Влияние диссипации и вызванного ею виброразогрева на характеристики колебаний трехслойных пьезоэлектрических оболочек вращения

Abstract

Рассмотрена задача о вынужденных колебаниях и виброразогреве трехслойных пьезоэлектрических оболочек вращения, составленных из среднего пассивного и двух пьезоактивных внешних слоев. Учет диссипативных свойств материала проводится на основе концепции комплексных характеристик. В случае независящих от температуры свойств материалов задача сведена к последовательному решению задачи электромеханики, вычислению диссипативной функции и решению уравнения теплопроводности с известным источником тепла. Для зависящих от температуры свойств материалов задача становится существенно нелинейной и для ее решения предложены итерационные методы в сочетании с методом конечных элементов. Подробно рассмотрена задача о колебаниях и виброразогреве трехслойной цилиндрической пьезопанели. При шарнирном опирании ее торцов для первого из указанных случаев получено аналитическое решение. Сопоставление аналитических и конечно-элементных решений свидетельствует о высокой точности и эффективности разработанного численно-аналитического метода. Для второго из указанных случаев представлены результаты расчета частотной зависимости амплитуды колебаний, температуры, коэффициентов затухания и электромеханической связи в окрестности первого резонанса. Все указанные характеристики показывают типичное для нелинейных систем поведение.

Розглянута задача про вимушені коливання і вібророзігрів тришарових п'єзоелектричних оболонок обертання, складених із середнього пасивного та двох п'єзоактиивних зовнішніх шарів. Дисипативні властивості матеріалів враховуються на основі концепції коплексних характеристик. У випадку незалежних від температури властивостей матеріалів задача зведена до послідовного розв'язування задачі електромеханіки, розрахунку дисипативної функції та розв'язування рівняння теплопровідності з відомим джерелом тепла. Для залежних від температури властивостей матеріалів задача стає суттєво нелінійною і для її розв'язування запроновані ітераційні методи в поєднанні з методом скінченних елементів. Детально розглянута задача про коливання і дисипативний розігрів тришарової циліндричної п'єзопанелі. При шарнірному закріпленні її торців для першого із вказаних випадків одержано аналітичні розв'язки. Співставлення аналітичних і скіченно-елементних розв'язків свідчить про високу точність та ефективність розробленого чисельно-аналітичного методу. Для другого із вказаних випадків представлені результати розрахунків частотної залежності амплітуди коливань, температури, коефіцієнтів затухання та електромеханічного зв'язку в околі першого резонансу. Всі ці характеристики показують типову для нелінійних систем поведінку.

The problem of vibration and vibro-heating of three-layer piezoelectric shells of revolution composed of passive inner and two outer piezoactive layers is considered. Conception of complex characteristics is used for inclusion of dissipative material properties. When the material characteristics are not dependent on temperature the problem is reduced to the solution of electromechanical problem, calculation of dissipative function and solution of problem of heat-conduction. The problem is nonlinear when the characteristics are dependent on temperature. It is solved by applying the iterative methods and the finite element method. The problem of vibration and vibro-heating of the three-layer cylindrical piezoelectric shells is considered in detail. For the first case the analytical solution of problem is found. The comparison of analytical and finite element solutions shows high precision and efficiency of the finite element solution. For the second case the results of calculations of frequency dependence of amplitude, temperature, coefficients of attenuation and electromechanical coupling are presented. The characteristics show typical behavior for the nonlinear systems.