压电宏纤维复合材料智能驱动双稳态板的非线性动力学研究

The bi-stable structures actuated by smart material are those that the snap-through between two stable configurations can be achieved by smart material bonded to them. The important properties of bi-stable structures actuated by smart material are that they can have large shape change and the position of them can be controlled. They have great applied value in space vehicles, micro-electromechanical systems, deformation control of flexible Structures and so on. Recently, it has been a new research topic. The studies of bi-stable structures play an important role in design, fabrication and application of them. This term will investigate the nonlinear dynamics of carbon fibre–epoxy asymmetrical bi-stable composite laminates plate actuated by smart material (piezoelectric macro fiber composites: MFC) under external loads. Considering the interface problems between the bi-stable composite laminates and piezoelectric macro fiber composites layers, the nonlinear dynamic model will be derived. Steady configuration, nonlinear dynamics, snap-through and stability of the bi-stable plate under external loads will be studied in detail by theoretical analysis, numerical calculation and experiment.

智能驱动双稳态结构就是在双稳态结构中嵌入智能材料，通过使智能材料产生应变达到驱动双稳态结构的跳转与变形的目的。通过智能驱动的双稳态结构不仅可以实时调整结构的几何形状，还可以控制其空间位置，这在空间飞行器、微机电系统及柔性结构的变形控制等领域中具有重要的应用价值，在实际工程中有着十分广阔的应用前景。深入研究双稳态结构的智能驱动及其动力学行为，对智能可变形结构的设计与应用具有非常重要的指导意义，是近年来国内外的研究热点。本项目将以压电宏纤维复合材料（MFC）为智能驱动材料，以非对称铺设碳纤维环氧树脂复合材料层合板为研究对象，考虑MFC智能材料层与复合材料层之间由于力学性能的差异而引起的层间界面问题，建立MFC智能驱动双稳态复合材料层合板的非线性动力学模型，通过理论分析、数值计算与实验相结合的方法，对其在随动载荷与气动载荷作用下的稳态构型、跳变规律、稳定性及非线性动力学行为进行深入研究。

双稳态结构是指具有两种稳定平衡位置及构型的结构，在一定的外力作用下可以实现两种稳定平衡位置及构型之间的跳转，而且当其处于某种稳定平衡位置及构型时不需要外界持续输入能量或锁扣系统。具有双稳态特性的层合结构在作为承载结构与变形构件的同时，因其自身结构形式简单，比强度高，比模量大，可以使变形体结构的设备数量与复杂程度大大降低，同时兼具抗疲劳、减振性及过载安全性好等特点而引起相关研究者的关注与兴趣。本项目主要以粘贴有压电智能材料的、具有双稳态特性的纤维增强复合材料层合结构为研究对象，研究其稳态构型、固有振动特性，及对其在各种载荷作用下的动态跳变规律、稳定性和复杂非线性动力学行为进行深入研究。.本项目首先给出了表面粘贴有MFC层的纤维增强复合材料双稳态层合板的构型预测函数，利用Rayleigh-Ritz法得到了两个稳态构型、MFC对双稳态板稳态构型的影响，产生跳变的临界驱动电压与驱动的临界尺寸。系统研究了在面内载荷作用下的曲屈临界载荷及变形，研究发现在面内载荷作用下，随着长宽比的增大，使双稳态层合结构发生曲屈的的临界载荷都在逐渐减小并慢慢地趋于平稳，还发现通电条件下系统的临界载荷的值比不通电情况下的结果要大，而且随着通电电压的增大，系统临界屈曲载荷的值也会逐渐增大，且这种影响随着长宽比的增加是减弱。关于余弦振动脉冲电压的作用下双稳态层合结构的非线性振动，研究发现电压的激振频率和幅值在控制双稳态振动中起着很重要的作用，激励频率在系统固有频率附近，跳变行为与双阱振动更容易实现。针对四角点简支的双稳态层合结构，研究了集中载荷作用下系统的动力学行为，研究发现同尺寸双稳态层合板稳态构型跳变临界力随着层合板层数的增加而增加，同厚度的双稳态层合板跳变临界力随着尺寸的增加而增大，不同载荷之间的临界幅值也大不相同，一般突加动态载荷和递减动态载荷对应的临界幅值较小，三角载荷和正弦载荷所需动态幅值相差不大，而递增载荷所需的动态幅值最大。最后还对MFC粘贴位置进行了优化，研究发现对于四角点简支的双稳态层合结构，MFC的最优位置并不在中间，结果表明当MFC粘贴在优化过的位置时，具有更好的振动控制效果。.本项目对双稳态层合结构稳态构型、智能材料MFC粘贴位置的优化和智能驱动跳变、复杂载荷作用下系统动力学特性等进行的研究，为该类结构的设计及动力学行为的主动振动控制提供了理论参考，具有重要的学术价值。