Параметрические колебания трехслойных пьезоэлектрических оболочек вращения

Abstract

Дана постановка задачи о параметрических колебаниях упругой трехслойной пьезооболочки, состоящей из среднего ортотропного диэлектрического или металлического слоя и двух пьезоэлектрических слоев. На основе механических гипотез Кирхгоффа-Лява и адекватных им гипотез относительно электрических полевых величин получены определяющие уравнения для усилий и моментов для различных случаев расположения электродов, типа поляризации и электрических граничных условий. Указано, как с использованием этих уравнений, универсальных уравнений движения, кинематических соотношений и механических граничных условий записать нелинейные и линеаризованные уравнения, описывающие параметрические колебания оболочек произвольной конфигурации. Линеаризованные уравнения описывают области динамической неустойчивости (ОДН). На границе ОДН имеет место гармоническое движение. Это позволяет свести задачу исследования главной ОДН к задачам на собственные значения и статической устойчивости для предварительно нагруженных пьезооболочек. С целью решения таких задач развит метод конечных элементов. Подробно рассмотрена задача о параметрических колебаниях трехслойной цилиндрической пьезопанели указанной структуры. Для шарнирного закрепления ее торцов получено аналитическое решение. Сопоставление конечно-элементного и аналитического решений свидетельствует о высокой точности первого. Решена задача о параметрических колебаниях механически нагруженной пьезооболочки с короткозамкнутыми и разомкнутыми электродами. Обнаружено существенное влияние электрических граничных условий на размеры ОДН, что может быть использовано для контроля колебаний оболочек. Получено конечно-элементное решение задачи о параметрических колебаниях цилиндрической пьезопанели с жестким защемлением торцов. Анализ численных результатов свидетельствует о существенном влиянии механических граничных условий как на размеры, так и на расположение главной ОДН.

Дано постановку задачі про параметричні коливання пружної тришарової п'єзооболонки, що складається з середнього ортотропного діелектричного або металевого шару та двох п'єзоелектричних шарів. На основі механічних гіпотез Кірхгофа-Лява й адекватних їм гіпотез про електричні польові величини одержані визначальні рівняння для зусиль і моментів для різних випадків розміщення електродів, типу поляризації та електричних граничних умов. Вказано, як з використанням цих рівнянь, універсальних рівнянь руху, кінематичних співвідношень і механічних граничних умов записати нелінійні й лінеаризовані рівняння, які описують параметричні коливання оболонок довільної конфігурації. Лінеаризовані рівняння описують області динамічної нестійкості (ОДН). На межі ОДН має місце гармонічний рух. Це дозволяє звести задачу дослідження головної ОДН до задач на власні значення і статичну стійкість для попередньо навантажених п'єзооболонок. Для розв'язання таких задач розвинуто метод скінченних елементів. Детально розглянуто задачу про параметричні коливання тришарової циліндричної п'єзопанелі вказаної структури. Для шарнірного закріплення торців одержано її аналітичний розв'язок. Порівняння скінченно-елементного й аналітичного розв'язків свідчить про високу точність першого. Розв'язано задачу про параметричні коливання механічно навантаженої п'єзооболонки з короткозамкнутими й розімкнутими електродами. Виявлено суттєвий вплив електричних граничних умов на розміри ОДН, що може бути використано для контролю параметричних коливань оболонок. Одержано скінченно-елементний розв'язок задачі про параметричні коливання циліндричної п'єзопанелі з жорстким закріпленням торців. Аналіз чисельних результатів свідчить про суттєвий вплив механічних граничних умов як на розміри, так і на розміщення головної ОДН.

The problem of parametrical vibrations of elastic three-layer shells composed from middle orthotropic dielectric or metal layer and two piezoelectrical layers is studied. On the basis of the mechanical Kirchoff-Love hypothesis and adequate assumptions for an electrical field the constitutive equations for forces and moments are obtained for varying electrode positions, type of polarization and electrical boundary conditions. It is shown how nonlinear and linearizated equations describing the parametrical vibrations of the arbitrary shaped shells can be obtained if the constitutive equations, universal equations of motion, kinematical equations and boundary conditions are used. The linearizated equations describe an area of dynamic unstability (ADU). On the boundary of ADU the harmonic motion occurs. This gives an opportunity to reduce the problem of investigations of the main ADU to solving the eigen value problems and the problem of static stability. Method of finite elements is developed to solve these problems. The problem of parametrical vibrations of a three-layered cylindrical piezopanel is considered in detail. The analytical solution of the problem is obtained for the case of simply supported edges. Correlation of an analytical and finite-element solutions demonstrate high accuracy of the first. The problem of parametrical vibrations under harmonic mechanical load is solved for the open-circuted and short-circuted conditions. The essential influence of the electrical boundary conditions on the size of ADU that can be used for control of the parametrical vibrations of the shells is shown. The finite-element solution of the problem of parametrical vibrations of cylindrical piezopanel with clamped edges is obtained. The numerical results point to essential influence of mechanical boundary conditions on the size and position of ADU.