作大范围运动功能梯度厚板刚柔耦合动力学研究

发布时间：2020-05-01 23:44

【摘要】：工程中复杂的机械系统通常是由多个柔性复合材料部件组成的多体系统。如航天器太阳帆板、螺旋桨桨叶、柔性机械臂、航空发动机叶片、卫星天线和太阳能帆板等,都可以简化为作大范围运动的柔性梁或者柔性板结构,每个柔性部件在运动过程中都可能会产生较大的弹性变形。随着科学技术的发展,实际工程对材料性能的要求越来越高,具有很高的比强度、比刚度、质量轻、耐高温以及可设计性等优点的复合材料逐渐取代传统材料而被结构设计者广泛使用。因此考虑几何非线性的功能梯度材料柔性结构的动力学建模具有挑战性和研究价值。经典薄板理论忽略了横向剪切变形影响,只适用于薄板情况,对于中厚板的研究应该采用一阶剪切理论或者高阶剪切理论,考虑横向剪切变形的动力学方程更为复杂,必须用数值方法进行求解。因此对作大范围运动功能梯度厚板的刚柔耦合动力学问题进行研究具有重要的实际意义和学术价值。本文的工作和成果主要有:1.对刚柔耦合柔性多体系统动力学的研究现状、功能梯度材料、柔性厚板的研究进展进行概述,并且提出了本文的研究内容和目标。2.对作大范围运动功能梯度材料厚板的刚柔耦合动力学问题进行了研究。基于一阶剪切变形理论,从连续介质理论出发,计及了变形位移场中的二次耦合变形量,利用Lagrange方法推导了功能梯度厚板的刚柔耦合动力学方程,使其既能应用于薄板的动力学分析,又能用于中厚板的动力学分析,本文利用有限元方法,采用20自由度4节点单元对变形场进行离散。3.对不同转速、不同厚度下的中心刚体-柔性悬臂板进行动力学仿真,采用Newmark时间积分方法对动力学方程进行求解,比较了本文建立的基于一阶剪切理论的模型和基于经典薄板理论的模型。结果表明,随着转速增大,剪切项对结构动力学行为影响变大,考虑横向剪切项的情况下,结构更偏柔性。研究了不同功能梯度指数下,功能梯度厚板的横向变形和速度响应频率,随着功能梯度指数的增大,结构的力学性能也会随之改变。4.分别用薄板理论和厚板理论对旋转柔性板的振动特性进行研究。基于厚板理论的建模方法得到的固有频率总是低于薄板理论建模方法,考虑剪切效应会让结构更偏柔性。
【图文】：

客机,发动机

１绪论硕士学位论文逡逑图１．１．１东方红一号逦图１．１．２美国ＧＯＥＳ－Ｒ气象卫星逡逑旋转叶片在实际工程中被广泛使用，旋转叶片的动力学特性是现代机械工程领域逡逑中的研究重点和热点，风力发电机叶片、涡轮机叶片、直升机旋翼、航空发动机叶片逡逑等都是这类刚柔耦合结构。２０１７年５月，国产Ｃ９１９客机成功首飞，国人振奋。众所逡逑周知，航空发动机是飞机的“心脏”，对于航空发动机来说，叶片的共振是导致叶片损逡逑坏的主要原因之一，如果飞机在长时间飞行中，高速旋转的发动机叶片出现问题将严逡逑重影响飞机和乘客的安全。因此对航空发动机叶片的动力学研究有着重要意义。逡逑

气象卫星,东方红,美国,航空发动机叶片

图１．１．１东方红一号逦图１．１．２美国ＧＯＥＳ－Ｒ气象卫星逡逑旋转叶片在实际工程中被广泛使用，旋转叶片的动力学特性是现代机械工程领域逡逑中的研究重点和热点，风力发电机叶片、涡轮机叶片、直升机旋翼、航空发动机叶片逡逑等都是这类刚柔耦合结构。２０１７年５月，国产Ｃ９１９客机成功首飞，国人振奋。众所逡逑周知，，航空发动机是飞机的“心脏”，对于航空发动机来说，叶片的共振是导致叶片损逡逑坏的主要原因之一，如果飞机在长时间飞行中，高速旋转的发动机叶片出现问题将严逡逑重影响飞机和乘客的安全。因此对航空发动机叶片的动力学研究有着重要意义。逡逑杴一邋｜逡逑
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34

【参考文献】