非均匀机电场下压电材料的理论分析

一、非均匀机-电场作用下压电材料的理论分析（论文文献综述）

蒲育^[1]（2020）在《多场耦合作用下功能梯度微梁的静动态响应分析》文中研究说明微机电系统（MEMS）目前广泛应用于航空航天、生物医疗、汽车电子、信息通讯和环境监测等领域。MEMS是采用先进复合材料和微机械加工技术将微组件进行微电路集成,微组件的尺度通常在微米乃至纳米量级,且其核心组件通常可简化为微结构单元,如微梁、微板、微壳等。一方面,功能梯度材料（FGM）和功能梯度压磁/压电材料（FGPM）作为当前先进复合材料和智能材料的典型代表,因其可设计性,它能实现结构不同部位对材料功能的特殊环境要求以及智能控制,另一方面,梁模型以其简单而高效的结构形式,广泛应用于现代工程诸多领域,如微传感器、微驱动器、微谐振器等。随着近些年微/纳米测试技术的迅猛发展,许多材料力学实验已表明:微结构的静动态力学特性均呈现出尺度依赖性。但经典连续介质力学理论无法解释尺度效应这一现象,学者们为此提出了不同的非经典连续介质力学理论,如非局部弹性理论、偶应力理论和非局部应变梯度理论等。在实际工程中,微结构会遇到各种复杂的服役工况,如湿-热环境、磁-电-热环境。分析多场耦合作用下此类微结构的静动态力学特性对于MEMS核心组件的安全与设计、功能与优化、智能与控制具有十分重要的意义,这也是复合材料细观力学和纳米力学优先发展的前沿课题,因而目前备受学者们关注和重视。本文以MEMS中复合材料微梁结构单元的静动态力学行为具有尺度效应为研究背景,在两类位移场描述法下采用一种n阶广义梁理论（GBT）,在Eringen非局部弹性理论框架下和Hamilton体系下对服役于特定多物理场作用下功能梯度微梁的耦合静动态响应分析实施了力学建模,寻求有效且优化的数值方法实施了多物理场作用及多因素影响下功能梯度微梁耦合静动态响应分析的定量数值求解。为了便于解耦,为此提出一种改进型广义微分求积法（MGDQ）求解功能梯度微梁在多物理场作用下的耦合振动问题。为避免耦合屈曲问题求解的再次解耦,则首次采用了振动与屈曲这两类静动态力学行为之间的二元耦联性实施解耦,统一编写了两类问题MGDQ法数值求解的MATLAB计算程序。当考虑有阻尼作用情况时,粘弹性FGM/FGPM微梁结构振动的特征频率为复数,应用MGDQ法则很难快速准确的识别有效频率,因而采用一种扩展型广义Navier法求解了特定多物理场作用下三种典型边界FGM/FGPM微梁的粘弹性自由振动问题。具体来讲,本文的主要研究内容包括:（1）基于n阶GBT和Eringen非局部弹性理论,以轴向位移、弯曲变形和剪切变形项横向位移为基本未知量描述位移场,在Hamilton体系下统一建立了湿-热-力耦合作用下多孔FGM微梁静动态响应分析的力学模型,推导出了控制方程和非局部边界条件。该模型考虑了材料加工缺陷微孔隙的影响,采用了双参数Winkler-Pasternak弹性地基,同时考虑了湿度与温度沿梁厚度方向按不同类型稳态分布以及材料物性随温度变化的相关性,基于含孔隙率修正的Voigt混合幂率模型表征FGM微梁的材料属性。采用MGDQ法数值研究了弹性地基上多孔FGM微梁在湿-热环境中以及在初始轴向机械力作用的耦合振动和耦合屈曲特性。此外,考虑了外加横向静载荷的作用,应用Navier法研究了多孔FGM简支微梁在湿-热-力共同作用下的耦合弯曲特性。（2）考虑了材料结构的粘弹性以及地基粘弹性的外阻尼效应,提出了三参数粘弹性地基上多孔功能梯度粘弹性微梁模型。基于n阶GBT和Eringen非局部理论,以轴向位移、截面转角和横向位移为基本未知量描述位移场,应用Hamilton原理,建立了粘弹性地基上多孔FGM微梁在湿-热环境中以及在初始轴向机械载荷共同作用下的动力学方程并导出了非局部边界条件,应用一种扩展型广义Navier法数值分析了3种典型边界下该粘弹性FGM微梁的有阻尼自由振动特性。（3）考虑了压电和压磁两种材料复合而组成的功能梯度材料,采用n阶GBT,基于多场耦合Eringen非局部弹性理论和Maxwell方程,以轴向位移、弯曲变形项横向位移、剪切变形项横向位移、电位和磁位为基本未知量,在Hamilton体系下统一建立了磁-电-热-力耦合作用下FGPM微梁静动态响应分析的力学模型,推导出了控制方程和非局部边界条件。考虑了外电场极化、外磁场磁化以及温度分布均沿FGPM微梁的厚度方向,采用了双参数弹性地基模型,应用MGDQ法数值研究了弹性地基上FGPM微梁在磁-电-热环境中以及在初始轴向机械力共同作用的耦合振动和耦合屈曲特性。此外,考虑了外加横向静载荷的作用,采用Navier法分析了FGPM简支微梁在磁-电-热-力共同作用下的耦合弯曲特性。（4）从能量耗散角度出发,采用三参数粘弹性地基模型,同时考虑了材料结构内阻尼因素的影响,提出了磁-电-热-力-粘弹作用下FGPM微梁的动力学模型。基于多场耦合Eringen非局部理论,以轴向位移、截面转角和横向位移为基本未知量描述位移场,采用n阶GBT,应用Hamilton原理建立了该模型的动力学控制方程,采用扩展型广义Navier法数值研究了该粘弹性FGPM微梁在磁-电-热环境中以及在初始轴向机械力共同作用下的有阻尼自由振动特性,深入分析了多因素对微梁动力学输出响应重要参数的影响。（5）在数值求解耦合问题方面,本文采用优化的数值方法实施了复杂系统的定量模拟计算。首先通过引入边界条件控制参数,应用MGDQ法实施了3种不同典型边界FGM/FGPM微梁耦合振动响应求解的MATLAB统一化编程。其次基于屈曲与振动这两种静动态力学行为之间的二元耦联性,通过编写相应循环子程序用以获得FGM/FGPM微梁系统的耦合屈曲静态响应。研究结果表明:该分析方法行之有效,此过程避免了微梁耦合屈曲响应求解的二次解耦,极大的提高了计算效率,二次优化了MGDQ这一数值分析方法。（6）揭示了屈曲与振动这两类静动态力学行为之间的二元耦联性,重点刻画了尺度效应、多参数及多因素对于多场耦合作用下FGM/FGPM微梁静动态响应的影响规律,深入分析了其耦合作用影响机理。研究结果可为今后MEMS中复合材料微梁结构单元的安全与设计、功能与优化、智能与控制提供必要的理论依据和应用参考,同时也为多场耦合作用下功能梯度此类复合材料微结构的力学行为研究提供两种切实可行、行之有效的数值分析方法。

