工程力学专业毕业论文工程力学专业毕业论文 精品论文精品论文 智能材料结构的多场耦合问智能材料结构的多场耦合问题的基本理论及其应用题的基本理论及其应用关键词：压电材料关键词：压电材料 压磁材料压磁材料 力电耦合力电耦合 电磁耦合电磁耦合 多场耦合多场耦合摘要：压电、压磁材料作为传感器和激励器与结构集成在一起，组成一个智能 的材料系统，或称为压电、压磁复合材料。研究这一类智能结构的首要工作是 建立起能够准确反映压电、压磁传感器和激励器与主体结构之间相互作用的分 析模型，这种分析模型既要能够从整体上反映压电智能结构中力电耦合相互作 用的内在联系，又要便于运用必要的数学工具进行分析和计算。根据模型适用 的研究范围，压电、压磁智能结构的分析模型可分为静态模型和动态模型；根 据模型中对弹性场、电场和磁场采用的不同假设，又可划分为精确的理论分析 模型、简化模型或者称为低阶分析模型(弹性场、电场和磁场简化为一阶的线性 分布)和高阶分析模型。在分析和比较已有压电、压磁材料与智能结构的分析模 型时，从压电、压磁器件与结构之间的连接来看，通常有嵌入式和表面粘贴两 种方式。但是，这些简化的模型，通常采用了线性或者高阶的位移和电势分布 假设，忽略或部分忽略了局部变形的非均匀性，因而不能反映压电、压磁器件 与结构结合部的局部应力和局部电场。另外，压电、压磁材料的本构方程中包 含了弹性、压电、压磁、介电和磁通率等三套材料常数，使问题的复杂性体现 在各场的耦合上。为了能正确描述由三维理论揭示的各种力、电、磁特性，本 文提出了一个高阶理论模型，该模型放弃了现有的所有的解析模型采用的几个 过于简化的假设，即忽略横向正应变和电势沿横向线性分布等，基于三维线性 弹性理论，采用状态空间法、Laplace 变换、Hankel 变换和级数展开等方法， 系统地分析压电、压磁复合材料结构的静态和动态特性。 论文突破传统对智 能材料的磁、电及机械等微观与聚集观物理性能的局部了解，将压电与压磁材 料整合为一系统，进而研究其力学分析模式和理论架构。1)通过引入势函数来 研究压电、压磁弹性体在直角坐标系下和在柱坐标系下的空间问题的通解。2) 通过利用 Almansi 定理导出压电、压磁复合材料平面问题的通解，将通解简化 为由四个“调和函数”来表示所有的物理量，形式简单，便于应用。3)利用状 态空间方法，建立了空间轴对称问题的状态变量方程，然后利用 Hankel 变换将 状态变量方程转换为一组常微分方程，得到了 Hankel 变换空间中的解，再通过 Caylay-Hamilton 原理和传递矩阵方法推出压电、压磁复合材料层合结构的状 态变量解。4)通过 Hankel 变换技术，研究压电、压磁复合材料层合结构自由振 动的精确解以及压电、压磁复合材料空间球对称结构在外激励作用下的动力稳 态解，从而为压电、压磁复合材料的智能控制问题提供良好的理论依据。 以 上问题的研究旨在探索压电、压磁复合材料智能结构中力-电-磁耦合作用的基 本规律，提出分析压电、压磁材料智能结构的一般力学模型和计算方法，其中 广泛考虑了板边的各种边界条件。以便较准确地估计该种复合材料组成的结构 在各种不同因素作用下的力学行为，为压电、压磁复合材料的智能结构后续研 究及其应用研究提供主要的理论基础和分析方法。通过研究发现，压电、压磁 复合材料层合结构中的力、电、磁行为特性是非常复杂的，即使是薄压电、压 磁结构，其电势、磁势沿厚度方向也不一定是线性分布。 综上所述，本文紧 紧抓住压电、压磁材料中力电磁耦合作用的物理本质，探索适合于压电、压磁智能结构的数学物理模型，系统性地：1)对压电和压磁复合材料结构的静态和 动态特性；2)对压电和压磁复合材料结构中出现的应力、电场分布和磁场分布； 3)对压电和压磁复合材料结构与弹性介质的相互作用以及含固定电极压电和压 磁体的 Green 函数等基本问题进行深入和详细的研究。