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压电纤维复合材料层合壳的非线性动力学研究
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摘要
压电纤维复合材料(Macro Fiber Composite)是近几年兴起的一种新型压电复合材料,在振动控制、变形控制和颤振抑制等方面都有广泛的应用~([1])。压电纤维复合材料是由压电纤维粘贴于各种板壳结构表面复合而成的一种新型材料,它将压电纤维和电极以一定的方式排列在高分子聚合物的夹层中,结构主要由3部分组成:a.压电纤维层,其中压电纤维以平行的方式排列在一起;b.附有电极的高分子表层,电极材料为铜,以十指交叉的方式排列在高分子薄膜中,且电极丝与下层的压电纤维相互垂直;c.粘合材料,通常是环氧聚合物。它有寿命长、厚度薄、重量轻、韧性大和驱动力大等优点~([2])。压电纤维复合材料结构同时具有驱动和传感的性能特点,这引起了国内外众多学者的极大兴趣,对压电纤维材料结构的振动特性进行了大量研究。Panda等人~([3])研究了几何大变形下压电纤维增强复合材料功能梯度层合板的非线性动力学特性。Xia等~([4])基于高阶剪切变形板理论和大变形理论,分析了热环境下,表面粘结压电纤维增强复合材料驱动器的功能梯度材料板的非线性动态响应。Thinh等人~([5])研究了粘结有压电驱动器和传感器贴片的玻璃纤维/聚酯复合材料板的挠曲变形和振动响应控制。Sohn等人~([6])利用Donnell的壳理论和拉格朗日方程得到了带有压电纤维复合材料驱动器的智能材料壳结构的运动控制方程,并分析了壳体结构的动态特性。Shiyekar等~([7])基于高阶剪切变形理论,给出了双稳态情况下,压电纤维增强复合材料层合板结构振动响应的解析解。Mareishi等~([8])基于欧拉-伯努利梁理论和几何非线性理论,研究了在机械、热和电载荷共同作用下,表面粘合压电纤维增强复合材料层合梁的力学特性。李敏等人~([9])研究了压电驱动器控制翼面变形方面的静动态特性。Rafee等人~([10])基于一阶剪切变形板理论和几何大变形理论,研究了表面粘合压电驱动器的碳纳米管/纤维/聚合物复合材料板结构的非线性自由振动响应。学者们对压电材料在振动控制和结构优化等方面的应用也做了大量的研究。Sodano等人~([11])研究了可充气压电纤维复合材料结构的振动抑制和结构的动态状况监测,实验结果表明将压电纤维复合材料作为传感器和致动器可以抑制结构振动。李允等~([12])采用有限元方法研究了1-3型压电纤维复合材料结构参数对驱动性能的影响。Ray等人~([13]))利用压电纤维增强复合材料做阻尼层,研究了约束层和压电纤维取向对复合材料层合薄壳振动的影响。Choi等~([14])讨论了用压电纤维复合材料驱动器来抑制旋转复合材料薄壁梁的振动响应。侯志伟等~([2])研究了压电纤维复合材料的传感和驱动性能,并将其应用于梁的频响辨识和尾翼结构的减振,以及通过试验表明压电纤维复合材料有优良的传感和驱动元性能。赵国旗等~([15])有限元方法探讨了对叉指式压电纤维复合材料驱动器的结构优化。
引文
1.李敏,陈伟民,贾丽杰.压电纤维复合材料铺层用于翼面设计的驱动特性与刚度影响.航空学报,2010,31(2):418-425((Li Min,Chen Weimin,Jia Lijie.Drive Characteristics and Stiffness Influence with Piezoelectric Fiber Composite Actuators on Airfoil Surface.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica,2010,31(2):418-425(in Chinese))
    2.侯志伟,陈仁文,徐志伟,刘强.压电纤维复合材料在结构减振中的应用.振动、测试与诊断,2010,30(1):51-54(Hou Zhiwei,Chen Renwen,Xu Zhiwei,Liu Qiang.Application of Macro-Fiber Composite to Structural Vibration Suppression.Journal of Vibration,Measurement&Diagnosis,2010,30(1):51-54(in Chinese))
    3.Panda S,Ray M C.Active control of geometrically nonlinear vibrations of functionally graded laminated composite plates using piezoelectric fiber reinforced composites.Journal of Sound and Vibration,2009,325:186-205
    4.Xia X K,Shen H S.Nonlinear vibration and dynamic response of FGM plates with piezoelectric fiber reinforced composite actuators.Composite Structures,2009,90:254-262.
    5.Thinh T,Ngoc L K.Static behavior and vibration control of piezoelectric cantilever composite plates and comparison with experiments.Computational Materials Science,2010,49:S276-S280
    6.Sohn J W,Choi S B,Kim H S.Vibration control of smart hull structure with optimally placed piezoelectric composite actuators.International Journal of Mechanical Sciences,2011,53:647-659
    7.Shiyekar S M,Kant T.Higher order shear deformation effects on analysis of laminates with piezoelectric fiber reinforced composite actuators.Composite Structures,2011,93:3252-3261
    8.Mareishi S,Rafiee M,He X Q,Liew K M.Nonlinear free vibration post buckling and nonlinear static deflection of piezoelectric fiber-reinforced laminated composite beams.Composites:Part B,2014,59:123-132
    9.李敏,陈伟民,贾丽杰.压电驱动器的气动弹性应用.航空学报,2009,30:2301-2310(Li Min,Chen Weimin,Jia Lijie.Application of Piezoelectric Actuators to Aircraft Aeroelastic Performance Enhancement.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica,2009,30:2301-2310(in Chinese))
    10.Rafiee M,Liu X F,He X Q,Kitipornchai S.Geometrically nonlinear free vibration of shear deformable piezoelectric carbon nanotube/fiber/polymer multi-scale laminated composite plates.Journal of Sound and Vibration,2014,333:3236-3251
    11.Sodano H,Park A,G.and Inman D J.An investigation into the performance of macro-fiber composites for sensing and structural vibration applications.Mechanical Systems and Signal Processing,2004,18:683-697
    12.李允,沈星,王宁.1-3型压电纤维复合材料结构参数对驱动性能的影响.材料导报,2008,22(12):89-99(Li Yun,Shen Xing,Wang Ning.Influence of Structure Parameters of l-3 Piezoelectric Fiber Composites on Actuation Capability.Materials Review,2008,22(12):89-99(in Chinese))
    13.Panda S,Ray M C.Active control of laminated cylindrical shells using piezoelectric fiber reinforced composites.Composites Science and Technology,2005,65:1226-1236
    14.Choi S C,Park J S,Kim J H.Active damping of rotating composite thin-walled beams using MFC actuators and PVDF sensors.Composite Structures,2006,76:362-374
    15.赵国旗,韩伟,骆英.指式压电纤维复合材料驱动器的结构优化.陶瓷学报,2013,34(4):467-471(Zhao Guoqi,Han Wei,Luo Ying.Structure Optimization of IDE Piezoelectric Fiber Composites actuators.Journal of Ceramics,2013,34(4):467-471(in Chinese))

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