陈冬冬^[2]（2020）在《基于压电传感技术的螺栓预紧力监测研究》文中指出螺栓连接因具有传力直接,拆卸方便,经济性好等特点而广泛应用于机械,土木,航空航天等领域。然而,在结构振动,温度变化等环境因素作用下,螺栓会不可避免的发生不同程度的松动。螺栓节点的松动会削弱节点刚度,降低连接件的可靠性,严重时甚至会导致整体结构的破坏。本文基于压电陶瓷智能材料,对螺栓松动监测中环境噪声干扰问题,多螺栓松动监测问题以及螺栓初始微小松动监测等关键技术难题开展研究。本文的主要内容及结论如下:（1）提出基于压电材料的智能垫圈传感器,并结合时间反演算法提高环境噪声下接收信号信噪比传统传感器在与被监测结构耦合过程中会对结构带来一些不利影响,如消弱螺栓刚度,增加节点质量等。为消除传感器带来的不利影响,本文首先提出了一种将压电陶瓷嵌入垫圈中而形成的能够感应预紧力变化的智能垫圈传感器。结合时间反演算法,提出了具有噪声鲁棒性的螺栓松动监测方法。此外,研究了螺栓节点时间反演算法声学互异性。对不同噪声水平和激励幅值下接收信号信噪比进行了验证。最后通过一个智能垫圈发射信号,另一个智能垫圈传感器接收信号的方式,进行了时间反演实验。在数据处理方面,利用小波能量方法,提取敏感频段的能量作为螺栓松动指数。实验结果表明,时间反演算法能够显着提高接收信号在噪声环境下的信噪比,拓展了以幅值或能量为判断依据的螺栓松动监测方法在噪声环境下的适用性。（2）基于压电阻抗串/并联模型,提出了能够有效减少传感器数量及采集通道的分布式螺栓松动监测方法大型结构螺栓节点处螺栓数量众多,如何利用少量传感器实现不同位置处螺栓松动监测是亟待解决的问题。考虑到基于时间反演的螺栓监测方法属于主动传感方法,需要“一发一收”两个传感器进行监测。为减少传感器数量,基于压电阻抗方法,提出了基于压电阻抗串/并联方式的螺栓松动监测方法。首先利用单个压电智能垫圈传感器的阻抗方法监测了单螺栓松动过程。其次,通过串/并联多个传感器,实现单个通道单次扫频获得多个传感器多个位置处的耦合机电阻抗曲线。根据等效电路原理,对串/并联阻抗特性进行分析。根据分析结果,选取串联方式下压电电阻信号为研究对象,进行多螺栓松动监测验证实验。在串/并联电路信号处理方面,提出了基于3dB带宽的均方根误差（3dB-RMSD）方法。实验结果表明,基于压电阻抗串/并联电路的分布式螺栓松动监测方法不仅可以减少传感器数量而且可以精确判断螺栓松动程度以及松动位置。（3）提出基于尾波干涉（Coda Wave Interferometry,CWI）技术的高分辨率螺栓初始松动监测方法螺栓松动监测的目的是提前预警,即在螺栓发生微小松动的情况下给出松动提醒。而以上方法对螺栓初始微小松动不够敏感,为了解决这一问题,本文提出了基于尾波干涉的高分辨率螺栓松动监测方法。通过利用波形伸缩法（Stretching）计算尾波在不同预紧力改变情况下的时移程度,进而判断螺栓松动情况。首先,通过波形叠加原理对提出方法的可行性进行了理论分析。其次,通过数值仿真,对尾波干涉的高敏感性进行了验证。最后,在相关验证实验的基础上,定义了可检测螺栓预紧力分辨率（DRBP）指标,定量分析了尾波干涉方法的分辨率。实验结果表明,基于尾波干涉的螺栓松动监测方法对螺栓预紧力变化具有很高的敏感性,其极限预紧力监测分辨率达到0.323%。因此,基于尾波干涉的螺栓监测方法可以有效监测螺栓预紧力的微小改变,解决螺栓初始松动监测难题。（4）研究了直达波和尾波对螺栓预紧力变化的分辨率,提出了基于直达波和尾波协同监测螺栓不同程度松动的方法螺栓在服役过程中,其预紧力可能会经历从微小变化到较大损失的过程。本文针对螺栓预紧力不同损失程度,提出了基于直达波和尾波的预紧力损失协同监测方法。基于波形叠加原理和声弹性效应,首先对直达波和尾波可监测螺栓预紧力分辨率的不同进行了理论分析,揭示了直达波和尾波时移程度与螺栓预紧力变化的线性关系。其次,通过实验的方法,研究了直达波和尾波对预紧力变化的敏感性。实验结果发现,直达波的极限DRBP值为1.681%,即基于直达波波形时移的方法适用于预紧力变化程度大于1.681%的情况。而尾波的DRBP范围为0.323%-1.980%,即基于尾波的螺栓预紧力监测方法适用于预紧力变化程度在0.323%-1.980%的情况。综上所述,基于尾波干涉的方法适用于螺栓预紧力变化微小的情况,即初始松动问题,而基于直达波时移的监测方法可以反映螺栓预紧力发生较大松动的情况。将直达波与尾波相结合,可以监测螺栓不同程度预紧力变化。

