压电弹性层合梁静力机电耦合特性的解析解

利用直法线假设,对压电层合梁、板结构进行化简,得到压电层合梁、板结构的机电耦合方程．对层合简支梁结构在两端电学开路的情况作一探讨,用解析的方法得到了其在无外加电场作用时的静态电势和挠度分布的解析表达式．给出了压电层和基体的挠度、电势分布图．得到了电势沿厚度可看作线性分布的结论     

具有压电元件圆薄板传感器的非线性弯曲

为解决在作用电压和机械力的耦合载荷作用下具有压电元件圆薄板传感器的非线性弯曲问题,基于VonKarman薄板非线性理论和压电本构方程,导出具有压电元件圆薄板传感器非线性弯曲控制方程.利用修正迭代法得到在机、电载荷共同作用下轴对称圆薄板的载荷、挠度和电压的关系式.通过算例分别讨论机械载荷和作用电压的变化对圆薄板弯曲变形的影响,结果表明:通过改变压电元件作用电压的大小和方向,可以有效地控制圆板的曲变形.该成果对具有压电元件圆薄板传感器弯曲变形控制具有一定的理论指导意义.     

端部质量块对悬臂梁型挠曲电俘能器性能的影响

端部质量块对悬臂梁型挠曲电俘能器的性能具有显著的影响.以电吉布斯自由能为基础,基于Euler-Bernoulli梁模型,利用挠曲电材料的变分方法,推导带端部质量块的挠曲电俘能器结构的机电耦合动力学控制方程和相应的力电边界条件;利用分离变量法推导结构在短路条件下的振型正交条件和归一化振型参数;结合模态叠加法推导出挠曲电俘能器在外加简谐激励条件下位移和电势响应的解析形式.数值分析结果表明,端部质量块质量的增加和尺寸的减小可以提高俘能器输出功率并降低其共振频率,并且具有调节挠曲电俘能器最优外加电阻负载的功能.此外,当端部质量块尺寸一定时,端部质量块的质量越大,采用质点模型分析所带来的误差越明显.     

弯曲载荷下铁电薄膜畴结构演化行为的模拟研究

本文建立了三维薄膜的相场模拟方法,考虑弯曲载荷、挠曲电场、温度和尺寸等因素对PbZr_(0.2)Ti_(0.8)O_3薄膜畴结构稳定和演化的影响,探究畴结构信息力学擦除的可能性.证实了力学载荷及挠曲电效应对厚度在10 nm级别的铁电纳米薄膜畴结构可以进行有效地调控.其中温度的升高与表面挠曲电场对于畴结构演化过程有明显调控作用,有利于c--畴结构的形成.在进一步对波浪形弯曲及柱面弯曲的对比中,讨论了两种载荷方式下不同的挠曲电场取向对于力学擦除行为的影响.本文的研究对于柔性铁电电子器件往纳尺度方向的发展具有指导意义.     

具有挠曲电效应的纳米电介质变分原理及控制方程

纳米电介质具有较强的挠曲电效应,并且该效应与大的应变梯度相耦合．在纳米尺度,静电力不能被忽略．我们基于电学焓,建立了可考虑应变及极化梯度效应以及静电力影响的纳米电介质变分原理．由此变分原理,导出了其控制方程,给出了广义静电应力的表达式．广义静电应力由两部分组成,一部分为与极化及应变有关的Maxwell应力,另一部分为与极化梯度及应变梯度有关的应力．我们的工作为研究纳米电介质中的力电耦合问题提供了基础．     

热力耦合作用下CFL加固梁温度变形理论分析

研究CFL加固梁在热力耦合作用下的加固梁的变形特征具有重要的科学意义.在本课题组以往研究工作的基础上,采用理论分析研究方法,对CFL加固梁挠度在温度和载荷作用下的耦合效应进行定量的探讨.分析结果表明:热力耦合对CFL加固梁的变形影响极小,与载荷产生的挠度相差几个数量级.     

