考慮界面破壞的壓電智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的失效機理

基于靜/動態(tài)實驗、高速圖像處理和電鏡技術(shù)等宏、細觀觀測手段，觀察壓電元件與被控結(jié)構(gòu)間的界面裂紋起裂和擴展特征，提出反映裂紋前緣細觀損傷特征的跨尺度損傷模型，并建立相應(yīng)的起裂和擴展準則；發(fā)展研究復(fù)合材料智能結(jié)構(gòu)的界面損傷起裂、擴展和失效分析的多場耦合有限元方法，通過典型復(fù)合材料智能結(jié)構(gòu)分析，討論壓電智能復(fù)合材料相物理與幾何、粘彈性界面層強度對界面裂紋起裂、擴展特征和控制行為劣化的影響。在此基礎(chǔ)上，通過數(shù)值仿真分析和小型壓電智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的試驗研究相結(jié)合的方法，建立壓電智能復(fù)合材料工程結(jié)構(gòu)的界面破壞和失效行為分析的虛擬實驗系統(tǒng)，為大型復(fù)雜壓電智能復(fù)合材料工程結(jié)構(gòu)的虛擬設(shè)計和實驗系統(tǒng)提供依據(jù)，并對該類結(jié)構(gòu)的失效防范提出意見，具有重要的理論意義和工程價值。 2100433B

壓電智能減振結(jié)構(gòu)在改善薄壁結(jié)構(gòu)動力學性能中發(fā)揮著重要作用。本項目以壓電智能結(jié)構(gòu)減振和降低能耗的需求為背景，深入研究基于主動控制的壓電智能結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化基礎(chǔ)機理，發(fā)展考慮減振性能壓電智能結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化方法，研究壓電智能減振結(jié)構(gòu)優(yōu)化中能耗約束的合理提法，并應(yīng)用于形狀固定壓電組件—承載結(jié)構(gòu)集成動力拓撲優(yōu)化設(shè)計之中。針對主動振動控制下合理的壓電材料拓撲優(yōu)化模型、主動振動控制能耗對壓電智能結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化的正則化機理、壓電智能結(jié)構(gòu)動力學響應(yīng)的高精度靈敏度分析算法等關(guān)鍵科學問題，預(yù)期在建立合理的壓電智能減振結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化列式及求解方法、提出考慮主動振動控制能耗的壓電智能結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化新模型、建立狀態(tài)空間下結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的高精度靈敏度分析方法開展系統(tǒng)的創(chuàng)新性研究。項目將對深入理解壓電智能減振結(jié)構(gòu)設(shè)計機理，完善壓電智能結(jié)構(gòu)動力學優(yōu)化方法，對提高減振結(jié)構(gòu)設(shè)計水平具有指導意義。

本項目針對動力荷載下壓電智能結(jié)構(gòu)減振及降低控制能耗的需求，提出能夠有效降低結(jié)構(gòu)振動程度的壓電智能結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化模型，揭示壓電智能結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化問題中考慮能量消耗的合理性，并建立能夠同時兼顧結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特性和能量消耗的壓電智能結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化方法；研究非比例阻尼壓電智能結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題中動力學響應(yīng)和靈敏度分析難題并發(fā)展高效穩(wěn)定的數(shù)值求解方法，并應(yīng)用于動力荷載下基于多水平集描述的內(nèi)嵌形狀固定壓電傳感/作動元件—承載結(jié)構(gòu)集成拓撲優(yōu)化設(shè)計。通過本項目研究，獲得了振動控制效率高、系統(tǒng)穩(wěn)定性好的壓電傳感/作動元件布局設(shè)計。本項目在研究期間取得以下成果：（1）建立合理的壓電智能減振結(jié)構(gòu)的動力學拓撲優(yōu)化方法，提出能夠有效衡量結(jié)構(gòu)振動能量耗散的優(yōu)化目標函數(shù)，建立優(yōu)化問題模型并發(fā)展相應(yīng)的靈敏度分析方法。（2）研究主動控制能耗在壓電智能結(jié)構(gòu)減振優(yōu)化中的合理性，發(fā)展相應(yīng)的優(yōu)化求解技術(shù)；通過實驗驗證所得壓電智能結(jié)構(gòu)最優(yōu)布局設(shè)計，在結(jié)構(gòu)動力學拓撲優(yōu)化領(lǐng)域前沿問題的研究中取得創(chuàng)新性成果。(3) 項目執(zhí)行期內(nèi)發(fā)表多篇學術(shù)論文，參加多次國際學術(shù)會議。 2100433B

復(fù)合材料在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用是一個全新的技術(shù)。由于芳綸纖維復(fù)合材料具有許多優(yōu)異的特性，現(xiàn)已日益廣泛地應(yīng)用于特種結(jié)構(gòu)的加固修復(fù)中。在復(fù)合材料加固結(jié)構(gòu)中，界面損傷是一種重要的破壞模式，本項目擬根據(jù)芳綸復(fù)合材料加固混凝土構(gòu)件的彎曲破壞特性，建立含缺陷或損傷的多尺度分析模型和各種破壞準則或強度模型，研究裂紋擴展規(guī)律、界面黏結(jié)特性、界面損傷機制，研究預(yù)應(yīng)力、濕熱變化對界面損傷的影響，研究芳綸纖維復(fù)合材料與混凝土界面的破壞對構(gòu)件極限承載力的影響；根據(jù)加固參數(shù)及加固方法的改變，研究界面破壞模式的變化趨勢。采用復(fù)合材料力學的基本理論，建立計及纖維逐步斷裂、局部芳綸纖維復(fù)合材料/混凝土界面剝離、纖維/基體界面損傷或?qū)娱g界面破壞的應(yīng)力重分布計算模型和統(tǒng)計模型，探索抑制界面剝離破壞的措施。研究成果可為制定有關(guān)芳綸復(fù)合材料加固補強技術(shù)的設(shè)計和施工規(guī)范等提供重要的理論依據(jù)，具有重要的科學意義和工程實用價值。