陈宁^[3]（2020）在《压电晶片驱动的新型柔性微动平台热-压电-力耦合分析与控制》文中研究说明随着微机电系统和纳米科学技术的飞速发展,作为微纳米运动平台或系统主要组成部分的微智能驱动器、柔顺机构、超/高精度传感器以及高性能控制器,在行程、功能、精度、运动特性及智能化等方面都已得到了极大提升,从而成就了其在高端装备制造、生物医学、光学通讯、航空航天等高科技产业以及交叉学科前沿领域的战略性主导地位。然而,由于以往所采用叠堆型压电陶瓷驱动器或音圈电机与柔性机构构成的微纳米运动平台或系统,多存在整体结构尺寸大、加工及部件成本高、行程小、装配误差大等缺点,因而极大地限制了其在超/高精密加工、超分辨显微生物医学成像、微/纳米操作、空间光通讯、遥感与测量等更具苛刻精度、性能要求技术与装备领域的发展和应用。针对以上诸多限制,本文提出并设计了一种由压电（陶瓷）晶片驱动器驱动的三自由度一体化全柔性薄板型微动平台（简称三自由度柔性压电晶片微动平台）,以满足多学科多领域前沿科技对微纳机电系统提出的更小尺寸、更低成本、更大行程等要求。尤其,为传统柔顺微动平台、微/纳操作台以及快速转向反射镜等微纳米运动平台或系统在精密工程领域中的诸多应用限制场景,提供了可行有效的方案。并重点研究了压电晶片驱动器如何通过与能量（如电能和热能）之间的复杂、精准的耦合作用实现柔性压电微动平台优良静/动态特性的科学规律。具体主要研究内容如下:首先,同时考虑了电场和温度场变化引起的热-压电（参数）耦合对单/双层压电晶片驱动器外部弯曲特性的影响,以及微驱动器弯曲时横向变形对内部应力应变分布和中性面位置的影响,进而基于欧拉伯努利梁理论,分别建立了其在热/电载荷及热电载荷复合作用下的静力学挠度输出改进模型和热-压电耦合挠度输出改进模型,并进行了仿真和实验验证。此外,研究了结构尺寸变化对单/双层压电晶片驱动器输出特性的影响,并求得了单层压电晶片驱动器的等效惯性矩,确定了其最大端部挠度输出时的最优厚度比,从而为压电晶片驱动器的优化设计和分析提供了理论支持和依据。其次,提出了一种由压电晶片驱动器驱动且具有更小尺寸、更低成本、更大行程等优点的三自由度一体化全柔性薄板型微动平台,并基于柔度矩阵法,建立了包含其各组成单元结构尺寸及分布位置尺寸参数的热-压电-力耦合静力学输出模型。同时,采用2个四象限位置敏感探测器实现了该柔性压电晶片微动平台的三自由度位姿输出量检测,并分别进行了其在热/电载荷及热电载荷复合作用下的仿真和实验,验证了所建立的热-压电-力耦合静力学输出模型的有效性和准确性。此外,研究了结构尺寸变化对柔性压电晶片微动平台输出行程和固有频率的影响,并确定了该微动平台中心点在限制电压下的三自由度运动范围,从而为此类一体化全柔性薄板型微动平台的设计和优化提供了理论依据和指导。再次,分析了三自由度柔性压电晶片微动平台在微纳米运动过程中的内部热-压电-力耦合影响,确定了其内部各压电晶片驱动器等效形变量与微动平台位姿输出量之间的转换关系,并将该具有分布参数特点的柔性压电晶片微动平台等效为三自由度弹簧-质量-阻尼集中参数系统模型,进而基于拉格朗日第二类方程,建立了该三自由度柔性压电晶片微动平台在热电复合场下的热-压电-力耦合动力学模型。同样,通过仿真和实验验证了所建立动力学模型的有效性和准确性,从而为基于系统数学模型的反馈控制方法研究提供了可用的理论模型。最后,基于已建立的单层压电晶片驱动器热-压电耦合静力学挠度输出改进模型,求得了可将热载荷转化为等效电载荷的热-电转换系数,补偿了因温度变化引起的柔性压电微动平台内部各压电晶片驱动器挠度输出误差,并基于已建立的柔性压电晶片微动平台热-压电-力耦合动力学模型,引入了基于扩张状态观测器的滑模控制方法,最终实现了该三自由度柔性压电晶片微动平台在热电复合场下的高精密位姿解耦伺服控制。

