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系統識別號 U0002-1207200515525700
中文論文名稱 壓電複合層板之非線性彎曲分析
英文論文名稱 Nonlinear Bending Analysis of Piezoelectric Composite Plates
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 93
學期 2
出版年 94
研究生中文姓名 范忠和
研究生英文姓名 Jung-He Fan
學號 692340085
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2005-06-15
論文頁數 107頁
口試委員 指導教授-葉豐輝
委員-蔡國忠
委員-盧永華
委員-李經綸
委員-蔡慧駿
委員-葉豐輝
中文關鍵字 彈性  壓電  複合    非線性 
英文關鍵字 elasticity  piezoelectric  composite  plate  nonlinear 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本文係研究承受電場或電壓致動且邊界為旋轉彈性支撐之壓電複合層板。首先採用簡化高階複合層板理論,配合壓電理論,並利用廣義雙重傅利葉級數法(The Generalized Double Fourier Series Method)將位移與電位函數假設成滿足邊界條件之傅利葉級數,對壓電複合層板之能量利用漢米爾頓定理分析,由此推導出一組非線性代數方程組逐步求解,以其了解壓電複合層板在承受電場或電壓致動時之行為。本文詳細探討各種不同之長寬比、材料係數、材料厚度、壓電材料疊層角度、邊界彈性係數、電場以及電壓等參數對非線性彎曲的影響,部分結果與文獻比較十分吻合。本研究成果將可提供壓電複合層板設計者和分析者參考之用。
英文摘要 A simple high-order theory is presented to examine the nonlinear analysis of the piezoelectric composite plates subjected electric field or voltage with elastically restrained boundary conditions in this thesis. The simple high-order theory employs parabolic shear strain variation across the thickness, and requires no correction factors because it satisfies shear free surface boundary conditions. Generalized double Fourier series are used to constitute a set of nonlinear algebra equations which solution is obtained by numerical method.The influences of aspect ratio, material properties, thickness-to-length, angle of orientation, elastically restrained coefficients, electric field, and voltage are particularly discussed in this thesis. Some special cases are compared with those given in the literature and good agreement is obtained.The research results should serve as references for designer and analysis of piezoelectric composite plates.
論文目次 中文摘要-------------------------------------------------------------------------------------------------------------I
英文摘要------------------------------------------------------------------------------------------------------------II
目 錄-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------III
表 目 錄--------------------------------------------------------------------------------------------------------------V
圖 目 錄-------------------------------------------------------------------------------------------------------------VI
符號說明----------------------------------------------------------------------------------------------------------VIII
第一章 緒論----------------------------------------------------------------------------------------------------------1
1.1前言----------------------------------------------------------------------------------------------------------------1
1.2文獻回顧----------------------------------------------------------------------------------------------------------2
1.3研究動機----------------------------------------------------------------------------------------------------------5
1.4研究方法----------------------------------------------------------------------------------------------------------5
第二章 壓電理論----------------------------------------------------------------------------------------------------8
2.1壓電效應----------------------------------------------------------------------------------------------------------8
2.2介電效應----------------------------------------------------------------------------------------------------------8
2.3壓電本構方程式-------------------------------------------------------------------------------------------------8
第三章 簡化高階壓電複合層板理論-------------------------------------------------------------------------11
3.1位移假設---------------------------------------------------------------------------------------------------------11
3.2應變與位移關係式--------------------------------------------------------------------------------------------14
3.3電場與電位關係式--------------------------------------------------------------------------------------------15
3.4積層座標系統關係式-----------------------------------------------------------------------------------------15
第四章 能量法推導與理論分析-------------------------------------------------------------------------------19
4.1統御方程式------------------------------------------------------------------------------------------------------19
4.2電位與電場轉換之統御方程式-----------------------------------------------------------------------------34
4.3邊界條件----------------------------------------------------------------------------------------------------------44
4.3.1支撐邊界--------------------------------------------------------------------------------------------------------44
4.3.2電性邊界--------------------------------------------------------------------------------------------------------46
4.4 理論分析----------------------------------------------------------------------------------------------------------47
4.4.1靜態分析--------------------------------------------------------------------------------------------------------47
4.4.2由電位致動之靜態分析--------------------------------------------------------------------------------------63
4.4.3由電場致動之靜態分析--------------------------------------------------------------------------------------64
第五章 分析結果與討論--------------------------------------------------------------------------------------------69
5.1 固定電場致動分析----------------------------------------------------------------------------------------------69
5.1.1參考文獻之比較與收斂性-----------------------------------------------------------------------------------69
5.1.2彈性邊界之影響------------------------------------------------------------------------------------------------74
