压电板壳结构的边缘波特性研究

Edge wave is a special kind of guided waves which can propagate along the edge of a semi-infinite elastic structure. The related phenomena of edge waves has potential applications in the fields of non-destructive evaluation of elastic structures, the measurement of material properties as well as the miniaturization of acoustic wave devices due to its particular performance of dynamics. Therefore the deep investigations on the edge wave are of great importance. In this project, the edge wave problems for several typical piezoelectric plates and shells will be studied both theoretically and experimentally. The main contents are as follows: a) the existence and propagation behaviors of edge waves in piezoelectric semi-infinite plates and shells; b) theory and experiment for edge waves in asymmetrically laminated plates; c) the influences of non-linear interfacial model on interfacial waves in piezoelectric bi-material plates and shells guided by an imperfect bonding; d) the effects of inhomogeneous biasing fields such as initial stress or electric field on edge waves in piezoelectric plates. The objective of this project is to reveal the influences of material properties, structure types, boundary and interface conditions, and biasing fields on the behaviors of edge waves in piezoelectric structures. Some new physical and mechanical phenomena triggered by the effect of multi-field coupling are expected to be found and well discussed. The completion of this project can offer a better understanding of edge wave in various piezoelectric structures and also provide a theoretical basis for the optimal design of piezoelectric acoustic wave devices.

边缘波是沿着半无限结构边缘传播的一种特殊导波，其独特的动力学性能使其在结构无损检测、材料性能反演以及声波器件小型化等方面具有广阔的应用前景，因此对边缘波开展深入研究具有重要的理论意义和应用价值。本项目拟采用理论分析和实验相结合的方法，对几类压电板壳结构的边缘波问题进行系统研究，主要包括：半无限压电板壳边缘波的存在性和传播特征；非对称压电层合板边缘波的理论分析和实验测试；压电双材料板壳的界面波以及非线性界面模型的影响；非均匀偏场作用下压电板边缘波的传播特性。通过以上研究，期望获得材料性能、结构型式、边界条件以及偏场作用对压电板壳边缘波特性的影响规律，揭示多场耦合效应可能引发的新的物理力学现象，加深对这类材料边缘波特性的理解和认识，为压电声波器件的设计优化提供理论指导，同时丰富该领域的研究成果。

边缘波独特的性能使其在声波器件的结构优化、无损检测、材料性能测试等方面具有广阔的应用前景，研究各类压电结构中边缘波的传播特性具有重要的科学意义和应用价值。本项目研究了半无限横观各向同性和正交各向异性压电板的边缘波和边缘谐振；压电双层、夹层和复合结构中边缘弯曲波的传播特性；弹性基础上半无限压电板和复合板的边缘波；压电双曲壳的振动特性等。此外还考虑了压电层状结构表面和界面周期性起皱对弹性波传播特性的影响。主要结果包括：1)半无限压电结构端部的电学条件对边缘波的传播速度影响不大，实际应用中可对理论模型进行简化；2)边缘弯曲波的相速度与半空间中的Rayleigh表面波速呈正相关性，可作为声波器件材料选择的依据；3)经典板理论显著高估了边缘波的传播速度，采用一阶剪切和高阶剪切变形理论得到的结果较为相近，对于边缘波问题的理论分析可忽略高阶项；4)对正交各向异性板和夹层板的分析表明各向异性较弱的材料中弯曲波的传播速度较高；5)半无限板与板条拼接形成的压电复合板中的边缘波具有多模态特征，这在单相材料中是不存在的，为压电声波器件的工作模态提供了更多选择；6)弹性基础的存在导致边缘波衰减，传播速度降低，但对频散行为的影响主要集中于小波数范围内；7)压电夹层结构中边缘弯曲波的传播速度较压电单层板大，层厚比对波速有重要影响，合理的结构设计可获得所需的波速；8)压电覆层表面的弱起皱对弹性波有增益作用，而界面起皱降低了波的传播速度，增益和减弱作用在小波数范围内较明显，这对行波放大器和分布式反馈振荡器的设计应用以及材料表面轮廓的表征具有参考价值；9)证明了正交晶系压电板中激发边缘谐振必须在板的上下表面和端部均施加电学开路条件，其他情况均不能激发边缘谐振。以上结果揭示了结构型式、边界条件以及材料性能对压电材料结构中边缘波传播特性的影响规律，发现了一些由力电耦合引发的新的物理力学现象，进一步丰富了压电声波理论和器件应用领域的研究成果。