王力恒^[4]（2020）在《功能梯度压电材料的力-热-电耦合非均匀性Cell-based光滑有限元法》文中提出科学技术的飞速发展使智能材料在工程中的应用越来越广泛。其中,功能梯度压电材料由于其良好的力-电耦合特性及非均匀性,备受国内外研究人员的关注。作为智能设备的核心,功能梯度压电材料经常处于高温作业中。由于力场、电场及热场的相互影响,增大了求解功能梯度压电结构在热场中响应的难度。实际工程中,有限元法是迄今为止求解多物理场耦合问题最成熟且应用最广泛的数值计算方法,但它构造的刚度矩阵偏“硬”,对网格质量要求高。光滑有限元法基于高斯散度定理,将体积分/面积分转化为面积分/线积分,消除了形函数求导,简化了计算过程。该方法对网格质量要求低,计算精度高,受到了许多学者的青睐。本文基于功能梯度压电材料的基本方程及有限元方法,引入了光滑应变技术,提出了一种力-热-电耦合的非均匀性Cell-based光滑有限元法（CICS-FEM）,推导出该方法的控制方程,结合动力学中改进的Wilson-θ法求解功能梯度压电材料在力-热-电多物理场耦合中的稳态/瞬态响应。通过对功能梯度压电结构进行数值计算,验证了CICS-FEM的可行性和有效性。将传统有限元法使用加密网格所得的结果作为参考解,并与CICS-FEM所得结果进行对比,进一步验证了CICS-FEM的优势。数值算例结果表明,CICS-FEM有效地解决了有限元法刚度矩阵过“硬”、位移解偏小、对网格质量要求高、处理畸变网格能力低等问题,具有高收敛率、精度高、效率高的特点。

