热机电耦合压电层合曲壳结构的动力学特征及控制机理研究

压电智能结构已被广泛应用于航空、航天、机器人、精密仪器、医疗器械、微电子等领域。随着使用环境和精度的更高要求，多场耦合下对压电层合曲壳结构的深入研究具有深远的理论意义和应用前景。为充分体现分片压电层合结构的特点，本项目首先将根据非线性动力学Hellinger-Reissner广义变分原理，利用杂交应力实体壳单元，构造克服各种自锁现象的高性能实壳单元和压电单元，对分片铺设压电层合曲壳结构进行离散，得到非线性动力系统的有限元方程。其次，确定各参数（电场、温度场、外载、材料、压电片布置、几何等）对结构弯曲、屈曲、振动等力学行为的影响规律、适应范围和依赖关系。最后，从整体结构考虑利用最优化算法和独立模态控制，研究阵列式压电布局优化设计及多点输入输出的多模态控制，达到对结构的形变、振动及稳定性的最佳控制，为分片铺设压电层合曲壳类智能结构的动力学特征和自动控制机理提供有效的分析手段和数值方法。

随着使用环境和更高的精度要求，多场耦合下对压电层合曲壳结构的深入研究具有深远的理论意义和应用前景。为充分体现分片压电层合结构的特点，本项目根据（非）线性动力学Hellinger-Reissner广义变分原理，利用杂交应力实体壳单元，构造克服各种自锁现象的高性能实壳单元和压电单元，对分片铺设压电层合曲壳结构进行离散，得到非线性动力系统的有限元方程。确定各参数对结构力学行为的影响规律、适应范围和依赖关系。利用遗传算法，对压电布局优化设计及多点输入输出电势的控制，达到对结构形变的最佳控制，为分片铺设压电层合曲壳类智能结构的动力学特征和自动控制机理提供有效的分析手段和数值方法。.另外，还在以下几个方面取得了扩展性研究成果：（1）无网格方法的理论分析与数值计算。包括形函数的理论分析及改进、更有效的方程离散格式、数值积分的高精度算法、本质边界条件的施加以及离散所得大型稀疏线性方程组的快速算法，取得了许多关于无网格方法的一些结论。并将所提出的无网格新方法应用到弹性静动力学、层合结构、压电智能结构等问题的数值计算中。（2）微纳米智能结构的动力学响应研究。针对微结构效应中两种结论相反的理论模型，考察了轴向运动纳米结构的动力学特性。重点考察了小尺度参数对各力学特性的影响程度，证明了经典的连续介质理论已不再适应于纳米力学研究，进一步揭示了非局部效应存在的多样性。（3）车辆轨道耦合动力学分析。建立了车辆-轨道-桥或路基之间的耦合系统动力学模型。考虑了复杂轨道不平顺、随机振动或地震引起的车辆动力学响应分析，揭示了各参数对车辆的安全性和舒适性的影响关系。