考慮界面破壞的壓電智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理基本信息

基于靜/動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)、高速圖像處理和電鏡技術(shù)等宏、細(xì)觀觀測(cè)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(kuò)展特征，提出反映裂紋前緣細(xì)觀損傷特征的跨尺度損傷模型，并建立相應(yīng)的起裂和擴(kuò)展準(zhǔn)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(kuò)展和失效分析的多場(chǎng)耦合有限元方法，通過(guò)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(qiáng)度對(duì)界面裂紋起裂、擴(kuò)展特征和控制行為劣化的影響。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)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(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jì)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供依據(jù)，并對(duì)該類結(jié)構(gòu)的失效防范提出意見(jiàn)，具有重要的理論意義和工程價(jià)值。 2100433B

壓電智能減振結(jié)構(gòu)在改善薄壁結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能中發(fā)揮著重要作用。本項(xiàng)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(dòng)控制的壓電智能結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化基礎(chǔ)機(jī)理，發(fā)展考慮減振性能壓電智能結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?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(dòng)力拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)之中。針對(duì)主動(dòng)振動(dòng)控制下合理的壓電材料拓?fù)鋬?yōu)化模型、主動(dòng)振動(dòng)控制能耗對(duì)壓電智能結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的正則化機(jī)理、壓電智能結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的高精度靈敏度分析算法等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，預(yù)期在建立合理的壓電智能減振結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化列式及求解方法、提出考慮主動(dòng)振動(dòng)控制能耗的壓電智能結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化新模型、建立狀態(tài)空間下結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的高精度靈敏度分析方法開(kāi)展系統(tǒng)的創(chuàng)新性研究。項(xiàng)目將對(duì)深入理解壓電智能減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)理，完善壓電智能結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化方法，對(duì)提高減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平具有指導(dǎo)意義。

本項(xiàng)目針對(duì)動(dòng)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(dòng)程度的壓電智能結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化模型，揭示壓電智能結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題中考慮能量消耗的合理性，并建立能夠同時(shí)兼顧結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特性和能量消耗的壓電智能結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法；研究非比例阻尼壓電智能結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題中動(dòng)力學(xué)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(dòng)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(dòng)元件—承載結(jié)構(gòu)集成拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)本項(xiàng)目研究，獲得了振動(dòng)控制效率高、系統(tǒng)穩(wěn)定性好的壓電傳感/作動(dòng)元件布局設(shè)計(jì)。本項(xiàng)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(dòng)力學(xué)拓?fù)鋬?yōu)化方法，提出能夠有效衡量結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量耗散的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，建立優(yōu)化問(wèn)題模型并發(fā)展相應(yīng)的靈敏度分析方法。（2）研究主動(dòng)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(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所得壓電智能結(jié)構(gòu)最優(yōu)布局設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)拓?fù)鋬?yōu)化領(lǐng)域前沿問(wèn)題的研究中取得創(chuàng)新性成果。(3) 項(xiàng)目執(zhí)行期內(nèi)發(fā)表多篇學(xué)術(shù)論文，參加多次國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議。 2100433B

復(fù)合材料在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用是一個(gè)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(xiàng)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(zhǔn)則或強(qiáng)度模型，研究裂紋擴(kuò)展規(guī)律、界面黏結(jié)特性、界面損傷機(jī)制，研究預(yù)應(yīng)力、濕熱變化對(duì)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(duì)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(shì)。采用復(fù)合材料力學(xué)的基本理論，建立計(jì)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(jì)算模型和統(tǒng)計(jì)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(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的設(shè)計(jì)和施工規(guī)范等提供重要的理論依據(jù)，具有重要的科學(xué)意義和工程實(shí)用價(jià)值。