邹敏杰^[5]（2020）在《高指数取向铁电薄膜畴结构的像差校正透射电子显微学研究》文中研究表明铁电材料在居里温度以下存在自发电极化,而且该电极化可以与多种外场相互耦合,使得这类材料在非易失性存储器、制动器、微电子机械系统等功能器件领域具有巨大的应用前景。随着这类功能器件小型化和节能化的发展需求日益增强,以低维形式应用的铁电薄膜呈现出极大的优势,而薄膜内部的畴结构及其在外加电场演化行为对其使用性能具有决定性作用。本论文以经典四方铁电体PbTiO3为研究体系,利用脉冲激光沉积技术设计生长了多种薄膜体系,主要利用像差校正透射电子显微镜并结合压电力显微镜和高分辨X射线衍射从多尺度解析了薄膜的微观结构,深入研究了其中的畴结构在外加电场作用下的演化过程并分析了其对相关电学性能的影响。相关研究结果表明高指数[111]取向的铁电体薄膜具有迥异于[001]取向铁电体薄膜的性能特征,如较低的矫顽场、较高的介电性以及不受衬底钳制的压电响应等,然而由于高指数铁电薄膜的复杂性,对其中畴结构及其调控方法还缺乏深入的认识。为此,我们在正交结构的GdScO3（101）o衬底上外延生长了系列不同厚度的[111]取向PbTiO3薄膜,并研究了其中的畴结构演化特征和结构细节。我们发现,在衬底施加的非对称应变作用下,块体PbTiO3中三种铁弹变量在我们制备的薄膜中只存在其中两种（d2和d3）,这两种铁弹变量在薄膜内部会形成d2/dg和d2-/d3+两种畴结构。随着薄膜厚度的增加,表面电荷效应会减弱,PbTiO3薄膜内部畴结构会由d2+/d3+和d2-/d3+混合畴组态转变为d2+/d3+单一畴组态,而且d2+/d3+畴结构的周期与薄膜厚度的平方根成正比,满足KMF定律。我们进一步研究了两种畴结构的极化分布特征和原子尺度上的结构细节,发现两种畴组态的极化和晶格应变分布特征均符合90°铁弹畴,而且晶格转角和应变的分布与c轴的投影分量直接相关。这些研究结果丰富了人们对铁电薄膜中畴结构及其调控手段的认识,并为基于铁电畴结构的纳米器件的设计提供了指导。畴结构对铁电材料的物理性能有重要影响,认识其在外电场作用下的演化是理解相关性能来源的关键所在,如畴结构在外电场下翻转被认为是准同型相界处（MPB）压电响应增强的原因之一,另外两种可能的贡献据认为是单斜相的本征晶格响应和外场导致的结构转变,表明在压电性贡献来源方面一直存在争议。为此我们设计制备了[111]和[001]取向的PbTiO3薄膜体系,后者作为对比。研究发现[001]取向的PbTiO3薄膜为四方结构,畴结构为单c畴结构,而[111]取向的PbTiO3薄膜为类MPB的单斜相结构,而且形成了畴壁面为{201}的单斜畴结构。然后,通过研究两种薄膜在外电场作用下的响应过程,发现[001]取向的PbTiO3薄膜只会经历铁电畴的翻转,而[111]取向的PbTiO3会依次发生铁电畴翻转和外场导致单斜到四方的可逆结构相变。最后我们结合压电响应过程分析,表明相对于单斜相本征晶格响应和畴结构的翻转,外加电场导致的结构转变对压电响应的贡献最大。该研究不仅揭示了单斜相畴结构的特征,还澄清了压电性贡献的来源,为高性能压电体的设计提供了思路。大量研究结果表明不仅仅铁电薄膜的畴结构会影响其性能,薄膜内部的微观结构也很重要,尤其是其引起的非均匀应变分布,如薄膜内部局域的非均匀应变可能会通过挠曲电效应影响薄膜内部极化的分布和畴组态进而影响铁电保持性,但相关实验证据还很不充分。为了直接研究铁电保持性和挠曲电效应的关系,我们设计生长了常规PbTiO3薄膜和应变梯度PbTiO3薄膜,利用像差校正透射电子显微镜结合压电力显微镜和X射线倒空间图谱对两种薄膜的畴结构演化过程和薄膜内部应变分布进行了深入分析,发现薄膜内部应变梯度的存在会导致铁电薄膜发生保持失效。原子尺度的晶格和成分分析表明Pb原子部分取代了PbTiO3中Ti的位置而形成了富集铅元素的反相畴结构,该结构对PbTiO3施加面外方向的拉应变从而在薄膜内部引入面外方向的应变梯度,该应变梯度通过挠曲电效应形成与翻转极化相反的挠曲电场,最终使PbTiO3薄膜发生保持失效。该结果从原子尺度上澄清了挠曲电导致铁电保持失效的原因,有助于进一步理解并提高氧化物铁电体的保持性及其在存储应用领域的可靠性。

刘翔^[6]（2020）在《一维压电半导体挠曲电与应变梯度效应理论分析》文中研究表明由于兼具压电材料和半导体材料的双重物理特性,压电半导体近年来愈发受到关注,已成为智能器件研究领域最为前沿的材料之一。在众多压电半导体结构中,以纳米纤维为代表的一维压电半导体是电子元件中重要的结构形式之一。然而,近年来的一些实验表明,微纳尺度下的材料也会表现出一系列和宏观尺寸下不同的性质,即具有尺度效应。因而,一维压电半导体应变梯度和挠曲电效应等尺度效应的理论研究工作,对微纳尺度下智能结构元件的设计具有重要指导价值。综合考虑挠曲电效应和应变梯度效应,本文开展如下工作:（1）基于压电半导体材料,对一维压电半导体受拉力作用问题进行了分析,得到了电势、载流子浓度、电位移以及电场的解析表达式。然后通过选取不同的挠曲电系数和内禀尺度参数,分析了挠曲电效应和应变梯度效应对物理场的影响。结果表明,两种效应对物理场的分布均有影响,影响程度取决于挠曲电系数和内禀尺度参数,且随着构件尺寸增加,效应会减小。（2）利用一阶梁理论分析了一维压电半导体悬臂梁受弯曲问题,得到了挠度、转角、电势、载流子浓度的解析表达形式。分析了挠曲电效应和应变梯度效应对上述物理场的影响,结果表明两种效应对物理场的分布均有影响,且影响的大小取决于挠曲电系数和内禀尺度参数。本文的研究工作为今后压电半导体的尺寸效应研究打下了基础,为微纳尺度压电半导体器件的设计开发提供了理论支持,对实际工程应用具有指导价值。