5.1.3壓電材料複合角度之影響-----------------------------------------------------------------------------------83
5.2 非固定電場致動分析-------------------------------------------------------------------------------------------86
5.2.1非固定電場致動之線性與非線性比較-------------------------------------------------------------------86
5.3 電壓致動分析----------------------------------------------------------------------------------------------------90
5.3.1電壓增加與壓電材料之影響--------------------------------------------------------------------------------91
5.3.2厚度與壓電材料之影響--------------------------------------------------------------------------------------93
5.3.3長寬比與厚度之影響------------------------------------------------------------------------------------------95
5.4 固定電壓下受均佈負荷之影響-------------------------------------------------------------------------------96
5.5 電場假設與線性電壓假設以及曲線電壓假設致動比較-----------------------------------------------99
第六章 結論與建議--------------------------------------------------------------------------------------------------102
6.1 結論-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------102
6.2 建議-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------103
參考文獻----------------------------------------------------------------------------------------------------------------105

表目錄
表5-1 正方板理論解與參考文獻之對照--------------------------------------------------------------------------71
表5-2 長方板理論解與參考文獻之對照--------------------------------------------------------------------------72
表5-3 彈性邊界線性理論解------------------------------------------------------------------------------------------74
表5-4 彈性邊界非線性理論解---------------------------------------------------------------------------------------75
表5-5 不同壓電疊交角度之非線性解比較表--------------------------------------------------------------------83
表5-6 不同疊交角度與彈性邊界比較表--------------------------------------------------------------------------85
表5-7 電壓與壓電材料之影響比較表-----------------------------------------------------------------------------92
表5-8 厚度與壓電材料之影響比較表-----------------------------------------------------------------------------93
表5-9 固定電壓下長寬比與厚度之比較表(b=0.3m) ----------------------------------------------------------95
表5-10 線性電壓與固定電場分析結果比較表-----------------------------------------------------------------100
表5-11 線性電壓與拋物線電壓分析結果比較表( =200V) -------------------------------------------------101

圖目錄
圖1-1 古典板理論示意圖-----------------------------------------------------------------------------------------------2
圖1-2 一階剪變形理論示意圖-----------------------------------------------------------------------------------------2
圖1-3 高階剪變形理論示意圖-----------------------------------------------------------------------------------------3
圖2-1 壓電效應示意圖---------------------------------------------------------------------------------------------------8
圖2-2 介電效應示意圖---------------------------------------------------------------------------------------------------8
圖5-1 參考文獻[6]之結構示意圖-----------------------------------------------------------------------------------71
圖5-2 雙重傅利葉級數項次之收斂圖-----------------------------------------------------------------------------73
圖5-3 雙重傅利葉級數項次之收斂圖-----------------------------------------------------------------------------73
圖5-4 = = = =0之厚度-位移關係圖(a) ---------------------------------------------------------------------------76
圖5-4 = = = =0之厚度-位移關係圖(b) ---------------------------------------------------------------------------76
圖5-5 = = = =0.1之厚度-位移關係圖(a) -------------------------------------------------------------------------77
圖5-5 = = = =0.1之厚度-位移關係圖(b) -------------------------------------------------------------------------77
圖5-6 = = = =1之厚度-位移關係圖(a) ---------------------------------------------------------------------------78
圖5-6 = = = =1之厚度-位移關係圖(b) ---------------------------------------------------------------------------78
圖5-7 = = = = 之厚度-位移關係圖(a) ----------------------------------------------------------------------------79
圖5-7 = = = = 之厚度-位移關係圖(b) ----------------------------------------------------------------------------79
圖5-8 = = = = 1、0.1、0.2、0.3之厚度-位移(線性與非線性)重疊比較圖----------------------------80
圖5-9 = =0.1、1、10、 之 = -位移關係圖-----------------------------------------------------------------------82
圖5-10 壓電材料疊交角度之位移曲線關係圖------------------------------------------------------------------84
圖5-11 z方向電場-位移(線性與非線性)比較圖(a) ------------------------------------------------------------87
圖5-11 z方向電場-位移(線性與非線性)比較圖(b) ------------------------------------------------------------87
圖5-11 z方向電場-位移(線性與非線性)比較圖(c) ------------------------------------------------------------88
圖5-11 z方向電場-位移(線性與非線性)比較圖(d) ------------------------------------------------------------89
圖5-12 結構示意圖------------------------------------------------------------------------------------------------------90
圖5-13 電壓與壓電材料之關係圖-----------------------------------------------------------------------------------92
圖5-14 厚度與壓電材料之關係圖-----------------------------------------------------------------------------------94
圖5-15 固定電壓下長寬比與厚度之關係圖(b=0.3m) --------------------------------------------------------95
圖5-16 固定電壓下受均佈負荷之關係圖(b/h=200) -----------------------------------------------------------96
圖5-17 固定電壓下受均佈負荷之關係圖(b/h=300) -----------------------------------------------------------97
圖5-18 固定電壓下受均佈負荷之關係圖(b/h=400) -----------------------------------------------------------97
圖5-19 不同厚度於固定電壓下受均佈負荷之比較圖---------------------------------------------------------98
圖5-20 不同材料於固定電壓下受均佈負荷之比較圖---------------------------------------------------------98
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