力电湿多物理场耦合Cell-Based光滑有限元法研究
发布时间：2021-08-31 00:55
为了解决压电结构在实际工程应用中受到空气湿度影响的问题,基于压电材料的本构方程、几何方程和平衡方程提出了力电湿多物理场耦合Cell-based光滑有限元模型.建立了一种新型压电俘能器,并对其简化模型的静力学性能进行求解,对比了不同湿度变化对结构性能的影响.与有限元法的计算结果对比,Cell-based光滑有限元法采用较少的网格就能够达到与有限元法采用较多的网格相同的精度,验证了本方法的正确性和有效性.研究发现,较小的湿度变化给结构的广义位移带来了较大的影响.压电结构在潮湿环境下的性能研究为复合材料产品化过程提供了理论依据.
【文章来源】：东北大学学报(自然科学版). 2020,41(09)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
AB边广义位移
悬臂梁由PZT-4构成，几何尺寸如图1所示，沿y轴方向极化．材料参数在表1中给出．边界条件设定为x=-15 mm处ux=0,uy=0，Φ=0，湿度变化为Δm=0.4%．结构处于平面应变状态，将CS-FEM和FEM计算的x和y方向位移及电势(广义位移)结果进行对比．图2给出了悬臂梁上边采用两种计算方法在网格划分为30×4,60×8和120×16时的广义位移解．CS-FEM的解与传统FEM的解吻合良好，由此看出该方法的正确性和有效性;随着网格数量增加计算结果基本相同，由此验证该方法的收敛性．表2给出了不同网格下两种方法的计算时间，在采用相同网格数时两种方法的计算时间大致相同，但随着网格数的增加，CS-FEM的计算时间逐渐小于FEM，由此验证了算法的高效性．
压电俘能器由PZT-4和钢材组成，简化模型见图3．钢的弹性模量E=2.1 GPa，泊松比υ=0.3，在x=0处ux=0,uy=0，Φ=0，网格大小为0.001 mm×0.001 mm，比较广义位移在不同的水分浓度下的变化情况．图4和图5给出了由CS-FEM和FEM计算，湿度变化为Δm=0.4%,0.5%和0.7%的俘能器AB和BC边的广义位移结果图．CS-FEM的解与FEM的解吻合良好，随着Δm的升高广义位移的相对变化也随之增大，并且在结构的自由端获得了广义位移的最大相对变化量．湿度变化Δm=0.7%时获得了结构整体的最大广义位移值．图3 压电俘能器简化模型
本文编号：3373848
【文章来源】：东北大学学报(自然科学版). 2020,41(09)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
AB边广义位移
悬臂梁由PZT-4构成，几何尺寸如图1所示，沿y轴方向极化．材料参数在表1中给出．边界条件设定为x=-15 mm处ux=0,uy=0，Φ=0，湿度变化为Δm=0.4%．结构处于平面应变状态，将CS-FEM和FEM计算的x和y方向位移及电势(广义位移)结果进行对比．图2给出了悬臂梁上边采用两种计算方法在网格划分为30×4,60×8和120×16时的广义位移解．CS-FEM的解与传统FEM的解吻合良好，由此看出该方法的正确性和有效性;随着网格数量增加计算结果基本相同，由此验证该方法的收敛性．表2给出了不同网格下两种方法的计算时间，在采用相同网格数时两种方法的计算时间大致相同，但随着网格数的增加，CS-FEM的计算时间逐渐小于FEM，由此验证了算法的高效性．
压电俘能器由PZT-4和钢材组成，简化模型见图3．钢的弹性模量E=2.1 GPa，泊松比υ=0.3，在x=0处ux=0,uy=0，Φ=0，网格大小为0.001 mm×0.001 mm，比较广义位移在不同的水分浓度下的变化情况．图4和图5给出了由CS-FEM和FEM计算，湿度变化为Δm=0.4%,0.5%和0.7%的俘能器AB和BC边的广义位移结果图．CS-FEM的解与FEM的解吻合良好，随着Δm的升高广义位移的相对变化也随之增大，并且在结构的自由端获得了广义位移的最大相对变化量．湿度变化Δm=0.7%时获得了结构整体的最大广义位移值．图3 压电俘能器简化模型
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