夹层结构基于分段剪切理论的动力学分析及能量收集设计

发布时间：2020-03-22 13:54

【摘要】：夹层结构通常具有高比强度、高比刚度、优良的隔声与隔热等特性,目前已经被广泛应用于船舶、高速列车、航空航天等工程结构中。在极端的高温和噪声环境中,热应力、气动噪声与机械载荷叠加对整个飞行器结构产生巨大影响。因此深入研究夹层结构的动力学特性对结构设计具有深远意义。随着微电子机械系统、集成电路以及智能系统和结构的快速发展,使能量收集技术为低功耗微电子设备和无线传感网络提供能源成为一种可能。本文提出一种分段剪切变形理论,分析夹层结构的动力学性能,包括自由振动、振动声辐射、传声损失、后屈曲等特性;并根据新提出的分段剪切变形理论,设计出几种高效的夹层基振动能量收集器,用于从宽频、低频和低振幅振动源中获得能量。本文的主要研究内容如下:(1)现有的理论模型,有的精度低,难以准确预测夹层结构动力学特性;有的模型过于复杂,难以用来分析夹层结构的声振响应和后屈曲特性。本文提出一种简单、准确而又高效的分段剪切变形理论,可以方便的分析夹层结构在高温环境下的自由振动、振动声辐射、传声损失、后屈曲等动力学特性。根据哈密顿变分原理得到夹层板在高温环境下的振动控制方程,对四边简支边界条件下夹层板动力学特性进行理论求解,分析温度对夹层板固有频率、振动声辐射和传声损失的影响。(2)固支边界条件下板振动的精确理论解通常难以获得。本文研究夹层板在四边固支边界条件下振动、隔声等动力学特性。首先从简单的复合材料层合板入手,基于经典层合板理论和一阶剪切变形理论,利用假设模态法和伽辽金加权余值的思想,得到层合板自由振动的近似解析解;然后将这种方法推广到夹层板中,根据本文新提出的分段剪切变形理论,得到四边固支夹层板动力学响应的近似解析解;最后对四边固支边界条件下夹层板的自由振动特性、声振特性等进行了理论研究。(3)建立了夹层梁结构的分段剪切变形理论模型,对夹层梁热后屈曲和自由振动特性进行了理论研究,包括两边简支边界和两边固支边界两种工况。首先根据虚功原理得到了夹层梁的非线性控制方程,并利用其线性化方程推导出了夹层梁的固有频率和屈曲温度;然后利用非线性方程得到了夹层梁屈曲之后新的平衡位置,推导了当温度超过临界温度时,夹层梁屈曲后自由振动结果;最后详细分析了温度对屈曲和振动特性的影响。(4)设计了夹层基压电振动能量收集器,建立了夹层基振动能量收集器的分段剪切变形理论模型,采用拉格朗日方程得到了夹层基振动能量收集器的机电耦合方程。夹层基振动能量收集器与相同几何尺寸的传统振动能量收集器相比具有更低的共振频率,并且能输出更高的电压;如果以某一共振频率为设计目标,与传统振动能量收集器相比,夹层基振动能量收集器可以大幅度降低系统质量。详细地研究了材料属性和几何参数对能量收集器性能的影响。通过实验研究了不同芯层材料对夹层基振动能量收集器固有频率和输出电压的影响。(5)设计出多个夹层基多模态振动能量收集器,来证明夹层基振动能量收集器具有更好的可设计性。为了建立夹层基多模态振动能量收集器的理论模型,首先研究了传统的单层金属基础多模态振动能量收集器,建立了多模态振动能量收集器的理论模型。进而将这一理论推广到夹层基多模态振动能量收集器中。构造了一个含有两个内部支梁的夹层基多模态振动能量收集器,并完成实验测试。通过与实验结果和有限元仿真对比,验证了理论模型的有效性。通过参数优化和夹层基单模态能量收集器进行对比,说明了夹层基多模态振动能量收集器更适合从宽频、低频和低振幅振动源中获得能量。设计了一种内部含有三个悬臂梁的双压电片夹层基多模态振动能量收集器,通过改变内部悬臂梁几何参数和附加质量块大小,使前几阶固有频率充分接近,并均匀地分布在感兴趣的频率范围内,进一步说明了夹层基振动能量收集器具有灵活的设计性,可以适用于不同的振动环境中。
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夹层板,有限元模型

哈尔滨工业大学工学博士学位论文%。常温环境下夹层板有限元模型进行了收敛性研究。表 2-1 加，夹层板前六阶固有频率是收敛的。从表中可以看出，6格计算结果相差不大，为了降低 FE-BEM 计算量，，这里选择，因为在用 FE-BEM 混合法计算时是非常耗费时间的。夹节点四边形单元（CQUAD4），每个单元尺寸大小约为 6.7mm4 所示。SC.Nastran，得到的临界屈曲温度大小为 101.92 ℃ (1,1)，理 102.18 ℃ (1, 1)，理论计算与有限元仿真结果吻合较好。，不同温度条件下夹层板前六阶固有频率理论计算结果与仿值得说明的是温度载荷在 100 ℃时，一阶频率误差较大（界屈曲温度附近，一阶频率随着温度的变化非常敏感，因此算与仿真所得固有频率具有较大的误差。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V214

【参考文献】