用于流体中薄压电双晶片的三重耦合（压电、结构与流体场）的分层有限元方法

摘要： 本文提出了一种分析流体中薄型压电双晶片的数值方法。针对三重耦合的压电-结构-流体相互作用，提出采用分层分解有限元法(FEM)进行建模。薄型压电双晶片的机电耦合(压电-结构相互作用)行为由经典本构方程描述，不可压缩流体流动由Navier-Stokes方程描述，结构运动由Cauchy运动方程描述。该压电-结构-流体相互作用系统被分解为流体-结构相互作用(FSI)和压电场两个子系统，随后采用块高斯-赛德尔方法实现压电场与FSI的耦合；通过代数分裂将流体-结构相互作用分解为流体-结构速度场和压力场，并将流体-结构速度场进一步划分为流体速度场和结构速度场。利用所提方法，研究了PVDF和PZT-5H材料制成的压电双晶片悬臂梁在流体中作为驱动器和传感器时的共振特性。