光致伸缩层合变体机翼研究

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1、中图分类号V214论文编号102870115-S068学科分类号080104硕士学位论文光致伸缩层合变体机翼研究研究生姓名杨柳青学科、专业工程力学研究方向智能材料结构指导教师郑世杰教授南京航空航天大学研究生院航空宇航学院二О一五年三月iNanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofaerospaceEngineeringTheInvestigateofMorphingWingbasedonPhotost

2、rictiveActuatorsAThesisinEngineeringmechanicsbyYangLiuqingAdvisedbyProfessorZhengShijieiiSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringJanuary,2015iii承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他

3、人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)作者签名：日期：iv南京航空航天大学硕士学位论文摘要铁电陶瓷材料在高能量光束的照射下能够产生应变，因此可制作成驱动器或传感器层合于空间梁、板、壳结构或者嵌入结构内部实现对结构的形状控制。相比于由电、磁等信号激发的智能材料制作而成的

4、驱动器（如压电驱动器、电致伸缩作动器、记忆合金等），光致伸缩驱动器由于具有不需要硬线连接、远程控制而且不会引起电磁干扰等优点，所以非常适合在太空环境下对结构施加非接触激励以及控制，且符合航空航天领域轻质化的发展趋势，因此具有重大的研究价值。本文利用不同极化方向的光致伸缩驱动器，针对驱动器在多场耦合下的本构模型、光致伸缩层合梁结构力学建模以及光电层合机翼结构的机翼挠度优化问题开展研究。本文首先阐述了铁电陶瓷材料和光致伸缩驱动器在光-电-力-热等物理场下的耦合效应，分别针对不同极化方向的驱动器本构关系

5、进行分析，建立0-1极化和0-3极化驱动器层合梁结构力学模型。采用光-电-力-热耦合单元建立层合结构的有限元模型，并引入加强假定应变以及假定自然应变模式来改善单元性能。解析方法与有限元方法和采用软件Abaqus计算三种计算结果进行对比表明，建立的力学模型正确、有效，提出的光电单元效率更高，能更好的模拟驱动效果。针对Abaqus软件进行二次开发，编写PLZT材料子程序，搭建软件Abaqus和Matlab联合仿真平台，并在此基础上以柔性机翼结构的位移为目标函数，以粘贴于机翼结构表面的光致伸缩驱动器的位

6、置和数目为设计变量，应用有限元软件和遗传算法设计针对柔性结构的位移优化系统。数值模拟结果验证了该优化方法能很好的实现光电层合机翼结构的位移优化。关键词：光致伸缩材料，非接触形状控制，遗传算法，柔性梁结构，有限元法，优化设计本课题来源于国家自然科学基金项目（项目编号11172129）、航空科学基金项目（项目编号2012ZA52009）、江苏省“青蓝”工程与高校优势学科建设工程资助项目。本论文工作在机械结构力学及控制国家重点实验室完成。v光致伸缩层合变体机翼研究ABSTRACTFerroelectri

7、cceramicsmaterialiscapableofproducingastrainonitssurfaceinresponsetoahigh-energylight.Itcanbeusedasactuatorsorsensorsbylaminatingonthespacebeam,plateandshellorembeddinginsidethestructuretorealizetheactivecontroloftheshapeofthestructure.Photostrictivea

8、ctuatorswithmanyadvantagesoverthethoseactuatorswhichactivatedbyelectricormagneticsignals(piezoelectricactuators,electrostrictiveactuators,SMAactuators.etc.),suchasnohard-wiredconnection,remotecontrol,andimmunityfromelectricandmagneticdisturban