这些研究无论对于压电、 压磁材料与智能结构的基础理论研究，还是对将来压电、压磁材料与智能结构 的设计和工业化应用都具有重要的理论意义和实际应用价值。正文内容正文内容压电、压磁材料作为传感器和激励器与结构集成在一起，组成一个智能的 材料系统，或称为压电、压磁复合材料。研究这一类智能结构的首要工作是建 立起能够准确反映压电、压磁传感器和激励器与主体结构之间相互作用的分析 模型，这种分析模型既要能够从整体上反映压电智能结构中力电耦合相互作用 的内在联系，又要便于运用必要的数学工具进行分析和计算。根据模型适用的 研究范围，压电、压磁智能结构的分析模型可分为静态模型和动态模型；根据 模型中对弹性场、电场和磁场采用的不同假设，又可划分为精确的理论分析模 型、简化模型或者称为低阶分析模型(弹性场、电场和磁场简化为一阶的线性分 布)和高阶分析模型。在分析和比较已有压电、压磁材料与智能结构的分析模型 时，从压电、压磁器件与结构之间的连接来看，通常有嵌入式和表面粘贴两种 方式。但是，这些简化的模型，通常采用了线性或者高阶的位移和电势分布假 设，忽略或部分忽略了局部变形的非均匀性，因而不能反映压电、压磁器件与 结构结合部的局部应力和局部电场。另外，压电、压磁材料的本构方程中包含 了弹性、压电、压磁、介电和磁通率等三套材料常数，使问题的复杂性体现在 各场的耦合上。为了能正确描述由三维理论揭示的各种力、电、磁特性，本文 提出了一个高阶理论模型，该模型放弃了现有的所有的解析模型采用的几个过 于简化的假设，即忽略横向正应变和电势沿横向线性分布等，基于三维线性弹 性理论，采用状态空间法、Laplace 变换、Hankel 变换和级数展开等方法，系 统地分析压电、压磁复合材料结构的静态和动态特性。 论文突破传统对智能 材料的磁、电及机械等微观与聚集观物理性能的局部了解，将压电与压磁材料 整合为一系统，进而研究其力学分析模式和理论架构。1)通过引入势函数来研 究压电、压磁弹性体在直角坐标系下和在柱坐标系下的空间问题的通解。2)通 过利用 Almansi 定理导出压电、压磁复合材料平面问题的通解，将通解简化为 由四个“调和函数”来表示所有的物理量，形式简单，便于应用。3)利用状态 空间方法，建立了空间轴对称问题的状态变量方程，然后利用 Hankel 变换将状 态变量方程转换为一组常微分方程，得到了 Hankel 变换空间中的解，再通过 Caylay-Hamilton 原理和传递矩阵方法推出压电、压磁复合材料层合结构的状 态变量解。4)通过 Hankel 变换技术，研究压电、压磁复合材料层合结构自由振 动的精确解以及压电、压磁复合材料空间球对称结构在外激励作用下的动力稳 态解，从而为压电、压磁复合材料的智能控制问题提供良好的理论依据。 以 上问题的研究旨在探索压电、压磁复合材料智能结构中力-电-磁耦合作用的基 本规律，提出分析压电、压磁材料智能结构的一般力学模型和计算方法，其中 广泛考虑了板边的各种边界条件。以便较准确地估计该种复合材料组成的结构 在各种不同因素作用下的力学行为，为压电、压磁复合材料的智能结构后续研 究及其应用研究提供主要的理论基础和分析方法。通过研究发现，压电、压磁 复合材料层合结构中的力、电、磁行为特性是非常复杂的，即使是薄压电、压 磁结构，其电势、磁势沿厚度方向也不一定是线性分布。 综上所述，本文紧 紧抓住压电、压磁材料中力电磁耦合作用的物理本质，探索适合于压电、压磁 智能结构的数学物理模型，系统性地：1)对压电和压磁复合材料结构的静态和 动态特性；2)对压电和压磁复合材料结构中出现的应力、电场分布和磁场分布； 3)对压电和压磁复合材料结构与弹性介质的相互作用以及含固定电极压电和压 磁体的 Green 函数等基本问题进行深入和详细的研究。这些研究无论对于压电、压磁材料与智能结构的基础理论研究，还是对将来压电、压磁材料与智能结构 的设计和工业化应用都具有重要的理论意义和实际应用价值。 