本文關鍵詞：基于狀態(tài)空間法壓電疊層固支梁力學性能研究

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【摘要】：智能材料在大型結構與工程的安全和發(fā)展領域展現(xiàn)出了良好的應用前景,特別是大型結構的健康監(jiān)測和診斷,在土木工程中,壓電智能材料在結構監(jiān)測、控制、智能調(diào)節(jié)等方面都發(fā)揮了極大的作用。在眾多的結構中,由于壓電智能材料構成的疊層構件是常用的構件之一,需要對不同壓電疊層材料在不同支撐和受力情況下的力學性能進行研究,以便于尋求更精確、更便捷、更快速的求解方法,為結構的設計和制造提供理論基礎。文中分別采用一般彈性材料、疊層彈性材料、壓電智能單層材料、壓電智能疊層材料兩端固支梁為力學模型,以彈性力學的三大基本方程(本構方程、運動方程和梯度方程)為基礎,引入狀態(tài)空間法,通過矩陣推導與計算,建立了相應的狀態(tài)方程,結合相應的邊界條件求解出了狀態(tài)傳遞矩陣。并且以梁僅在上表面受均布荷載作用時的情況為例,經(jīng)過代數(shù)運算,求得梁的任意高度處狀態(tài)變量的精確解。在求解壓電疊層材料狀態(tài)空間解時,考慮壓電材料的壓電效應,忽略體力、體電荷、體電流,結合壓電效應方程,得到傳遞矩陣,最終得出壓電疊層梁各個狀態(tài)變量的精確解。這種方法對于單層梁和疊層梁均適用,不受厚度的限制,在疊層構件的求解中可廣泛應用。文章最后利用MATLAB軟件對不同跨高比的一般彈性材料單層梁、一般彈性材料疊層梁、彈性壓電材料單層梁和彈性壓電材料疊層梁進行了數(shù)值計算,得到相關力學與電學的解答,并與有限元軟件ANSYS的模擬結果進行了對比。由結果對比得到結論,無論是單層梁還是疊層梁,無論是同種材料還是多種材料,計算結果均十分相近。在考慮了不同高跨比的情況下,本文方法計算結果與FEM模擬結果的誤差也在允許范圍之內(nèi)。由此可知,本文對于固支梁邊界條件的假定是十分準確的,本文提出基于狀態(tài)空間理論研究壓電材料結構的方法對于不同材料的單層梁與疊層梁的計算結果都十分準確,且此方法適用于疊層結構與計算機編程。
【關鍵詞】：固支梁 疊層梁 壓電材料 狀態(tài)空間法 精確解
【學位授予單位】：合肥工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TU317
【目錄】：

• 致謝6-7
• 摘要7-8
• ABSTRACT8-14
• 第一章 智能材料概述14-24
• 1.1 引言14
• 1.2 智能材料的簡介14-18
• 1.2.1 智能材料的概念、組成與分類14-16
• 1.2.2 智能材料的應用前景16-18
• 1.3 壓電智能材料的簡介與應用18-22
• 1.3.1 壓電智能材料的簡介18-19
• 1.3.2 壓電智能材料的研究現(xiàn)狀19-20
• 1.3.3 壓電智能材料在土木工程中的應用20-22
• 1.3.4 壓電材料的發(fā)展前景22
• 1.4 本文的工作內(nèi)容及安排22-24
• 1.4.1 主要工作內(nèi)容22-23
• 1.4.2 工作安排23-24
• 第二章 一般彈性材料固支單層梁的精確解24-33
• 2.1 狀態(tài)空間法的相關理論24-26
• 2.2 一般彈性材料單層梁的狀態(tài)方程26-30
• 2.3 一般彈性材料固支單層梁精確解30-32
• 2.4 本章小結32-33
• 第三章 彈性壓電材料固支疊層梁的精確解33-52
• 3.1 壓電效應與本構方程33-39
• 3.1.1 壓電材料的彈性性能與介電性能33-35
• 3.1.2 壓電材料的正壓電效應及表達式35-37
• 3.1.3 壓電材料的逆壓電效應及表達式37-38
• 3.1.4 壓電材料的四類本構方程38-39
• 3.2 壓電材料單層梁的狀態(tài)方程39-42
• 3.3 壓電材料固支單層梁的邊界條件42-43
• 3.4 壓電材料固支單層梁的精確解43-44
• 3.5 狀態(tài)空間法在疊層構件中的應用44-45
• 3.6 彈性材料固支疊層梁的精確解45-48
• 3.7 壓電材料固支疊層梁的精確解48-50
• 3.8 本章小結50-52
• 第四章 數(shù)值仿真算例52-72
• 4.1 MATLAB軟件在數(shù)值模擬中的作用52-55
• 4.1.1 MATLAB的主要特點及應用52-53
• 4.1.2 參數(shù)與矩陣的輸入53
• 4.1.3 矩陣運算語句53-54
• 4.1.4 循環(huán)語句54
• 4.1.5 數(shù)值精度與結果輸出54-55
• 4.2 ANSYS軟件在數(shù)值模擬中的應用55-59
• 4.2.1 ANSYS軟件的計算步驟和技術特點55-57
• 4.2.2 疊層梁模型57-58
• 4.2.3 材料與環(huán)境的模擬58-59
• 4.3 彈性材料固支梁仿真計算59-63
• 4.3.1 一般彈性材料固支單層梁仿真計算60-61
• 4.3.2 一般彈性材料固支疊層梁仿真計算61-63
• 4.4 材料固支梁仿真計算63-70
• 4.4.1 壓電材料固支單層梁仿真計算64-67
• 4.4.2 壓電材料固支疊層梁仿真計算67-70
• 4.5 本章小結70-72
• 第五章 結論與展望72-74
• 5.1 本文結論72-73
• 5.2 研究展望73-74
• 參考文獻74-78
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文及科研成果78

【參考文獻】

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本文編號：648575