基于智能压电片的热-电-机械耦合载荷下结构可控形变研究

本文针对智能复合材料层合板(SCL)在热-电-机械多场耦合下的形状控制难题，开发了包含温度相关本构关系、三阶剪切变形理论(TOSD)和冯·卡门几何非线性的全耦合非线性有限元(FE)模型，并提出了高效的梯度下降算法求解控制电压。研究揭示了温度升高通过降低板刚度和提高压电系数来增强形变能力，为航空航天自适应结构（如变形机翼）的设计提供了重要见解。

　　

Section snippets

Governing equations

所考虑的智能复合材料层合板(SCL)系统是一个耦合系统，涉及机械、电学和热学状态。对SCL进行建模需要数学表达式来描述这三种物理状态及其耦合相互作用。

机械状态由位移{q}、应变{ε}和应力{σ}描述，如下所示：

{q} = [u, v, w]^T

{ε} = [ε_xx, ε_yy, γ_xy, γ_xz, γ_yz]^T

{σ} = [σ_xx, σ_yy, τ_xy, τ_xz, τ_yz]^T

其中u, v 和 w 分别是 x, y 和 z 方向上的位移分量。应变-位移关系为...

Results and discussion

在本节中，基于新开发的有限元(FE)模型，研究了智能复合材料层合板(SCL)在热-电-机械扰动下的形状变形。所研究的SCL由一个长度为L_c、厚度为t_c的方形复合材料板组成，如图5所示。共置的压电片以长度L_p和厚度t_p粘结在主机板的上表面和下表面。

考虑了两种类型的边界条件，如图6所示。对于完全铰接的SCL...

Conclusions

本文研究了由分布式压电片控制的智能复合材料层合板(SCL)的热-电-机械形状变形。开发了一个全耦合非线性有限元(FE)模型来描述SCL板的耦合行为，并使用梯度下降法来计算形变所需的激活电压。研究并讨论了热载荷和SCL配置对形状变形策略的影响。为了直接评估形状变形的性能...