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研究生: 董凡宇
Tung, Fan-Yu
論文名稱: 單邊嵌入式壓電材料Timoshenko樑之動態分析
Dynamic Analysis of Timoshenko Beam with One-Sided Embedded Piezoelectric Material
指導教授: 王榮泰
Wang, Rong-Tyai
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 工程科學系
Department of Engineering Science
論文出版年: 2015
畢業學年度: 103
語文別: 中文
論文頁數: 68
中文關鍵詞: 嵌入壓電材料Timoshenko樑有限元素法
外文關鍵詞: Embedded piezoelectric material, Timoshenko beam, Finite element
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  • 本文之目的為探討一個單邊嵌入壓電材料Timoshenko beam之動態分析,由有限元素法建立其運動方程模型,以此配合Newmark’s scheme模擬探討此結構受暫態外力與感應電壓之動態行為。
      本文將懸臂樑結構分為三個跨距,每一跨距具有上下兩層,僅第二跨距結構上層為壓電材料,而第一、三跨距及第二跨距的下層均為鋁材;並由樑結構之位移場、應力場和應變場推導出應變能與動能,且由Hamilton原理求得結構Governing equations及邊界條件。
    利用靜態平衡方程式推導出各個跨距的單位元素之位移函數向量,經由單位元素的節點位移以有限元素法分別堆疊出各個跨距的勁度矩陣與質量矩陣,並以Lagrange’s equations建立系統的運動耦合方程式組。
    以Newmark’s Scheme模擬樑系統之動態響應情形,分別探討施加外力於結構末端和施加電壓於壓電材料作用,以了解當改變壓電材料長度、位置與厚度時,樑結構的位移變化及壓電片輸出電荷情形。

    In this thesis the cantilevered Timoshenko beam with one-side embedded a piezoelectric material is presented. The governing equation is set up by the finite element approach. The dynamics of structure subjected to an external force and applied voltage on the piezoelectric can be investigated by the Newmark’s scheme.

    The Timoshenko beam is regarded as a three-span beam and each span has top and bottom components. The upper layer of the second span is a piezoelectric material. All the other parts are Al material. The total electric enthalpy and kinetic energy of the entire beam are obtained with displacements, stresses and strains. The governing equations and the corresponding boundary condition are derived via by Hamilton’s principle.

    The displacement vectors of each span element are obtained by solving the equations of static equilibrium. Then, the finite element approach is adopted to pile up the stiffness and mass matrixes of each span from element’s nodal displacements. The coupling equations of the motion of the system can then be set up via the Lagrange’s equations.

    The Newmark’s scheme is adopted to compute the dynamic responses of the entire system. The force acting at the tip of the entire beam and a voltage applied on the piezoelectric material are taken as two examples. The effects of length, location and thickness of the piezoelectric material on the history of displacement of the beam and the history of the charge accumulation on the piezoelectric surfaces are investigated.