张文华^[7]（2020）在《横观各向同性涂层结构和压电陶瓷涂层器件的三维接触》文中指出涂层结构在工程中被广泛应用于提高结构的可靠性和耐久性,这类结构失效的主要原因是由于各种接触载荷引起的涂层和基体内及其界面上的应力集中。压电陶瓷涂层器件在工程中被广泛用作传感器、激励器和俘能器等重要的功能器件。对于涂层结构和压电陶瓷涂层器件在力电接触载荷作用下机电场的精细计算是对其进行安全性和功能性分析和设计的必要条件。基于这一工程需求,本学位论文对横观各向同性涂层结构和压电陶瓷涂层器件在工程中最为常见的球面、锥面和柱面三种力电接触载荷作用下的三维机电场进行了研究,系统给出了一系列的解析解。主要工作成果包括以下三个方面。（1）对于横观各向同性涂层结构,基于横观各向同性材料三维机械场控制方程的通解,考虑光滑和有摩擦接触两种情况,分别推导得到了涂层结构在球面、锥面和柱面三种机械接触载荷作用下,涂层和基体内机械场的三维全场解析解。并基于所得到的解析解计算了接触半径,优化了涂层厚度,讨论了界面脱层区域,并优选了涂层材料。基于此,对涂层结构进行了精细的安全性分析和设计。（2）对于压电陶瓷涂层器件,分别基于压电陶瓷材料耦合的三维机电场控制方程的通解和横观各向同性材料非耦合的三维机电场控制方程的通解,分别推导得到了压电陶瓷涂层器件在球面、锥面和柱面三种机电接触载荷作用下,压电陶瓷涂层内和基体内机电场的三维全场解析解。并基于所得到的解析解对压电陶瓷涂层器件分别进行了安全性和功能性分析和设计。（3）基于以上研究成果和数学平台编制了涂层结构接触力学专用软件平台。由于采用的计算方法不是传统的数值计算方法（如有限单元法）,而是直接以显式函数给出的三维全场解析解,所以该软件平台具有很高的计算精度和计算效率。在使用过程中计算技巧简单,非常方便于工程界的应用。利用该平台,降低工程人员设计成本,快速准确地找到各个影响因素的相互关系,从而抓住主要矛盾,事半功倍地解决问题,以获得成本低廉,性能优越的涂层结构。

朱帅^[8]（2020）在《基于多场耦合效应功能梯度压电材料中的缺陷分析》文中研究说明功能梯度压电材料是一种新型的非均匀性复合材料,在航空航天、军工等领域得到了广泛的应用。由于生产制造工艺及服役环境复杂等方面的原因,功能梯度压电材料在生产使用过程中会产生大量缺陷,因此研究多场耦合作用下的功能梯度压电材料中的缺陷问题具有重要的实际意义。本文利用有限元软件ABAQUS对力电单场和多场作用下功能梯度压电材料中的单缺陷和多缺陷进行了研究,进一步分析了压电材料中的三维缺陷,最后讨论了热场和热电场作用下的功能梯度压电材料中的二维缺陷和三维缺陷。主要内容包括:首先,基于多场耦合作用下的功能梯度压电材料的本构关系,几何关系和边界条件,利用分层法的原理进行材料的梯度划分。建立功能梯度压电材料中的单圆孔缺陷有限元模型,分别讨论了在力场、电场和力电耦合场作用下不同梯度参数、缺陷形状、缺陷尺寸以及梯度函数对缺陷周围应力和电位移分布的影响规律。提出几何过程函数作为梯度函数来进行功能梯度材料属性的调控,得到了不同梯度函数对缺陷周围应力和电位移的影响规律。其次,针对功能梯度压电材料中的多圆孔缺陷问题,分别在力场、电场以及力电耦合场作用下,详细研究了多缺陷的平行分布、共线分布以及不同方位排布、梯度参数、缺陷的尺寸变化和缺陷的个数对缺陷周围应力和电位移分布的影响,进一步分析了多缺陷之间相互作用存在的增强效应和屏蔽效应的影响规律。再次,基于实际工程中的不同类型的三维缺陷问题,分别建立了穿透型缺陷、角缺陷、表面缺陷和内埋缺陷有限元模型。在力场、电场和力电场耦合作用下,利用有限元方法得到了不同类型三维缺陷周围的应力和电位移的分布规律,讨论了缺陷的形状因素对缺陷周围应力和电位移的影响规律,并在力场作用下利用等几何分析进行了验证。最后,分别在热场和热电耦合场作用下,对功能梯度压电材料中单圆孔缺陷模型的梯度参数进行了分析,研究了梯度参数对缓解缺陷周围热应力和电位移的影响规律。进一步讨论了热载荷下多缺陷的排布方式、缺陷尺寸、缺陷形状对缺陷周围应力和电位移的影响规律以及三维缺陷的问题。同时研究表明,施加电场可以达到有效减小缺陷周围热应力和电位移的目的。

