光控挠电薄壳结构动力分析、传感与控制

Shell structures are widely used in aerospace structures. With integrated smart materials, smart shell structures possess both sensing and actuation capabilities. With the direct and converse flexoelectric effect, flexoelectric materials can be respectively used as sensors and actuators without polarizations. Light-activated shape memory polymer (LaSMP) has the characteristics of dynamic stiffness and shape memory and it can be used for non-contact actuation and large deformation. This project plans to synthesize a new type of light-activated dielectric/flexoelectric material. It has not only the light-activated shape memory behavior, but also the flexoelectric effect. Detailed light-activated shape memory effect and the flexoelectric coefficients of the proposed material will be tested. The actuation mechanism and constitutive relationships will be studied and used to describe the multi-field coupling of light, elasticity and electric fields and applied to distributed sensing and control of shell structures. The established dynamic model and sensing/actuation mechanisms of the double-curvature shell will be simplified to beams, plates, cylindrical shells and other type of shell structures. Analytical data of cantilever beams laminated with light-activated flexoelectric sensors/actuators will be validated by laboratory experiments. This research project would provide a new mechanism for the design of smart structures and structronic systems.

高强度、低重量的智能壳结构在飞行器及空间结构的传感及控制中应用广泛。挠电材料中存在正挠电效应和逆挠电效应，在传感器和作动器设计方面具有广阔的应用前景。光致形状记忆聚合物具有动刚度和形状记忆特性，能够实现非接触式控制且变形范围较大。本项目拟合成一种新型同时具备光致形状记忆特性和挠电效应的光控挠电智能材料；测试该材料的光致形状记忆参数及挠电特性等参数；建立光、弹、形状记忆及挠电效应多场耦合的本构关系，并以双曲率壳为物理模型，推导其光、电、弹、控制多场耦合动力学模型；将动力学/控制模型简化到梁、板、壳等结构，研究光控挠电分布式传感器和作动器对板壳结构的静态变形的影响，分析传感信号与作动力分布；通过实验验证光控挠电作动器对悬臂梁的静态变形和振动的控制效果，进一步应用于板壳结构的分布式传感及精密控制中。研究结果将为智能结构的控制及设计提供一种新材料、新方法和新应用。

薄壳结构以其比刚度和比强度高的特点，被广泛应用于建筑、航空航天、汽车电子等领域，但它自重轻、柔性大，在工作中易受到干扰而产生振动，且振动难以衰减。挠曲电/光电复合材料（SpPVDF）同时具有挠曲电效应和光电效应。将该材料与薄壳结构进行结合，构成智能结构与电子系统，称其为挠曲电/光电复合系统，该系统具有广泛的应用前景。本研究基于一般双曲率厚壳结构的动力学方程，结合逆挠曲电效应的力电耦合模型，得到一般双曲率挠曲电薄壳结构的动力学方程。结合模态展开法，推导结构的模态响应，建立挠曲电薄壳结构的力电耦合动力学模型。在探针或导线激励下，可通过减小探针/导线半径以产生更大的电场梯度。通过流延法制备挠曲电/光电复合材料，进行实验测量材料的挠曲电系数、建立其光电模型。将材料的光电模型与挠曲电薄壳结构的力电耦合动力学模型相结合，最终得到挠曲电/光电复合系统的动态响应理论。该理论可简化应用到不同的壳和非壳结构中。建立挠曲电/光电复合悬臂梁系统，从宏观角度，以悬臂梁自由端的位移为衡量挠曲电作动效应的指标对系统的动态响应进行研究，并分析设计参数AFM探针放的半径和位置、弹性梁厚度、SpPVDF贴片2的厚度和长度对挠曲电作动效果的影响。建立挠曲电/光电复合圆锥壳系统，从微观角度，研究了挠曲电相关的薄膜力和弯曲力矩、模态控制力的空间分布。此外，分析设计参数线电极半径、弹性圆锥壳的厚度和半顶角、SpPVDF贴片2的厚度对挠曲电微观表现的影响。