生形變與振動。一方面振動降低航空航天產品性能與結構可靠性，另一方面振動往往引發額外噪聲，造成腔內空間舒適度下降，並大大減弱產品的隱身性能。在薄壁結構中嵌入智慧型材料，如壓電材料、磁致伸縮材料、形狀記憶合金等，作感測與致動，形成智慧型結構，為減振降噪提供很好的解決方案。相比傳統壓電材料，粗纖維壓電複合材料MFC採用壓電陶瓷纖維與環氧樹脂交錯排列的複雜結構形式，形成高柔性、強制動的特點，具有強大的套用前景。本項目圍繞MFC壓電智慧型結構，首先，研究了MFC的組成結構與變形機理，構建了機電耦合非線性的材料參數等效模型，獲得了建模所需的應變場和電場矩陣，以及彈性、壓電耦合、介電和遲滯等係數矩陣，並且考慮壓電纖維和電場任意方向；其次，推導了幾何非線性的“應變-位移”關係，包括大轉角幾何全非線性、中等轉角幾何非線性和馮卡門幾何非線性，從理論層面上進行了對比分析；然後，構建了幾何和機電耦合雙重非線性的有限元模型，建立了非線性靜力學/動力學模的求解算法，實現了對纖維壓電層合板殼靜力學和動力學建模及其後處理；最後，對文獻典型的壓電結構進行了數值計算與仿真，驗證了本模型的準確性，實現了纖維壓電智慧型結構大轉角變形和強致動電壓載入的計算與仿真。通過本項目研究，提出了一套MFC壓電智慧型結構幾何和機電耦合非線性建模方法，為高性能壁板結構在極端環境下的準確計算提供理論基礎，如發生大變形、處在強電場環境下。最終可以較好幫助設計人員準確計算結構性能，提高研發速度、降低研發成本。