挠电壳结构的多场耦合理论、传感及控制

功能材料性能的增强与多场耦合理论的完善可以提高结构传感和控制的精度，有助于智能结构电子系统的开发和设计，增大其实际工程应用价值。本项目以挠曲电（Flexoelectricity，简称挠电）材料的力/电/弹多场耦合效应为研究基础，明确挠电效应的力电耦合作用，阐明智能结构中挠电效应的传感和控制机理，建立一套全新的双曲率挠电连续体及厚/薄壳结构的机电多场耦合、传感与控制理论，为实现结构的分布式传感和控制奠定理论基础。分析双曲率挠电壳结构的动/静态特性，对工程壳结构（如柱壳、圆环、梁等）进行传感及控制。设计挠电结构模型与实验方案，搭建实验平台，测量挠电材料参数，验证其传感和控制效果。结合参数分析、数值模拟与实验验证，建立挠电壳结构的设计及应用指导方法，并最终实际应用于单/双曲率壳结构的结构变形与控制及分布式传感与控制。

本项目以挠电（Flexoelectricity）材料的力/电/弹多场耦合效应为研究基础，明确了挠电效应的力电耦合作用，运用Hamilton原理和方法，推导出了一套新的双曲率挠电厚/薄壳体的电/力/弹耦合动力学方程。基于该力电耦合方程，揭示了智能结构中挠电效应的传感和作动机理，发展了基于挠电效应的结构传感、能量采集与作动理论，为实现智能复杂结构的超精密传感和控制奠定了理论基础。结合特定工程结构的实际需求，通过选定不同结构的拉梅常数(Lamé parameters)与曲率半径，基于双曲率壳结构的传感、能量采集和作动理论还可应用于不同类型的特殊壳体（如柱壳、圆锥壳、旋转抛物壳、球壳等）以及其他非壳（如圆板、方板、梁、圆环等）等结构。本项目针对性地开展了几类特殊壳/非壳结构的挠电传感、能量采集和作动研究，给出了挠电传感与作动的分布规律，研究了不同结构参数对传感信号及控制效果的影响。此外对挠电材料的挠电系数进行了测量，并设计和搭建实验平台开展了基于悬臂梁结构的挠电分布式传感与控制实验，实验结果证明了基于挠电效应的分布式传感与控制理论的正确性。本项目研究为将智能挠电壳结构应用到结构超精密传感和控制领域提供了理论与实验依据。