铁木辛柯纳米梁简谐强迫振动的格林函数解

通过基于Gurtin-Murdoch模型的纳米梁的控制方程,研究了铁木辛柯纳米梁的简谐强迫振动问题。在理论分析过程中引入了格林函数法,并利用变量分离法和拉普拉斯变换得到了用简单函数表示的具有封闭形式的解析解,包括简谐强迫振动控制方程的通解,以及简支梁、固支梁和悬臂梁三种典型情况的特解。利用数值算例,检验了解的有效性,考察了表面效应对铁木辛柯纳米梁简谐强迫振动行为的影响规律。结果表明:(1)表面效应会增大或减小纳米梁的刚度,从而导致梁的固有频率发生变化;(2)表面效应对纳米梁的影响程度与梁的边界条件有关且随着梁的尺寸的增大而减小;(3)表面效应对简支梁和固支梁影响较小,而对悬臂梁影响较大;(4)表面效应可以分别从梁的挠度和截面转角两个方面进行衡量,且可以得到基本一致的结果。     

热力耦合作用下CFL加固梁温度变形公式推导

研究CFL加固梁在热力耦合作用下的加固梁的变形特征具有重要的科学意义,采用理论分析研究方法,通过推导公式,对CFL加固梁挠度在温度和载荷作用下的耦合效应进行定量的探讨.分析结果表明:热力耦合对CFL加固梁的变形影响极小,与载荷产生的挠度相差几个数量级,可以忽略不计.     

具损伤压电层合微梁的坍塌特性研究

以压电层合微梁为研究对象,基于连续介质力学理论和Euler-Bernoulli梁理论,在考虑其尺寸效应和损伤效应的情况下,推导了具损伤压电层合微梁的非线性动力控制方程.采用伽辽金法和龙格库塔法进行求解,分析了多种参数对微梁结构坍塌特性的影响.结果表明,考虑几何非线性项使得损伤微梁具有更高的坍塌阈值电压;控制电压、微梁长度等参数的变化均对损伤微梁的坍塌阈值电压造成影响.最后,采用有限元软件进行仿真模拟计算,验证了理论计算结果的合理性.本文所得结论对微机电系统压电层合微梁结构的设计具有理论指导意义.     

四边简支压电功能梯度矩形薄板的屈曲

基于经典板理论, 假设材料的电弹参数为板厚方向坐标的幂函数, 采用含压电耦合项的修正层合理论, 推导了压电功能梯度薄板在电载荷作用下的屈曲方程, 并利用Navier解, 得到四边简支矩形薄板在均匀电场下的屈曲临界电压. 在此基础上, 讨论了板的几何尺寸、 材料梯度指数的变化和中面变形等因素对临界电压（电载荷）的影响. 结果表明, 压电材料的梯度化对其稳定性产生较大的影响.     

简支梯度压电梁的解析解

同时考虑材料弹性参数、压电参数和密度的梯度特性,采用逆解法求解了均布荷载作用下简支梁的力-电耦合平面应变问题.首先给出了应力函数和电位移函数的多项式表达式,进而求得了简支梯度压电梁的解析解,并对其进行了讨论.     

基于摄动理论的压电阻抗损伤识别分析

结合摄动理论和压电阻抗技术监测结构的损伤的发生和定位.本文利用一阶摄动方法获得了受损简支梁的特征值和模态振型的解析表达式.通过受损梁的模态振型得到了受损梁的阻抗,结合PZT与结构的压电耦合电导纳公式得到受损梁的电导纳信号,采用CC损伤指标评定结构的损伤程度.以一个受损简支梁为数值算例,计算了不同损伤条件下其电导纳信号和损伤指标的变化.当结构损伤位置同PZT之间的距离相同情况下,PZT的CC指标随损伤程度增加有减小的趋势;结构损伤程度相同的情况下,各损伤工况下的RMSD指标随损伤位置与PZT之间的距离的增加有减小的趋势.     

纳米硬度计研究多晶硅微悬臂梁力学特性

微构件的弹性系数影响微型传感器的静态和动态力学特性 ,为了精确的测试和评定微构件的力学特性 ,利用纳米硬度计通过微悬臂梁的弯曲试验来测量其力学特性。运用该方法可精确测量微悬臂梁纳米级弯曲变形 ,在研究微悬臂梁的纯弯曲变形过程中 ,必须考虑压头在微悬臂梁上的压入以及微悬臂沿宽度方向的挠曲。试验研究表明 ,多晶硅微悬臂梁的纯挠曲与载荷成很好的线性关系 ,通过线性关系计算得到梁的弹性模量为 [1± (2 .9%～ 6 .3% ) ]× 15 6 GPa。     

