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《北京交通大学》 2007年
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功能梯度压电智能梁的特性分析及其应用

向宏军  
【摘要】: 压电材料,由于具有良好的力电耦合特性而被广泛应用于诸多工程领域,已有预言,压电材料将在下一代结构——智能结构中发挥重要作用。为了得到较大的驱动力,工程中目前使用的压电元件多为多层结构,如压电双晶片、Rainbow及压电堆等。这种结构,虽然获得了较大的驱动力,但元件中某些材料成分和性质的突然变化常常会导致结构中出现局部的应力失配,即在层间界面处存在明显的应力差,其后果就是粘结层在低温易开裂、高温易蠕变,进而缩短了元件的寿命。随着科技的进步,功能梯度材料的制备已成可能,并且以其独特的优良性能展现出日益广泛的应用前景。功能梯度压电材料就是将“压电材料”与“功能梯度材料”相结合发展起来的一种新型材料,兼具压电和梯度二者的优点,利用它制作压电元件可以克服传统压电元件中存在的问题。 功能梯度压电材料在工程应用中有许多新的问题需要解决,如准确的分析模型以及有效的计算方法等。本论文针对上述一些基本问题,进行了较系统的研究,主要内容包括:1)采用逆解法给出了功能梯度压电梁的理论解,并应用此解分析了材料的优化设计以及压电驱动器的宏观性能。2)求得了几种典型压电层合结构的解析解,讨论了电极和粘结层对压电层合梁以及复合梁宏观性能的影响。3)考虑剪切变形对梁弯曲性能的影响,在Timoshenko梁理论中加入电学效应,采用微分求积法深入分析了结构在温度环境下的弯曲性能及动力特性。4)基于上述理论分析,提出了一种可以用于功能梯度压电材料参数识别的新方法,通过测量一些基本的宏观物理量,即可方便地确定材料的梯度参数。5)考虑到建筑结构经常会受到不同程度的环境噪声危害,长期暴露在高噪声坏境下对人们的身心健康十分不利,为此,本文建立了可用于建筑噪声主动控制的三维声固耦合模型,并应用该模型研究了民用建筑噪声的控制问题。 本文工作不仅对完善功能梯度压电材料的基础理论与分析方法,而且对功能梯度压电智能结构的合理设计与工程应用均具有非常重要的意义。
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