电致伸缩材料非线性力学计算中的几个问题

由于电致伸缩材料本构方程的非线性特性,该材料在力学理论计算、材料参数测试中会出现一定的困难.同时,电场体积力在计算与实验中也应纳入考虑范围.文章给出了一种合适的电致伸缩材料的本构方程,并指出电场体积力的表达式取为Maxwell应力较为合适.利用一种简单模型,给出了0阶近似下的2种处理方式（考虑电场体积力与否）的近似解以及一般处理方式下的解析解.利用推导结果得到了这3种不同处理方式下的位移、应力场数值算例.结果表明,应根据不同条件,在具体计算中合理地处理电场非线性效应以及电场体积力才能得到符合实际情况的结果.     

电致伸缩材料力学问题的位移函数解法

在Knops、Smith和Warren等人在电致伸缩问题研究的基础上,将Stratton、Landau和Lifshitz导出的电致伸缩体积力引入电致伸缩力学问题中,得出了合理的电致伸缩基本方程．并通过构造特解势函数,建立了电致伸缩力学问题的位移解法．利用变形条件、本构方程平衡方程导出了位移特势函数解所满足的Laplace方程．相应的补充解简化成一般纯弹性边界值问题,利用传统解法可以很容易求解．电致伸缩材料位移函数解法不但对各向同性材料适用,而且可以应用到各向异性材料的求解之中．最后通过算例验证了解法的正确性．     

GMF双层膜几何非线性变形模型及实验研究

超磁致伸缩薄膜(GMF)在磁致伸缩效应下的变形具有明显的几何非线性特征,应用几何线性理论描述GMF的应力应变及本构关系存在较大误差.结合几何非线性弹性理论,并将磁致伸缩效应等效为GMF上体积力作用下的变形效应,建立了GMF双层膜的几何非线性变形模型,推导出了GMF在磁场作用下的挠曲线方程.用泰勒级数法求得了挠曲线模型的数值解,采用悬臂梁式超磁致伸缩双层膜(TbDyFe-Polyimide(PI)-SmFe和TbDyFe-Cu-SmFe)对模型进行了实验验证,结果表明,所提出的几何非线性挠曲线模型与实验结果具有较好的一致性.     

基于非线性的压电层合板弯曲

考虑几何非线性和非线性压电效应,研究了压电材料作为变形驱动器的压电层合板的弯曲,建立了基于非线性的压电层合板的广义本构方程.利用Ritz法得到悬臂压电层合板的弯曲变形与作用电场间的非线性关系.计算分析表明：在强电场的作用下变形会迅速偏离线性结果,此时必须考虑非线性压电效应,而线性分析只适合于低电场的情况.     

非线性材料柱在轴向激励下的1/2亚谐共振特性

在考虑材料的非线性本构关系基础上,建立了非线性材料柱在轴向激励下纵向振动的非线性动力方程,采用谐波平衡方法求得了非线性材料柱在轴向激励下的1/2亚谐共振的近似解,并讨论分析了非线性材料柱在轴向激励下的1/2亚谐共振周期解的稳定性,给出了其动力不稳定的条件. 经讨论分析可知:随着轴向激励力振幅的增大,非线性材料柱1/2亚谐共振的振幅、共振区域、不稳定区域也增大;随着非线性材料柱的横截面积的增大,非线性材料柱1/2亚谐共振的振幅、不稳定区域将减小,共振区域则增大.     

铁电-铁弹材料的非线性本构关系及其有限元实施

分析了铁电-铁弹材料在极化过程中的滞回曲线, 根据以往的实验结果提出了一系列假设, 建立了电致屈服与应力屈服准则和等向强化模型, 提出了在屈服阶段增量形式的流动法则, 用唯象的方法提出了力-电耦合的非线性本构关系, 推导了适用于有限元计算的非线性本构关系的矩阵格式. 计算了矩形的铁电-铁弹材料试件在电场作用下从初始未极化状态至过极化状态, 然后在单轴压力作用下的去极化过程. 并与实验结果进行了比较.     

考虑温变时超磁致伸缩微致动器的动力学分析

建立了考虑温度变化时的超磁致伸缩微致动器的动态振动微分方程,得到了微致动器振动响应的非共振解析解.在已知磁化强度情况下,讨论了温度和预应力对振动响应的影响,并得到了位移响应随温度变化的系数;解出由于超磁致伸缩材料非线性而产生的亚谐共振解,讨论了温度对共振因子的影响.仿真结果表明,超磁致伸缩材料的磁-力-热耦合非线性对微...     

柔性电致伸缩聚合物薄膜结构的稳定性分析

研究了外加电场作用下柔性电致伸缩聚合物薄膜的整体收缩、表面局部屈曲与整体失稳3种变形模式.在外加电场作用下,静电力(即Maxwell应力)成为薄膜变形的主要驱动力.通过力平衡和小扰度摄动法,获得电致伸缩聚合物薄膜发生表面局部屈曲和整体失稳变形模式的转换条件;通过数值算例对这2种变形模式与电场强度、薄膜尺寸、泊松比、介电常数和电致伸缩系数等之间的相关性进行讨论.分析结果显示,通过调节外加电场强度和材料参数,能够调控电致伸缩聚合物薄膜的变形模式.     

