内嵌伪弹性形状记忆合金复合材料梁非线性有限元分析

发布时间：2020-10-21 19:37

　　 风力机叶片是风力机捕获风能的关键部件之一。作为一种细长柔性体结构,叶片在复杂的外载荷作用下很容易发生振动。随着技术的不断发展,叶片尺寸的不断增大,叶片结构更趋于柔性。对叶片进行几何线性分析已远远满足不了实际的工作需求,故进行几何非线性有限元分析对研究风力机叶片振动有着很重要的价值。形状记忆合金(SMA)因为具有独特的形状记忆效应和伪弹性效应,在结构振动控制方面得到了广泛的研究和发展。为了研究几何非线性条件下SMA对风力机叶片的抑振效果,本文以内嵌伪弹性SMA复合材料等截面和变截面层合梁为研究对象,基于非线性有限元法分析了SMA纤维嵌入到复合材料梁中的抑振效果,为SMA纤维在实际工作状态中风力机叶片振动控制的应用和延长叶片使用寿命提供了有价值的理论基础。本文主要工作如下:首先,基于复合材料力学基本理论,几何非线性分析理论、非线性有限元分析法以及SMA的相变特性建立了内嵌SMA纤维的复合材料实心层合梁的非线性静力学平衡方程,对内嵌伪弹性复合材料实心梁进行非线性静态模拟分析:对SMA纤维复合杆进行了拉伸加卸载模拟,得到在受拉伸载荷作用下的载荷与变形量关系曲线以及相应的应力应变曲线,为未来考虑离心力载荷作用奠定了基础;使用ANSYS与MATLAB模拟分析了几何非线性条件下对内嵌SMA的复合材料层合梁施加横向静载荷时SMA纤维复合材料梁的伪弹性耗能能力,验证了MATLAB程序的准确性,为后文使用MATLAB程序进行非线性动态响应分析提供可靠保障。其次,利用MATLAB软件分析了SMA纤维层体积含量、安装位置以及工作温度等参数对内嵌伪弹性SMA纤维复合材料梁动态响应的影响。研究发现:SMA纤维体积含量越多,其应力应变形成的滞后环的面积越小,SMA纤维复合材料层的伪弹性耗能能力降低,但其抑振能力因刚度的提高而增大,自由端挠度得到减小;SMA纤维复合材料层安装位置离梁的中面越远,对层合梁的振动抑制效果越明显,且应力应变形成的滞后环的面积越大,耗能能力增强;梁自由端挠度会随着工作时温度的升高而减小,且SMA纤维的线弹性变形阶段得以延长,刚度也随之增强,其抑振能力增强,但由于高温时应力应变形成的滞后环面积较低温时减小,SMA纤维伪弹性耗能能力随着温度的升高而降低。确定好以上参数对SMA纤维复合材料梁伪弹性耗能能力以及抑振的影响,随后对比分析了在横向动载荷作用下几何非线性和几何线性两种情况的SMA纤维复合材料梁动态响应。研究发现:几何非线性分析时梁自由端挠度较几何线性时明显降低,故SMA纤维复合材料层的抑振能力较线性分析时增强;SMA纤维复合材料层应力应变关系所形成的滞后环面积较线性时减小,故其伪弹性耗能能力较线性时减弱。最后,为了更贴近实际工作情况,把风力机叶片简化为变截面复合材料空心层合梁,研究了其在风载荷作用下的动态响应。并分析了结构阻尼以及应变幅值对梁动态响应的影响。研究发现:结构阻尼能提高SMA纤维复合材料层对梁的抑振效果;同一时刻,相同载荷作用下,随着应变幅值的增大,梁自由端位移减小,且SMA纤维复合材料层的应力应变曲线向右移动,滞后环变宽,滞后环的面积增大,SMA纤维的伪弹性耗能能力明显增强。
【学位单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG139.6;TB33
【文章目录】：
摘要
abstract
1 绪论
    1.1 课题研究的目的和意义
    1.2 非线性有限元分析
        1.2.1 非线性有限元基本方法
        1.2.2 ANSYS用于结构非线性分析过程简介
    1.3 形状记忆合金在结构振动控制中的研究现状
        1.3.1 形状记忆合金用于结构的振动控制方法
        1.3.2 形状记忆合金用于结构的振动控制的国内外研究进展
    1.4 本文主要研究内容
2 形状记忆合金力学性能研究
    2.1 形状记忆合金主要特性
        2.1.1 形状记忆效应
        2.1.2 伪弹性效应
        2.1.3 相变滞后特性
        2.1.4 高阻尼特性
    2.2 形状记忆合金本构模型
        2.2.1 Tanaka本构模型
        2.2.2 Liang-Rogers本构模型
        2.2.3 Brinson本构模型
    2.3 Brinson模型数值模拟分析
    2.4 本章小结
3 内嵌伪弹性SMA纤维等截面复合材料梁静态非线性有限元分析
    3.1 内嵌伪弹性SMA复合材料梁非线性的理论分析
    3.2 算例分析
        3.2.1 梁弯曲静力学分析
        3.2.2 嵌入SMA纤维的复合材料层合杆拉伸静力学分析
    3.3 SMA纤维复合材料层合梁的弯曲变形分析
    3.4 本章小结
4 内嵌伪弹性SMA纤维等截面复合材料梁动态非线性有限元分析
    4.1 理论模型分析
        4.1.1 SMA纤维复合材料实心层合梁模型
        4.1.2 SMA纤维复合材料空心层合梁模型
    4.2 复合材料实心层合梁动力学算例分析
    4.3 不同参数对内嵌SMA纤维复合材料梁动态响应的影响
        4.3.1 SMA纤维体积含量对SMA纤维复合材料梁动态响应的影响
        4.3.2 SMA纤维复合材料层的安装位置对SMA纤维复合材料梁动态响应的影响
        4.3.3 工作环境温度对SMA纤维复合材料梁动态响应的影响
    4.4 内嵌伪弹性SMA纤维层合梁动态响应的数值模拟与分析
        4.4.1 SMA实心层合梁受简谐集中载荷作用
        4.4.2 SMA空心层合梁受简谐均布载荷作用
    4.5 本章小结
5 内嵌伪弹性SMA变截面复合材料梁非线性有限元分析
    5.1 理论模型
    5.2 风载荷计算
    5.3 结构阻尼简介
    5.4 内嵌伪弹性SMA变截面复合材料悬臂梁动态响应模拟
    5.5 SMA纤维的不同应变幅值对嵌入SMA纤维的变截面复合材料空心梁动态响应的影响
    5.6 本章小结
6 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 本文主要创新点
    6.3 展望
参考文献
致谢
攻读硕士研究生学位期间发表的学术论文

【参考文献】

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本文编号：2850516