基于压电反馈控制下的功能梯度壳的双稳态研究

This research aims to develop a novel analytical model for morphing of bi-stable functionally graded material(FGM) shells through piezoelectric sensors and actuators by using a feedback control mechanism in a closed loop system. First, a feedback control algorithm will be established to achieve a particular distribution of stress induced by the active and sensory response of piezoelectric actuator/sensor patches to generate two or more stable equilibrium configurations which not need a constant actuation force, where the feedback control gains for the closed loop morphing control are optimised to achieve the multistable characteristic. Second, a design and analysis approach for multistable plates and shells with piezoelectric inserts will be developed by using an optimization algorithm based on computational intelligence, taking into consideration the effect of large deformation behavior such as large deflection, local buckling and post-buckling characteristics.

本研究项目将导出适用于功能梯度压电材料的粘弹性大变形本构模型，从而建立该结构在多场耦合作用下的双稳态力学模型及数值模拟算法。采用数值分析方法，包括有限元法和无网格法，对不同梯度分布下的双稳态特性进行模拟和预测，并分析各种初始应力分布对该结构的双稳态性能的影响，进而采用压电智能系统，通过优化增益矩阵及反馈控制产生特定的残余应力分布，以达到控制功能梯度材料壳体结构的双稳态构型的目的。最后，在数值分析的基础上，研究不同参数对双稳态构型的影响，建立功能梯度压电材料的双稳态设计体系，以便设计出具有各种稳定构型的功能梯度材料双稳态器件，并应用于工程实际。

本项目进行了以下几方面的研究：.1. 提出了压电复合材料双稳态板壳，使用考虑了力、电耦合和非线性几何变形的理论模型预测其稳定形态，并理论研究了在板壳双侧复合材料上同时或者按序施加电场激励，及在单侧施加电场激励，其形态转换时板壳曲率与所施加激励之间的关系；.2. 通过建立的多场耦合理论，获得了可实现和改变双稳态板壳形态的残余应力场，并使用表面机械研磨技术（SMAT）对板壳进行局部处理，形成功能梯度分布的纳米结构增强板壳的弹性变形能力，并同时在板壳内引入了特定的残余应力场，从而获得了可以设计形态的双稳态和多稳态板壳；.3. 建立了针对表面机械研磨技术实现的双稳态和多稳态板壳的理论模型，研究了不同设计和处理参数对双稳态和多稳态板壳稳定形态的影响，以指导所实现的双稳态和多稳态板壳的设计；.4. 提出了改进的复变量移动最小二乘插值（IICVMLS）无网格方法，在IICVMLS方法中，引入完备基函数和奇异的权函数，并对其进行正交处理，构造了新的形函数，并用此形函数建立了对应的插值函数。结合IICVMLS方法和Kirchhoff板壳问题，提出了改进的插值复变量无网格伽辽金（IICVEFG）方法，应用于Kirchhoff板壳，获得了更高的计算精度和效率；.5. 针对复合材料板壳中的缺陷（含裂缝）对板壳在应力场作用下的影响进行了分析，利用最小余能原理，结合静定和静不定边界条件建模，得到描述材料内应力分布的控制方程和补充方程，分析得到了基体缺陷对材料内应力场，以及材料剪切力学性能的变化。..在项目执行期间，发表学术期刊SCI论文10篇，会议论文5篇，相关专利申请4项次（3项中国专利，1项美国专利），培养博士后3人（2人在站），博士毕业2人，硕士毕业3人，博士生招收3人。