电压或力作用下挠曲电梁的变形与电场计算

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挠曲电效应是指由应变梯度或非均匀应变打破材料对称性而产生电极化的一种力电耦合现象,它存在于任意介电材料中,数学上表示为非均匀变形电介质材料中应变梯度和电场强度的耦合,近年来随着微纳米材料的发展而得到了更多的关注。对于挠曲电效应器械的优化设计思路,一是寻找挠曲电系数更高的材料,挠曲电系数越高,在相同应变梯度的作用下将产生更强的电极化效应。其次,便是通过对于器械结构的优化设计,使构件在同等载荷下获得更大的应变梯度。近年来,软电解质材料在生物、医疗、能量等领域受到广泛重视与研究,由于此类材料在受外部载荷时可以承受大应变梯度的机械变形,同时保证结构不被破坏,因此在软电介质材料当中,挠曲电效应有着巨大的应用潜力。但是,基于小变形假设的线性挠曲电理论则不再适用于大变形情况,为了对于软电介质挠曲电材料在大变形下的挠曲电效应进行理论分析,本文通过将物理量转化为由物质坐标表述的形式,推导由物质坐标描述的控制方程,通过求解非线性微分方程得到了具有挠曲电效应的悬臂梁在发生大变形时位移场函数及极化电场的解析解,并与以线性挠曲电理论为基础求得的理论解进行对比,证明了线性解在大变形条件下的误差来源其一为大变形下空间坐标无法准确描述所研究物质点的性质,其二是理论解中非线性项的影响随着构件的受载荷增大而增大,同时非线性项受构件尺寸效应的影响大于线性项,为验证以上结论本文进行了如下工作:(1)首先分别在欧拉空间以及拉格朗日空间建立对于物质点的两套描述方式,通过对于两个空间内同一物质点性质描述的转化,得到了在拉格朗日描述下的挠曲电梁杆构件内能密度,并且通过Hamilton变分原理推导出了由物质坐标描述的挠曲电梁杆构件变形的平衡微分方程与本构方程。(2)在推导得到的考虑挠曲电效应的本构方程与平衡微分方程的理论基础上,对于开路状态下仅受集中载荷作用的悬臂梁和施加外部电场而不受外部作用力的梁杆构件两种理论模型进行理论计算,分别得到了电场和位移场的由物质坐标描述的解析解,排除了空间坐标无法准确描述物质点物理性质带来的误差。(3)根据计算得到大变形下的非线性解与小变形假设下的线性挠曲电理论得到的线性解对比,分析了非线性项对于理论结果的影响与误差,发现了由非线性挠曲电理论推导的非线性解经过级数分解后,解析解的线性部分与线性挠曲电理论得到的结果相同,证明了非线性解在小变形情况下可以回归为线性解,非线性项对梁杆构件力电响应的影响随着载荷增大以及构件结构尺寸的减小而增强,其中尺度效应对于非线性项的影响大于线性项,随着构件尺寸的减小,非线性项对于构件变形的贡献占比增大。
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