基于PZT-Si的MEMS微驱动器的设计与仿真分析

设计了一种基于PZT和Si的蟹爪型MEMS微驱动器,该具有结构简单,响应速度快,输出位移大的特点。为了进一步优化结构、提高使用性能寿命,本文根据微驱动器的结构特征,建立了直流电压下PZT蟹爪梁的的力-电耦合数学模型,得到了驱动电压与变形量的关系曲线。采用数值模拟方法开展了压电层材料、厚度等等参数对微驱动器驱动性能的影响研究,研究表明：相对于压电层厚度和输入电压的影响,压电材料性能是系统稳定性的主要影响因素。以弹性柔顺系数相对较低的“硬陶瓷”PZT-4作为压电层时,微驱动器的稳定性增强但驱动响应有所降低;而当选用弹性柔顺系数相对较大的“软陶瓷”PZT-5和PZT-5H作为压电层时,微驱动器的驱动效应增强而稳定性降低。在此基础上,对微驱动器的结构参数进行了优化分析,确定了蟹爪梁结构参数的最优组合, 为微驱动器的设计和改进提供了理论指导。     

基于PZT-Si的微机电系统微驱动器的设计与仿真分析

设计了一种基于PZT和Si的蟹爪型MEMS微驱动器,具有结构简单、响应速度快、输出位移大的特点。为了进一步优化结构、提高使用寿命,根据微驱动器的结构特征,建立了直流电压下PZT蟹爪梁的的力-电耦合数学模型,得到了驱动电压与变形量的关系曲线。采用数值模拟方法开展了压电层材料、厚度等参数对微驱动器驱动性能的影响研究,研究表明:相对于压电层厚度和输入电压的影响,压电材料性能是系统稳定性的主要影响因素。以弹性柔顺系数相对较低的"硬陶瓷"PZT-4作为压电层时,微驱动器的稳定性增强但驱动响应有所降低;而当选用弹性柔顺系数相对较大的"软陶瓷"PZT-5和PZT-5H作为压电层时,微驱动器的驱动效应增强而稳定性降低。在此基础上,对微驱动器的结构参数进行了优化分析,确定了蟹爪梁结构参数的最优组合,为微驱动器的设计和改进提供了理论指导。     

基于线性载荷简支梁挠度方程的傅里叶级数

从受分布载荷梁的总势能泛函出发,用变分法求出梁的挠度曲线微分方程,给出受线性载荷的简支梁的挠度曲线方程的傅里叶级数,并把简支梁挠度曲线方程加以推广,展开成相应的傅里叶级数,得到一系列无穷级数的求和结果,发现它们均与伯努利数和π有关.找出梁系数、伯努利数和欧拉数之间的关系,提出相应的计算公式.     

热力耦合作用下CFL加固梁温度变形理论分析

研究CFL加固梁在热力耦合作用下的加固梁的变形特征具有重要的科学意义[1]。本文在本课题组以往研究工作的基础上,采用理论分析研究方法,对CFL加固梁挠度在温度和载荷作用下的耦合效应进行定量的探讨。分析结果表明：热力耦合对CFL加固梁的变形影响极小,与载荷产生的挠度相差几个数量级。     

非极性纳米线压电电子和压电光电子学效应的研究进展

压电极化和半导体特性之间的耦合因具有独特的物理性质而引起了人们的关注，并由此兴起了一些新的研究领域(如压电电子学和压电光电子学).文章回顾了压电效应和压电光电子学效应对金属/半导体(M/S)和p-n结的影响，详细介绍了c轴和a轴压电电子和压电光电子学研究的基本进展和应用探索. c轴纳米结构中的压电效应是界面效应，它利用在纳米结构的局部M/S接触处或同质/异质结处产生的压电极化来控制载流子跨界面传输，并通过光感应载流子进行相应的光电过程.在非极性a轴纳米线中，外部应变感应的压电电荷沿整个极性表面分布，方向垂直于纳米线.压电半导体的电荷载流子传输过程在整个纳米结构体内受到压电效应的调节.     

基于简支梁挠度方程展开的傅里叶级数

从梁的挠度曲线微分方程出发,给出了承受均布载荷的简支梁的挠度曲线方程展开的傅里叶级数,并把简支梁挠度曲线方程加以推广,得到了一系列奇数倒数构成的无穷级数的求和结果,发现它们均与伯努利数有关.发现了梁系数、伯努利数和欧拉数之间的关系,给出了相应的计算公式.     

电磁弹性层状结构中的Love波传播

研究了半无限大压电(压磁)基体上覆盖压磁(压电)层的横观各向同性电磁弹性材料层状结构中 Love 波的传播规律. 电磁弹性材料的极化方向沿反平面方向的z轴. 基于电磁弹性介质的运动方程和电磁学开路和短路边界条件得到相速度方程, 进而对压磁材料覆盖层中的相速度、群速度、磁机电耦合系数、电势和磁势分布进行了计算和讨论, 并讨论了压磁系数对相速度、群速度、磁势分布等分布的影响. 分析方法和计算结果可以为相关的磁场传感器等电磁器件的研制提供参考.