Based on the multi-field layerwise theory, the geometric nonlinear finite elements have been presented for the thermopiezoelastic modeling of composite structures with applications to enhance static and dynamic instabilities such as thermal buckling and supersonic flutter. The mathematical formulations and code developments of layerwise nonlinear finite elements of composite laminates have been performed for the modeling of cross-sectional warping, anisotropy, stepped geometry and accurate piezoelectric strain actuation. Moreover, the layerwise descriptions of piezoelectric and temperature fields are used for the nonlinear thermopiezoelastic analysis of smart composite plates and shells. For the purpose of validation of developed codes, various problems are solved and the present results are compared with previous results. First, thermal snapping mechanism and vibration characteristics are investigated by incorporating an arc-length scheme to analyze unstable postbuckling phenomena. Secondly, the nonlinear thermopiezoelastic stabilities of piezolaminated plates are analyzed so as to increase thermoelastic buckling load and to suppress thermally buckled deflections. Also, snap-through phenomena in the nonlinear thermopiezoelastic behavior are firstly examined by incorporating an arc-length scheme to the nonlinear solver. Thirdly, the supersonic flutter analysis of cylindrical panels subject to thermal stresses is carried out using a Han Krumhaar’s supersonic piston theory. Finally, the possibility to increase aerothermoelastic stability boundaries of cylindrical panels is examined using piezoelectric actuations. Results show that in the composite panels subject to thermal stresses, active piezoelectric actuations can effectively increase the critical aerodynamic pressure by retarding the flutter mode coalescence and compensating thermal stresses.
층별변위 비선형 유한요소법을 이용하여 열압전탄성 응용연구 하나로 정적 불안정성인 열적 좌굴과 동적 불안정성인 초음속 플러터 임계동압의 향상에 관한 연구를 수행하였다. 이를 위해 단면의 와핑, 하이브리드 적층, 스텝된 구조 그리고 온도장과 압전작동력을 효과적으로 고려할 수 있는 다분야 층별변위 이론에 따른 복합적층 평판과 쉘의 기하학적 비선형 유한요소 수식화와 해석 프로그램을 개발하였다. 자유진동, 열좌굴 그리고 압전작동력에 대한 다양한 예제를 풀고 기존의 연구결과들과 비교해봄으로써 검증 및 코드의 안정성을 확인하였다. 우선 불안정 후좌굴을 고려할 수 있도록 호길이법을 비선형 해석에 도입하여 원통형 복합적층 패널에 대한 열적 스냅핑 미케니즘과 그에 따른 진동특성을 연구하였다. 다음으로 압전적층판의 좌굴온도 증가와 좌굴된 변형의 억제에 대한 비선형 열압전탄성 해석을 수행하였다. 비선형 열압전탄성 거동에서 새로운 불안정성을 발견하였으며 이에 대한 해석을 위해 하중과 변위를 동시에 제어할 수 있는 원통형 호길이법을 적용하여 열압전탄성 스냅-스루 현상임을 규명하였다. 원통형 패널에 적합한 Hans Krumhaar의 초음속 이론을 적용하여 열응력을 받는 원통형 복합적층 패널의 초음속 플러터 해석을 수행하였으며 더 나아가 압전작동력에 의해 원통형 패널의 공력열탄성학적인 안정성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 열응력에 의해 플러터 모드가 교차하는 경우에는 플러터 임계동압이 급격히 떨어지는데, 이런 경우 압전작동력에 의해 열응력을 보상시키면서 모드의 병합(coalescence)을 지연시킴으로써 효과적으로 플러터를 억제할 수 있음을 보이고 있다.
