三维编织压电复合材料结构设计与性能研究

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压电复合材料因其优良的压电特性,被广泛应用于传感、驱动、震动控制、结构健康监控、微机电系统等高新技术领域,逐渐发展成为一种重要的功能材料。随着有关压电复合材料研究工作的不断深入和发展,其潜在的力电学性能缺陷逐渐显露出来,如:压电纤维增强复合材料压电相和非压电相界面之间出现的层间强度低、易开裂、裂纹拓展较快和机电耦合系数低;压电陶瓷基复合材料脆性高、韧性低、缺陷敏感性高,无法承受非对称载荷和冲击载荷等。为克服压电复合材料上述力学性能弊端,本文将三维编织技术与压电复合材料技术相结合,提出了一种三维编织压电复合材料智能结构。与现有压电复合材料相比,三维编织压电复合材料在微观结构和宏观性能等方面都存在较大区别。  本研究主要内容包括:⑴介绍了压电复合材料和三维编织复合材料细观结构的研究现状,对当前压电复合材料和编织复合材料研究工作中存在问题做了简要概述,指出了三维编织压电复合材料结构设计的理论依据,并说明了本课题的主要研究内容、目的和意义。⑵基于三维四步法编织工艺,详细分析了增强纤维束的空间取向、截面变化和彼此位置关系,用二次曲线对预制件内部纤维束进行了拟合,建立了编织预制件单胞几何模型。根据混合法则和均匀化技术,得到了三维编织复合材料弹性模量数值仿真模型,对其弹性常数进行了数值预报,并通过对比实验结果验证了所建模型的正确性。⑶结合力-电耦合理论和有限单元法,建立了三维编织压电复合材料有效电学和力学性能数值分析模型。通过该模型研究了纤维体积含量对编织压电复合材料力电学性能的影响,并探讨了同一纤维体积含量下,连续直纤维增韧压电复合材料和编织压电复合材料有效力电学性能的差异。⑷借助悬臂梁结构和智能机翼机构,系统研究了三维编织压电复合材料力-电耦合性能。根据逆解法和有限单元法,分别对压电悬臂梁结构在力-电藕合场内的力电学响应展开了理论和数值仿真分析,研究了不同材料的悬臂梁结构微观和宏观力学特性的差异,并将编织压电复合材料应用于智能机翼结构,研究了其传感性能和驱动性能。
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