    摘要 I EXTENDED ABSTRACT II 誌謝 VI 目錄 VII 表目錄 XI 圖目錄 XIII 第一章 緒論 1 1-1 研究動機及目的 1 1-2 文獻探討 3 1-3 論文架構 5 第二章 研究架構 6 2-1 研究架構流程 6 2-2 本文基本假設 7 第三章 研究方法及內容 8 3-1 結構模型與位移函數 8 3-1-1 結構模型設定 8 3-1-2 位移函數 9 3-2 推導運動方程式 10 3-2-1 第一、三跨距位移場、應變場、應變能、動能 10 3-2-2 壓電材料基本參數 11 3-2-3 嵌入壓電材料層之位移場、應力場、應變場、應變能、動能 13 3-2-4 結構運動方程式及邊界條件 16 第四章 有限元素方法分析 20 4-1 有限元素方法模型 20 4-2 靜態平衡方程式 21 4-3 單位元素之質量與勁度矩陣堆疊 28 4-3-1單位元素之質量與勁度矩陣 28 4-3-2單位元素矩陣堆疊 29 4-4 Newmark’s Scheme Method 31 第五章 案例探討與模擬結果分析 34 5-1 案例探討 34 5-1-1 懸臂樑結構參數 34 5-1-2 結構之自然頻率與有限元素方法收斂性分析 35 5-1-3 結構之位移模態圖 37 5-2 改變樑結構幾何對其位移之影響 38 5-2-1 嵌入壓電材料層位置之影響 39 5-2-2 嵌入壓電材料層長度之影響 44 5-2-3 嵌入壓電材料層厚度之影響 50 5-3 樑結構系統動態分析 53 5-3-1 嵌入壓電材料層位置之影響 54 5-3-2 嵌入壓電材料層長度之影響 56 5-3-3 嵌入壓電材料層厚度之影響 58 5-3-4 電阻值之影響 60 第六章 結論與建議 62 6-1 結論 62 6-2 建議 64 參考文獻 65 Appendix A 67 Appendix B 68 表5.1 單位元素長度效應對於樑的前三自然頻率之比較 35 表5.2 各跨距長度效應對於結構的前三自然頻率之比較 36 表5.3 壓電材料厚度效應對於結構的前三自然頻率之比較 36 表5.4 L1值效應對於自由端點z方向之位移及收集電荷比較(施加外力)39 表5.5 L1值效應對於自由端點z方向之位移及收集電荷比較(施加電壓)42 表5.6 L2值效應對於自由端點z方向之位移及收集電荷比較(施加外力)44 表5.7 L2值效應對於自由端點z方向之位移及收集電荷比較(施加電壓)47 表5.8 h1值效應對於自由端點z方向之位移及收集電荷比較(施加外力)50 表5.9 h1值效應對於自由端點z方向之位移及收集電荷比較(施加電壓)52 表5.10 不同嵌入壓電材料層位置對於振幅衰減之比較 54 表5.11 不同嵌入壓電材料層長度對於振幅衰減之比較 56 表5.12 不同嵌入壓電材料層厚度對於振幅衰減之比較 58 表5.13 不同電阻對於振幅衰減之比較 60 圖3.1 嵌入式壓電材料懸臂樑結構圖 8 圖3.2 各方向位移函數表示圖 8 圖3.3 極化方向P和電場E3方向表示圖 11 圖3.4 嵌入壓電材料層電路圖 19 圖4.1 結構單位元素示意圖 20 圖4.2 單位元素堆疊示意圖 20 圖5.1 元素數量對於第一模態頻率值之收斂情形 35 圖5.2 樑結構z方向位移(w)之前三個模態之變化示意圖 37 圖5.3 L1值效應對於結構z方向位移(w)之比較(施加外力) 39 圖5.4 L1值效應對於自由端點z方向位移(w)之比較(施加外力) 40 圖5.5 L1值效應對於所收集電荷量之比較(施加外力) 40 圖5.6 L1值效應對於結構z方向位移(w)之比較(施加電壓) 42 圖5.7 L1值效應對於自由端點z方向位移(w)之比較(施加電壓) 43 圖5.8 L2值效應對於結構z方向位移(w)之比較(施加外力) 44 圖5.9 L2值效應對於自由端點位z方向位移(w)之比較(施加外力) 45 圖5.10 L2值效應對於所收集電荷量之比較(施加外力) 45 圖5.11 L2值效應對於結構z方向位移(w)之比較(施加電壓) 47 圖5.12 L2值效應對於自由端點z方向位移(w)之比較(施加電壓) 48 圖5.13 L2值效應對於所收集電荷量之比較(施加電壓) 48 圖5.14 h1值效應對於結構z方向位移(w)之比較(施加外力) 50 圖5.15 h1值效應對於結構x方向位移(u)之比較(施加外力) 51 圖5.16 h1值效應對於結構z方向位移(w)之比較(施加電壓) 52 圖5.17 不同嵌入壓電材料層位置對於結構自由端z方向位移震盪之比較(暫態外力) 54 圖5.18 不同嵌入壓電材料層位置對於此材料層因應變收集電荷之比較(暫態外力) 55 圖5.19 不同嵌入壓電材料層長度對於結構自由端z方向位移震盪之比較(暫態外力) 56 圖5.20 不同嵌入壓電材料層長度對於此材料層因應變收集電荷之比較(暫態外力) 57 圖5.21 不同嵌入壓電材料層厚度對於結構自由端z方向位移震盪之比較(暫態外力) 58 圖5.22 不同嵌入壓電材料層厚度對於此材料因應變收集電荷之比較(暫態外力) 59 圖5.23 不同電阻Rf對於結構自由端z方向位移震盪之比較(暫態外力) 60 圖5.24 不同電阻Rf對於此材料層因應變收集電荷之比較(暫態外力) 61

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    下載圖示 校內:2016-08-28公開
    校外:2019-08-28公開
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