孔园洁^[9]（2020）在《具有任意属性功能梯度压电材料断裂分析》文中研究说明功能梯度压电材料作为一种新的非均匀复合材料,材料性能在梯度方向连续变化。现有的实验表明,功能梯度压电材料在制造和使用过程中会产生裂纹或缺陷,使其产生应力和电场集中现象,可能导致材料破坏甚至失效。因此,分析功能梯度压电材料的断裂问题具有重要意义。本论文针对具有任意属性功能梯度压电材料,分析相应的断裂力学问题。本文首先研究含有I型裂纹且具有任意属性功能梯度压电材料的静态断裂力学问题。提出了分段指数模型,将功能梯度压电材料沿厚度方向分成若干层,假设每层材料属性呈指数函数形式变化。然后利用积分变换和留数定理等方法,推导出奇异积分方程组,获得裂纹尖端应力强度因子,并分析了分层数、裂纹长度以及材料属性分布形式对应力强度因子的影响。结果表明,当分层数足够大时可以获得应力强度因子的收敛解;将材料属性假设为特殊函数形式求解功能梯度压电材料断裂问题解析解是具有一定局限性。其次,研究了含有任意方向裂纹且具有任意属性功能梯度压电材料的静态断裂问题。首先利用叠加原理,将此裂纹问题分为两部分。其次,利用分段指数模型,分别求出这两部分解。最后根据边界条件推导出奇异积分方程组,获得裂纹尖端应力强度因子,验证了用分段指数模型求解此断裂问题的正确性,分析了裂纹角度等参数对裂纹尖端应力强度因子的影响。结果表明,裂纹角度是影响应力强度因子的一个重要因素。最后,分析了含有I型裂纹且具有任意属性功能梯度压电材料的动态断裂力学问题。首先利用拉普拉斯变换将此动态断裂问题转换为拉普拉斯域上的静态断裂问题。其次,利用分段指数模型求解该问题,获得应力强度因子。最后利用拉普拉斯反演技术获得时间域上的应力强度因子,分析非均匀参数、裂纹长度对应力强度因子的影响。结果表明,非均匀参数对应力强度因子的影响明显。

褚亮亮^[10]（2020）在《功能梯度介电材料中的尺寸效应和挠曲电效应及其机理分析》文中提出挠曲电效应描述的是应变梯度诱导介质电极化以及电场梯度诱导介质变形的现象。不同于传统的压电效应,该效应作为一种新型的力电耦合效应,具有不受介电材料的结构对称性和居里温度限制、小尺寸效应等特点。这一课题的早期研究主要着眼于液晶和生物薄膜。近年来,纳米技术的出现也显示了该效应在固体结构中的重要性,如柔性电子、薄膜、俘能器等。由于传统块状介电材料获得大的应变梯度的局限性,许多学者采用特殊形状结构（棱锥台、管状锥形台）和复合结构材料（层合板、周期层状结构）来探究材料的挠曲电耦合性能。然而,上述的材料结构模型具有力学缺陷以及难以应用于实际的工程结构中。功能梯度材料是一种先进的功能性复合材料,其组成成分在空间上呈现连续且不均匀的分布结构,具有优良的力学性能和工程应用价值。同时,由于结构不均匀的分布特性,导致对称性破坏,进而诱导大的不均匀应变场。本文以功能梯度介电材料为研究对象,对该类型复合介电材料的力学性能、挠曲电力电耦合性能、尺寸效应以及实际工程应用进行了深入的研究。本文的研究内容主要包括:细观力学分析。基于Mori-Tanaka方法,通过对球形夹杂复合挠曲电材料问题进行分析,成功地预测出了模型的高阶弹性模量和挠曲电系数。基于Toupin型压电理论和挠曲电理论框架,重新推导了包含尺寸效应和挠曲电效应的各向同性材料的挠曲电理论。同时,基于张量分析的方法,给出了高阶双对称性的六阶张量的代数运算可以转换为简单矩阵运算的方法,将高阶的弹性张量转化为等效的低阶弹性张量。进而将难以解决的高阶张量问题转化为传统问题。静力学分析。通过对功能梯度纳米圆筒和圆柱的弹性理论解的求解,发现了功能梯度材料即使无弯曲变形,也会产生挠曲电效应。基于发展的各向同性材料的挠曲电理论,分析了功能梯度挠曲电纳米圆筒和纳米柱在静力学下的力学和电学响应问题。首先,利用有效张量运算和轴对称关系,给出了考虑材料结构分布、尺寸效应和挠曲电效应的四阶变系数偏微分方程的弹性理论解。同时,指出了现有文献中理论解的错误。其次,讨论了功能梯度圆筒的尺寸效应和挠曲电耦合性能。最后,设计了一个功能梯度压缩纳米柱模型,给出了各向同性的功能梯度介电材料的等效压电系数。动力学分析。通过对功能梯度纳米挠曲电材料的动态响应问题进行分析,探究了多场作用下功能梯度材料的不均匀性与尺寸效应对挠曲电效应的影响。将发展的挠曲电理论应用到动态自由振动的系统中,分析了功能梯度挠曲电纳米梁在动力学下的力学和电学响应问题。首先,不同于传统的功能梯度材料,设计了一个更加合理的功能梯度结构,分析并比较了功能梯度材料相对于传统均匀混合材料在力电耦合上的优势。其次,分析了功能梯度材料的梯度结构对材料的挠曲电效应和振动频率的影响。再次,分析了考虑温度依赖性的功能梯度挠曲电纳米梁的热致非线性动力学问题。最后,分析了材料的梯度指数、尺寸效应、挠曲电效应以及温度对结构的振动幅度和频率的影响。工程应用。设计出了一种新型的功能梯度挠曲电俘能器,该俘能器考虑了非线性的影响,分析了不同的材料成分比和梯度指数对输出电压和输出功率的影响,并且通过调节功能梯度的梯度结构、组成成分、模型尺寸的大小以及外界电阻来优化俘能器的力电耦合性能。本文的研究结果,为新型器件的创新与开发提供了有意义的指导作用。

