红外辐射作用下热力电耦合层合板壳的脱层屈曲及响应研究

Smart structures such as Micro-Electro-Mechanical Systems(MEMS), functionally coating, and infrared detectors etc. are all multilayered structures which can realize energy exchange and transformation. But the delaminate damage can seriously effect their performance. Delaminating buckling research of the smart electro-thermo-mechanical coupling laminate structures applying the coupled constitutive relation of the smart material, finite deformation theory, and singular integral equation theory is the main content in this project including four aspects as follows: (1) Determination of the critical loading of buckling for penny-shaped and ellipse-shaped delaminating between semi-infinite substrate of smart material (such as PZT) and its metallic coating (such as Pt). The research is focused on the influence of the thermoelectric effect and the piezoelectric effect of the smart material on the critical loads of buckling. (2) Determination of the critical loading of buckling for penny-shaped and ellipse-shaped delaminating in the interface of the smart material panel and the metallic electrodes. Research is focused on the influence of the electric field on the critical loads of buckling. (3) Research of the mutual relations of the stress intensity factor (SIF) at the tip of the delaminate, geometrical parameters of the delaminate, material parameters of the structure and the thermo-electro-mechanical coupling effect. (4) Research of the mutual relations among the gradient parameters of the functionally graded material layer, the buckling critical loads and the stress intensity factors.

微机电系统、功能涂层、红外探测器悬臂微桥等智能层合结构，实现功能转换，但层间脱层损伤严重影响结构使用。本项目应用智能材料热力电耦合本构关系、有限变形理论及奇异积分方程理论，对热力电耦合智能层合板壳在红外辐射作用下层间脱层屈曲问题进行研究，主要有：（1）对半无限智能材料基体（如PZT）与上金属层（如Pt）间的圆形、椭圆形等比较规则脱层形状及其临界载荷进行研究，重点研究智能材料层的热电及压电效应对脱层屈曲临界载荷的影响；（2）对有限厚智能材料层板两侧均存在金属层电极，及其他层构成的多层层合结构，当电极出现圆形、椭圆等规则脱层时的临界屈曲载荷，研究电极层间电场强度对脱层屈曲载荷的影响；（3）研究脱层尖端应力强度因子与脱层几何参数，结构材料参数，热力电等多场耦合的相互关系；（4）研究层间梯度层梯度参数与临界载荷、SIF等相互关系，智能层合器件出现脱层时信号响应。本项目为进一步研究损伤评估奠定基础。

在日益智能化的今天，各种微器件得到了大量应用，微机电系统、功能涂层、红外探测器悬臂微桥等智能多层结构，实现了力电热等功能的相互转换，但层间界面在热、结构变形等荷载作用下，层间界面脱层的出现严重影响结构使用，因此对智能材料、功能梯度材料、以及多层结构界面脱层问题的研究有重要意义。本项目主要从三个方面进行了研究。. 一是研究在柔性基底上的由P（VDF-TrFE）及其上下电极构成的多层结构，通过实测其介电、热释电及极化强度的变化规律。实测发现当柔性薄膜基底产生由下凹到上凸的大变形过程中，极化强度和热释电电压响应有同比例的增加。. 二是研究具有轴向运动速度的功能梯度梁的横向振动问题。分析时将此梯度梁分别考虑为Euler梁和Timoshenko梁，根据Hamilton原理建立梁的横向振动微分方程，用复模态法导出频率方程，求振型函数，临界速度。最后算例数值分析轴向运动速度、梯度指数、轴向应力等因素对固有频率的影响。.三是研究圆形脱层屈曲问题。对于多层智能结构，在结构受热、结构变形及其他原因的作用下，因层间界面应力失配造成层间脱层。项目研究了智能材料层上电极产生圆形脱层时，分别对智能材料层和上电极应用各向同性弹性体有限变形理论、智能材料力电耦合本构关系、及Hankel积分变换，利用电极圆形脱层屈曲临界状态的边界条件和层间界面连续条件，将脱层屈曲问题归为第二类Cauchy型奇异积分方程组，采用分段二次多项式和配点法并离散成齐次线性代数方程组，通过编程求解了电极脱层屈曲的临界压应变。经计算发现压电效应对临界屈曲压应变的影响不是很大，而且其影响随着脱层半径与其厚度比的增大而降低。当考虑基底层压电效应和不考虑压电效应时，分析所得的临界屈曲压应变在当脱层边界完全固支或完全简支时的屈曲压应变之间。而实际脱层边界相当于弹性支承边界，金属电极脱层屈曲临界压应变应该介于考虑脱层边界简支和边界固支两种情况下的屈曲压应变之间。而对于不规则脱层边界的屈曲问题还非常值得进一步研究。. 本课题研究只是一个良好开端，所实测多层智能结构响应输出、梯度梁振动问题，以及电极圆形脱层屈曲问题的研究依然还有不足和需要完善的地方，这些课题方向在今后的学术生涯中值得更加努力进行深入细致的研究。