多场耦合下智能材料圆柱结构的力学行为研究
本文关键词：多场耦合下智能材料圆柱结构的力学行为研究
【摘要】：智能材料是一种能感知外部环境变化,能够判断并适当做出反应的新型功能材料。智能材料是现代高技术新材料发展的重要方向之一,将支撑未来高技术的发展,它使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失,实现材料结构功能一体化。圆柱结构是一类具有广泛工程应用背景的构件,例如它可以作为枪管或炮管,并且还可以用来作为各种化工系统、锅炉系统的管道。本论文选取了几种具有代表意义的智能材料作为结构的主要材料,如:压电材料,功能梯度材料,物理参数随温度改变而变化的材料等。本论文以智能材料圆筒、圆柱壳以及含热障层的双层结构为研究对象,综合考虑了他们在机械荷载及多物理场(温度场、电场和内部流体作用)作用下的结构响应问题。本论文的研究内容与创新工作如下:(1)在热机耦合作用下,考虑材料粘弹性,建立了含孔隙的无限长热塑性聚合圆筒模型,借助Laplace变换与逆变换研究了圆筒的动态响应,分析了温度及孔隙率对热塑性圆筒的力学性能的影响。(2)基于经典弹性力学理论,借助有限差分法、Newmark法,研究了在热冲击载荷作用下无限长双层厚壁圆筒热粘弹性动力学行为,分析讨论了各参数尤其是内层隔热材料的选取对结构强度的影响。(3)基于经典板壳理论和流体泊肃叶定律,讨论了充满流体圆柱壳在多场载荷作用下的弯曲变形问题,对结构的壳体部分和流体部分分别求得了解析解,然后着重分析了内部流体流速以及粘滞系数对结构产生的影响。(4)在前面研究的基础上,综合利用解析法和数值解法,分析了在多场耦合环境下有限长非均质双层结构的静弯曲,并通过一系列算例的分析与讨论,总结出了研究对象在多物理场耦合作用下的力学响应规律,并揭示了影响结构响应的各种因素及其大小。本论文的研究工作丰富和发展了智能材料与结构力学、热弹性力学和多场耦合力学。并将为进一步研究多场耦合下圆柱结构的力学行为以及结构优化提供一定的理论依据。
【关键词】：多场耦合 智能材料 圆柱结构 力学行为
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB381;O342
【目录】：
- 摘要5-6
- Abstract6-14
- 符号注释表14-16
- 第1章 绪论16-24
- 1.1 课题背景与选题意义16-18
- 1.1.1 智能材料简介16-18
- 1.1.2 选题意义18
- 1.2 国内外相关领域研究现状18-22
- 1.2.1 各类智能材料的研究现状18-20
- 1.2.2 多场耦合下圆柱结构的力学问题研究现状20-22
- 1.3 本论文要点及创新22-24
- 1.3.1 本论文的主要研究内容22
- 1.3.2 本论文的主要创新工作22-24
- 第2章 热塑性圆筒结构的粘弹性力学响应24-33
- 2.1 模型的建立及热传导方程24-25
- 2.1.1 物性参数24-25
- 2.1.2 热传导方程25
- 2.2 基本方程和求解过程25-29
- 2.3 算例及结果分析29-32
- 2.4 本章小结32-33
- 第3章 热冲击作用下双层厚壁圆筒的动力学行为研究33-48
- 3.1 模型的建立33-34
- 3.1.1 物性参数33-34
- 3.1.2 热冲击作用下温度场的基本解34
- 3.2 圆筒基本方程和求解过程34-41
- 3.2.1 问题的基本方程34-36
- 3.2.2 问题的基本求解过程36-41
- 3.3 具体算例及讨论41-47
- 3.4 本章小结47-48
- 第4章 多场耦合下充满流体圆柱壳结构的弯曲变形问题48-68
- 4.1 基本方程的建立48-54
- 4.1.1 FGPM圆柱壳的物性参数48-49
- 4.1.2 热传导方程49-50
- 4.1.3 壳体的基本方程50-54
- 4.2 基本方程和求解过程54-59
- 4.2.1 结构中流体基本方程求解54-55
- 4.2.2 壳体部分基本方程求解55-59
- 4.3 具体算例和数值结果59-67
- 4.4 本章小结67-68
- 第5章 多场耦合下有限长非均质双层结构的静弯曲68-83
- 5.1 模型的建立及热传导方程68-70
- 5.1.1 物性参数68-69
- 5.1.2 热传导方程69-70
- 5.2 基本方程和求解过程70-76
- 5.2.1 内层圆筒的基本方程70-72
- 5.2.2 外层圆柱壳的基本方程72-73
- 5.2.3 内层圆筒基本方程的求解73-76
- 5.3 具体算例及讨论76-82
- 5.4 本章小结82-83
- 总结与展望83-85
- 参考文献85-95
- 致谢95-96
- 附录A 攻读学位期间已发表和被接收的学术论文96-97
- 附录B 对式(2.19)进行Laplace逆变换得到静态解u_s的过程97-99
- 附录C 方程组(5.29)中的各项系数99
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