压电、压磁材料作为传感器和激励器与结构集成在一起，组成一个智能的材料 系统，或称为压电、压磁复合材料。研究这一类智能结构的首要工作是建立起 能够准确反映压电、压磁传感器和激励器与主体结构之间相互作用的分析模型， 这种分析模型既要能够从整体上反映压电智能结构中力电耦合相互作用的内在 联系，又要便于运用必要的数学工具进行分析和计算。根据模型适用的研究范 围，压电、压磁智能结构的分析模型可分为静态模型和动态模型；根据模型中 对弹性场、电场和磁场采用的不同假设，又可划分为精确的理论分析模型、简 化模型或者称为低阶分析模型(弹性场、电场和磁场简化为一阶的线性分布)和 高阶分析模型。在分析和比较已有压电、压磁材料与智能结构的分析模型时， 从压电、压磁器件与结构之间的连接来看，通常有嵌入式和表面粘贴两种方式。 但是，这些简化的模型，通常采用了线性或者高阶的位移和电势分布假设，忽 略或部分忽略了局部变形的非均匀性，因而不能反映压电、压磁器件与结构结 合部的局部应力和局部电场。另外，压电、压磁材料的本构方程中包含了弹性、 压电、压磁、介电和磁通率等三套材料常数，使问题的复杂性体现在各场的耦 合上。为了能正确描述由三维理论揭示的各种力、电、磁特性，本文提出了一 个高阶理论模型，该模型放弃了现有的所有的解析模型采用的几个过于简化的 假设，即忽略横向正应变和电势沿横向线性分布等，基于三维线性弹性理论， 采用状态空间法、Laplace 变换、Hankel 变换和级数展开等方法，系统地分析 压电、压磁复合材料结构的静态和动态特性。 论文突破传统对智能材料的磁、 电及机械等微观与聚集观物理性能的局部了解，将压电与压磁材料整合为一系 统，进而研究其力学分析模式和理论架构。1)通过引入势函数来研究压电、压 磁弹性体在直角坐标系下和在柱坐标系下的空间问题的通解。2)通过利用 Almansi 定理导出压电、压磁复合材料平面问题的通解，将通解简化为由四个 “调和函数”来表示所有的物理量，形式简单，便于应用。3)利用状态空间方 法，建立了空间轴对称问题的状态变量方程，然后利用 Hankel 变换将状态变量 方程转换为一组常微分方程，得到了 Hankel 变换空间中的解，再通过 Caylay- Hamilton 原理和传递矩阵方法推出压电、压磁复合材料层合结构的状态变量解。 4)通过 Hankel 变换技术，研究压电、压磁复合材料层合结构自由振动的精确解 以及压电、压磁复合材料空间球对称结构在外激励作用下的动力稳态解，从而 为压电、压磁复合材料的智能控制问题提供良好的理论依据。 以上问题的研 究旨在探索压电、压磁复合材料智能结构中力-电-磁耦合作用的基本规律，提 出分析压电、压磁材料智能结构的一般力学模型和计算方法，其中广泛考虑了 板边的各种边界条件。以便较准确地估计该种复合材料组成的结构在各种不同 因素作用下的力学行为，为压电、压磁复合材料的智能结构后续研究及其应用 研究提供主要的理论基础和分析方法。通过研究发现，压电、压磁复合材料层 合结构中的力、电、磁行为特性是非常复杂的，即使是薄压电、压磁结构，其 电势、磁势沿厚度方向也不一定是线性分布。 综上所述，本文紧紧抓住压电、 压磁材料中力电磁耦合作用的物理本质，探索适合于压电、压磁智能结构的数 学物理模型，系统性地：1)对压电和压磁复合材料结构的静态和动态特性；2) 对压电和压磁复合材料结构中出现的应力、电场分布和磁场分布；3)对压电和 压磁复合材料结构与弹性介质的相互作用以及含固定电极压电和压磁体的 Green 函数等基本问题进行深入和详细的研究。这些研究无论对于压电、压磁材料与智能结构的基础理论研究，还是对将来压电、压磁材料与智能结构的设 计和工业化应用都具有重要的理论意义和实际应用价值。 压电、压磁材料作为传感器和激励器与结构集成在一起，组成一个智能的材料 系统，或称为压电、压磁复合材料。研究这一类智能结构的首要工作是建立起 能够准确反映压电、压磁传感器和激励器