考虑界面破坏的压电智能复合材料结构的失效机理项目摘要

基于静/动态实验、高速图像处理和电镜技术等宏、细观观测手段，观察压电元件与被控结构间的界面裂纹起裂和扩展特征，提出反映裂纹前缘细观损伤特征的跨尺度损伤模型，并建立相应的起裂和扩展准则；发展研究复合材料智能结构的界面损伤起裂、扩展和失效分析的多场耦合有限元方法，通过典型复合材料智能结构分析，讨论压电智能复合材料相物理与几何、粘弹性界面层强度对界面裂纹起裂、扩展特征和控制行为劣化的影响。在此基础上，通过数值仿真分析和小型压电智能复合材料结构的试验研究相结合的方法，建立压电智能复合材料工程结构的界面破坏和失效行为分析的虚拟实验系统，为大型复杂压电智能复合材料工程结构的虚拟设计和实验系统提供依据，并对该类结构的失效防范提出意见，具有重要的理论意义和工程价值。 2100433B

压电智能减振结构在改善薄壁结构动力学性能中发挥着重要作用。本项目以压电智能结构减振和降低能耗的需求为背景，深入研究基于主动控制的压电智能结构拓扑优化基础机理，发展考虑减振性能压电智能结构拓扑优化方法，研究压电智能减振结构优化中能耗约束的合理提法，并应用于形状固定压电组件—承载结构集成动力拓扑优化设计之中。针对主动振动控制下合理的压电材料拓扑优化模型、主动振动控制能耗对压电智能结构拓扑优化的正则化机理、压电智能结构动力学响应的高精度灵敏度分析算法等关键科学问题，预期在建立合理的压电智能减振结构拓扑优化列式及求解方法、提出考虑主动振动控制能耗的压电智能结构拓扑优化新模型、建立状态空间下结构动力响应的高精度灵敏度分析方法开展系统的创新性研究。项目将对深入理解压电智能减振结构设计机理，完善压电智能结构动力学优化方法，对提高减振结构设计水平具有指导意义。

本项目针对动力荷载下压电智能结构减振及降低控制能耗的需求，提出能够有效降低结构振动程度的压电智能结构拓扑优化模型，揭示压电智能结构拓扑优化问题中考虑能量消耗的合理性，并建立能够同时兼顾结构动力响应特性和能量消耗的压电智能结构拓扑优化方法；研究非比例阻尼压电智能结构优化问题中动力学响应和灵敏度分析难题并发展高效稳定的数值求解方法，并应用于动力荷载下基于多水平集描述的内嵌形状固定压电传感/作动元件—承载结构集成拓扑优化设计。通过本项目研究，获得了振动控制效率高、系统稳定性好的压电传感/作动元件布局设计。本项目在研究期间取得以下成果：（1）建立合理的压电智能减振结构的动力学拓扑优化方法，提出能够有效衡量结构振动能量耗散的优化目标函数，建立优化问题模型并发展相应的灵敏度分析方法。（2）研究主动控制能耗在压电智能结构减振优化中的合理性，发展相应的优化求解技术；通过实验验证所得压电智能结构最优布局设计，在结构动力学拓扑优化领域前沿问题的研究中取得创新性成果。(3) 项目执行期内发表多篇学术论文，参加多次国际学术会议。 2100433B

复合材料在土木工程领域的应用是一个全新的技术。由于芳纶纤维复合材料具有许多优异的特性，现已日益广泛地应用于特种结构的加固修复中。在复合材料加固结构中，界面损伤是一种重要的破坏模式，本项目拟根据芳纶复合材料加固混凝土构件的弯曲破坏特性，建立含缺陷或损伤的多尺度分析模型和各种破坏准则或强度模型，研究裂纹扩展规律、界面黏结特性、界面损伤机制，研究预应力、湿热变化对界面损伤的影响，研究芳纶纤维复合材料与混凝土界面的破坏对构件极限承载力的影响；根据加固参数及加固方法的改变，研究界面破坏模式的变化趋势。采用复合材料力学的基本理论，建立计及纤维逐步断裂、局部芳纶纤维复合材料/混凝土界面剥离、纤维/基体界面损伤或层间界面破坏的应力重分布计算模型和统计模型，探索抑制界面剥离破坏的措施。研究成果可为制定有关芳纶复合材料加固补强技术的设计和施工规范等提供重要的理论依据，具有重要的科学意义和工程实用价值。