二、非均匀机-电场作用下压电材料的理论分析（论文开题报告）

（1）论文研究背景及目的

此处内容要求：

首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景，再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题，并提出你的论文准备的观点或解决方法。

写法范例：

本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。

（2）本文研究方法

调查法：该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。

观察法：用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。

实验法：通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。

文献研究法：通过调查文献来获得资料，从而全面的、正确的了解掌握研究方法。

实证研究法：依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。

定性分析法：对研究对象进行“质”的方面的研究，这个方法需要计算的数据较少。

定量分析法：通过具体的数字，使人们对研究对象的认识进一步精确化。

跨学科研究法：运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。

功能分析法：这是社会科学用来分析社会现象的一种方法，从某一功能出发研究多个方面的影响。

模拟法：通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。

三、非均匀机-电场作用下压电材料的理论分析（论文提纲范文）

（1）多场耦合作用下功能梯度微梁的静动态响应分析（论文提纲范文）

（2）基于压电传感技术的螺栓预紧力监测研究（论文提纲范文）

（3）压电晶片驱动的新型柔性微动平台热-压电-力耦合分析与控制（论文提纲范文）

（4）功能梯度压电材料的力-热-电耦合非均匀性Cell-based光滑有限元法（论文提纲范文）

（5）高指数取向铁电薄膜畴结构的像差校正透射电子显微学研究（论文提纲范文）

（6）一维压电半导体挠曲电与应变梯度效应理论分析（论文提纲范文）

（7）横观各向同性涂层结构和压电陶瓷涂层器件的三维接触（论文提纲范文）

（8）基于多场耦合效应功能梯度压电材料中的缺陷分析（论文提纲范文）

（9）具有任意属性功能梯度压电材料断裂分析（论文提纲范文）

（10）功能梯度介电材料中的尺寸效应和挠曲电效应及其机理分析（论文提纲范文）

四、非均匀机-电场作用下压电材料的理论分析（论文参考文献）

• [1]多场耦合作用下功能梯度微梁的静动态响应分析[D]. 蒲育. 兰州理工大学, 2020
• [2]基于压电传感技术的螺栓预紧力监测研究[D]. 陈冬冬. 大连理工大学, 2020(01)
• [3]压电晶片驱动的新型柔性微动平台热-压电-力耦合分析与控制[D]. 陈宁. 山东大学, 2020(08)
• [4]功能梯度压电材料的力-热-电耦合非均匀性Cell-based光滑有限元法[D]. 王力恒. 吉林大学, 2020(08)
• [5]高指数取向铁电薄膜畴结构的像差校正透射电子显微学研究[D]. 邹敏杰. 中国科学技术大学, 2020(01)
• [6]一维压电半导体挠曲电与应变梯度效应理论分析[D]. 刘翔. 郑州大学, 2020(02)
• [7]横观各向同性涂层结构和压电陶瓷涂层器件的三维接触[D]. 张文华. 湖南大学, 2020(01)
• [8]基于多场耦合效应功能梯度压电材料中的缺陷分析[D]. 朱帅. 河北工业大学, 2020
• [9]具有任意属性功能梯度压电材料断裂分析[D]. 孔园洁. 哈尔滨理工大学, 2020(02)
• [10]功能梯度介电材料中的尺寸效应和挠曲电效应及其机理分析[D]. 褚亮亮. 北京交通大学, 2020