电场冲击下电致伸缩圆柱体的瞬态位移和应力响应研究

基于Hankel和Laplace变换,对电冲击下的电致伸缩圆柱的瞬态应力和位移分布进行了研究,给出实心圆柱的瞬态位移和应力场的半解析解.数值算例结果表明,在外电场冲击条件下,圆柱内部的应力和位移将会明显增大,并呈周期性变化,该理论研究和数值分析结果可为电致伸缩材料器件的设计提供参考.     

超磁致伸缩换能器几何非线性特性分析

针对超磁致伸缩材料存在的换能器碟簧非线性刚度特性,建立了具有碟簧刚度的平方和立方非线性特性的超磁致伸缩换能器复合非线性数学模型.应用多尺度法得到了超磁致伸缩换能器几何非线性振动系统响应的解析解和频响特性表达式.计算了其有无切削力两种情况下的数值解和解析解,并分析比较了其数值解和解析解的时域波形,同时得出了实际磁性参数下的频响关系曲线,分析了外界激励f值、压磁系数d33和磁导率μ3T3对频响关系式的影响.结果表明:数值解和解析解的时域波形基本一致,满足实际要求.外界激励f值、压磁系数d33和磁导率μ3T3对超磁致伸缩换能器的频响特性有明显影响,并且是研究换能器非线性刚度特性必须考虑的.     

磁电弹性耦合材料中的本构关系

磁电弹性耦合材料的力学本构方程一般形式是通过应力、电位移、磁感应强度来表示应变、电势和磁势。文章根据连续介质的热力学理论,利用Gibbs自由能和Legendre变换,系统地推导了磁电弹性耦合材料8种形式的本构方程,为磁电弹性耦合材料的进一步研究提供了理论基础。     

圆盘间的电流变液挤压流

广义的Ｂｉｎｇｈａｍ模型通常用来描述电流变液的本构特性,但在挤压流中会导致屈服面佯谬的产生,从而得到非物理的结果。为解决这一问题,本文基于广义的双粘度模型建立了电场强度对圆盘间挤压流影响的理论分析方法。研究结果表明：由于电流变液的屈服应力随外加电场而变化,圆盘间挤压流中屈服面的位置会随着电场强度的增加而向盘面靠近,屈服区变小,电流变液对圆盘的作用力增大。     

功能梯度/压电材料中裂纹对SH波的散射问题

讨论了具有裂纹的无限长功能梯度/压电材料层合的SH波散射问题。在电渗透型边界条件情况下,将考虑的问题通过Fourier积分变换把混合边值问题的求解转化为对偶积分方程,利用Copson方法将得到的对偶积分方程转化为Fredholm积分方程再进行数值求解,得到了裂纹尖端的应力强度因子、电位移强度因子。最后讨论了材料梯度参数、入射角等因素对标准动应力强度因子的影响。     

压电材料静力耦合机理的三维解析及简化分析

在三维压电材料本构方程的基础上,推导出了用位移和电势表示的三维横观各向同性材料的平衡微分方程．考虑到平面问题的广泛性,推导得到了三维压电材料的弹性常数在二维情况下的表达式,为二维理论分析作出了准备．同时,还考察了受垂直于极性轴的轴向力的压电材料的三维解析解,得到了这种情况下的位移和电势分布情况．进而,简单分析了压电材料中弹性常数与工程常数之间的关系     

压电层合板壳剪切变形理论

提出了一种压电层合板壳的一阶剪切变形理论,采用Ｈａｍｉｌｔｏｎ原理、压电理论和层合板壳的一阶剪切变形板壳理论,推导了压电层合板壳系统的运动方程,根据一阶剪切变形理论,得到压电压合壳的应变位移关系;并由复合材料板壳的广义内力公式和压电本构关系,导出压电层合壳的广义内力－位移－电场关系;利用Ｈａｍｉｌｔｏｎ原理进行了变化推导,得到压电层合板壳剪切变形理论的运动方程,以及力学和电学边界条件。该理论可应用     

等离子体影响平板附面层流动的机理研究

基于Orlov和Corke提出的电场力模型,将等离子体作用力耦合到流动控制方程中,理论分析了等离子体对附面层流动的作用机理和效果,并通过对平板附面层流动的数值模拟验证了理论分析结果。研究表明,等离子体增加了其作用区内壁面附近的压力,绝缘壁面上的压力最大,沿壁面外法线压力梯度为负值;同时等离子体增大附面层内的速度,并诱导出沿壁面内法线方向的流动以及沿流向的顺压力梯度,这将有利于附面层流动分离的控制。随着来流速度的增加,等离子体的作用效果有所减弱,通过提高电极电压来提高电场强度,可以有效的提高其作用效果。     

外电场对层状复合材料磁电效应的影响

以Landau唯象热力学理论为基础，求得了与电场相关的压电相状态方程，结合磁致伸缩相状态方程和一定的边界条件，研究了外电场对磁电电压系数的影响．结果显示：用来极化铁电层的外电场对磁电作用有很大的影响，随着外电场的增大，横向和纵向的磁电电压系数将明显减小，从而有效分析了磁电电压系数实验值小于理论值的可能原因．     

晶体材料力学性能的热力学微观机理及本构方程的研究I.弹性部分

提出晶体材料力学性能的热力学微观机理 ,推导并得到有关晶体材料力学性能的一些重要关系式。对金属单晶材料的弹性性能及本构关系进行了研究 ,得到的结果和数据与实际现象和试验结果相一致。