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经典热弹性理论中,基于Fourier热传导定律的描述温度场的控制方程,是一个扩散型方程,导致介质受到热扰动时,热以无限大速度在介质中传播,这与实验结果不相符。1967年,Lord和Shulman在热传导方程中引入了一个热松弛时间因子,同时考虑了热流的变化率,建立了L-S型广义热弹性理论。1972年,Green和和Lindsay分别在能量方和本构方程中各引入一个热松弛时间因子,建立了G-L型广义热弹性理论。广义热弹性理论克服了经典热弹性理论的不足,可以描述热扰动以有限的速度在介质中向前传播,并呈现出波动性,即次声效应。
压电材料具有正、逆压电效应,既可以作为驱动器又可以作为传感器,被广泛的应用于航空航天、仪表、机械等现代工程中。随着压电材料的广泛应用,压电材料及结构的热力电耦合的静动力特性受到了普遍的重视,压电材料器件在服役过程中往往要受到热的扰动效应的影响,受热变形,从而产生压电效应,尤其在环境温度恶劣和温度变化剧烈时,研究压电材料中广义热波的传播问题成为必然,与广义磁热弹性问题相比,这方面的问题研究较少,考虑旋转压电材料的热波传播问题就更少了。
由于广义压电热弹性问题的控制方程涉及到变量之间的相互耦合,方程较为复杂,对这类问题的控制方程的求解一般需借助积分变换,将问题从时间域变换到拉氏域或傅氏域,在变换域中对问题求解,得到问题在变换域中的解,然后利用相应的拉氏数值或傅氏数值反变换,得到问题在时间域中的解。即使利用混合积分变换-有限元方法,依然无法克服由于数值积分反变换带来的精度降低的问题,为了解决这一问题,学者们发展了直接有限元法,将广义热弹性问题有限元控制方程在时间域内直接求解,这种方法不仅避免了繁琐的积分变换和反变换,而且得到的温度图可以更为精确地描述热的波动效应。
本文基于L-S广义热弹性理论和G-L广义热弹性理论,采用有限元法,在时间域内直接研究了考虑旋转效应的无限大压电板在热冲击作用下的广义压电热弹性问题。首先,分别建立了L-S和G-L广义热弹性理论下的压电热弹耦合的控制方程,然后根据虚位移原理,推导得到了相应的有限元方程。为了避免采用积分变换法求解广义热弹耦合问题时引起计算精度降低的问题,利用直接有限元法对广义压电热弹耦合问题及其旋转问题在时间域内进行了直接求解。作为算例,研究了以固定角速度旋转的无限大厚压电板在其上下表面受到条带状热冲击时的力、热、电响应问题,得到了无量纲温度、无量纲位移、无量纲应力及无量纲电势的分布规律。从温度分布图上可以清晰地观察到热波波前的特有属性,即热波波前处存在明显的温度突变,说明直接有限元法可以准确获得广义压电热弹性问题中热的波动效应。同时从位移、应力、电势分布图上可以看出热的波动性及压电热弹的耦合效应。在温度发生突变的位置,应力也发生突变;在位移发生突变的位置,电势也发生突变,压电效应明显。由于考虑了旋转效应,文中得到无量纲位移、无量纲电势随着旋转效应的增大,幅值有不同程度的降低,无量纲温度和无量纲应力随着旋转效应的变化几乎没有变化。