旋转石墨烯纳米片增强压电复合微板的热-力-电耦合瞬态响应分析

【作者】 张旭； 方建士； 郭永彬； 杜超凡； 黎亮； 章定国；

【机构】 南京工程学院材料科学与工程学院； 江苏省先进结构材料及应用技术重点实验室； 南京理工大学物理学院； 扬州大学建筑科学与工程学院；

【摘要】 压电材料被广泛应用于传感器、驱动器以及能量收集等领域,但因其温度敏感性、机械强度以及导电性等问题受到局限,而石墨烯因其优异的机械、电、热性能成为一种备受关注的增强材料,将石墨烯纳米片引入压电材料的复合体系,不仅能够满足结构在热环境下的工作要求,还能有效改善材料的导电性和机械强度。本文提出一种新的热-力-电耦合动力学模型,旨在分析热环境中受到外部机械载荷和电荷载荷共同作用的旋转石墨烯纳米片(GNPs)增强压电复合材料微板的瞬态响应。研究中采用了三种不同的GNPs分散模式,以描述了材料在厚度方向上的性能变化,并通过扩展的混合规则和Halpin-Tsai微观力学模型对材料性能进行评估。基于一阶剪切变形理论(FSDT)和修正耦合应力理论(MCST),利用Hamilton原理建立旋转压电复合微板的控制方程,并利用基于切比雪夫-伽辽金方法对动力学方程进行离散。采用四阶Runge-Kutta-Merson算法求解系统的瞬态响应。为验证该方法的有效性,文中进行了收敛性分析和比较研究。该文详细探讨了载荷类型、载荷持续时间、阻尼系数、角速度、轮毂半径比、小尺度参数、外部电压、温升以及GNPs的分散模式、重量分数、几何尺寸和压电性能对旋转压电复合微板的动态挠度和瞬时速度的影响。数值结果表明,GNPs在提高压电复合材料结构的刚度和压电性能方面具有很大的潜力。更多还原