功能梯度板构件在交通结构中的应用研究

发布时间：2020-06-26 22:50

【摘要】：功能梯度材料(Functionally Graded Material,简称FGM)是一种新型复合材料,通常由金属类材料和非金属类材料组成,并可根据不同工程环境、不同应用背景调节FGM结构的内部材料组成成分来满足工程的设计要求,在交通、建筑、航空航天等领域有广阔的应用前景。因此,对FGM结构力学性能的研究对FGM在工程中的实际推广使用有重要的理论和工程价值。本文的工作内容主要包括:(1)基于复合材料薄板理论和一阶活塞理论,考虑热传导作用,建立超音速气流作用下粘贴压电层的功能梯度材料板构件在气动/电/热/机复合荷载作用下的力学模型;(2)分析马赫数、气流偏角等因素对FGM板结构振动、屈曲和颤振的影响;(3)讨论预加电压对FGM板结构振动、屈曲及颤振特性的影响,并讨论其对FGM板颤振的抑制效果;(4)研究超音速气流作用下表面粘贴压的电层FGM板结构在几种交通工程实际中表现出的性能。本文基于复合材料薄板理论和一阶活塞理论,建立了FGM板结构的运动控制方程,并结合Galerkin方法导出了FGM板结构自由振动、动力响应、屈曲和颤振问题的解,为本文的工作提供了高效可靠的分析手段。根据推导出的理论结果,结合工程实际情况,重点分析了FGM板结构在基础工程、桥梁工程、动力传送系统等交通工程结构中表现出的力学特性,并讨论其与普通材料相比所具有的优势:(1)FGM板结构比普通钢制材料在粘弹性地基条件下可承受更大的温度荷载;(2)FGM板结构比普通桥梁钢制材料可承受更大的冲击力;(3)FGM板结构受到如风荷载和机械荷载等外部荷载作用时有更好的变形能力;(4)FGM板结构比普通材质板可抵抗更高的轴向运动速度,不易发生屈曲;(5)FGM板结构与普通材料板相比,有更多更灵活的组合方式。基于本文所使用的理论方法和工程实际研究对象,用计算机语言编制相应的程序包,为本文推算出较为准确的结果。本文的研究成果有助于为FGM板结构在交通工程结构中的应用打下基础,并对板结构振动、屈曲及颤振等力学性能的研究有一定的指导作用。
【学位授予单位】：桂林电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB33;U444
【图文】：

固有频率,压电层,文献,材料物性

图 2-2 FGM 混合板固有频率的比较下表面粘贴压电层的由 Aluminum oxide 和 Ti-6Al-4文献[45]的结果进行了对比。材料物性参数随温度变宽比 a/b=1(下文中若无特殊说明，长宽比均为 1)， G-1195N，G-1195N 的弹性模量E、密度、泊松比,j=1,2,3)分别为： E =63.0GPa， =7600kg/m3，v=032 d=2.54×10-10m/V，压电层 hp的厚度为 0.1mm。与文献[44]、[45]所得结果比较接近。 2-1 上下表面粘贴压电层 FGM 混合板自振频率(Hz)的比文献模态(m，n)(1，1) (1，2) (2，2) (1，3献[45] 144.25 359.00 564.10 717.80本文 142.44 365.07 565.70 723.01献[45] 168.74 420.66 665.01 841.26

气流马赫数,动力响应,动挠度,材料

第二章超音速气流下功能梯度材料混合板的自由振动和动力响5 150.952 418.576 425.523 819.459 400K 300K1 8.767 18.461 27.537 33.625 2 24.734 65.820 73.280 127.3045 144.564 400.869 407.522 784.796应分指数 N 对 FGM 混合板动力响应的影响析了材料组分指数对 FGM 混合板中心挠度 W 的影响，取若无特殊说明时间单位均为毫秒)，外部受均布突加荷载板从上至下由陶瓷材料 alumina 到金属材料 aluminum 0.3。其余特性系数参考表 2-2。FGM 板的厚宽比为 h/a =2.0，电压 V=0V。从图 2-3 可以看出 FGM 混合板的中的增大而增大，说明钢制材料含量的增大减小了板的抗能力变弱。

【参考文献】