【摘 要】
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包含大变形的软体机器人和智能折叠机构已成为现今的研究热点。通过对作动器施加电压,压电层合梁、板可以变形为各种形态,在智能可折叠结构领域具有潜在的应用前景。传统的有限元法(FEM)难以对大变形结构的运动和变形进行精确描述,而绝对节点坐标法(ANCF)是一种适合于描述大变形的方法。通过理论建模研究柔体结构的大变形作动机理是软机器设计的基础。本文利用等效单层模型,建立了一种基于ANCF的柔性压电层合梁单
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目,批准号:12072159,覆盖软质增强约束层阻尼的大变形柔性多场耦合动力学与抑振研究; 国家自然科学基金青年基金项目,批准号:11502113,基于刚柔-机电耦合的主动约束层阻尼柔性机器人动力学建模与振动控制研究; 国家自然科学基金面上项目,批准号:11772158,含主动约束层阻尼柔性机器人大变形动力学建模和实验研究
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包含大变形的软体机器人和智能折叠机构已成为现今的研究热点。通过对作动器施加电压,压电层合梁、板可以变形为各种形态,在智能可折叠结构领域具有潜在的应用前景。传统的有限元法(FEM)难以对大变形结构的运动和变形进行精确描述,而绝对节点坐标法(ANCF)是一种适合于描述大变形的方法。通过理论建模研究柔体结构的大变形作动机理是软机器设计的基础。本文利用等效单层模型,建立了一种基于ANCF的柔性压电层合梁单元和薄板单元。引入了压电材料的本构方程来推导弹性力和压电力。通过与解析解、使用等效弯矩模型求得的解、以及使用商业有限元软件ABAQUS得出的数值结果进行比较,验证了本文提出的梁单元以及板单元的正确性。本文的研究可能有助于理解带有覆盖智能压电材料的柔性或软体结构的复杂耦合非线性力学行为。主要研究内容分为以下几个方面:(1)基于ANCF推导了二维梁层合单元和三维空间内的层合薄板单元的动力学方程。该层合梁、板单元包含三层,其中基层由线性弹性材料组成,顶层和底层均由压电材料组成。(2)通过数值仿真对比,验证了本文提出单元的正确性。随后给出了一些层合梁结构与层合板结构的大变形算例,由此证明所提出的单元的适用性。结果表明,当各种不同的电压被施加到位于覆盖在基层任意位置的压电致动器上时,柔性梁、板都可以平稳地变形到所需的形状。(3)研究了覆盖压电层的柔性单摆与不考虑压电层的柔性单摆的动态响应的差别,以及压电层合悬臂板受集中力作用下振动的动态响应。
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