双稳定复合材料层板的构型分析及其动力学特性研究

发布时间：2017-04-01 09:00

  本文关键词：双稳定复合材料层板的构型分析及其动力学特性研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：先进复合材料由于其高比强度、高比刚度、耐腐蚀、耐疲劳和可设计性等优点,在航空航天领域内得到了广泛的运用。通常情况下,复合材料层板采用对称铺层以避免产生固化变形。然而,随着复合材料应用领域的拓展,复合材料层板的固化变形在特殊的应用背景下将有可能得到充分利用。双稳定层板是一种在内部残余热应力的作用下产生较大的固化变形,并具有两种稳定构型的复合材料结构。双稳定层板无需持续的能量来维持其稳定构型,并且在外力的驱动下能够发生构型转变并实现大变形,同时,双稳定层板在构型转变的过程中发生跳变现象并显示出负刚度特性。双稳定层板的双稳定特性和非线性特性,使其在可变形结构以及能量收集领域具有良好的应用前景。本文对双稳定层板进行了系统地研究,研究内容包括双稳定层板的构型预报和分叉行为分析、新型的混杂双稳定层板的设计、基于双稳定层板的多稳定结构、双稳定层板的新型热驱动方法、双稳定层板的动力学特性以及双稳定宽频能量收集系统。本文在层板的几何方程中引入冯卡门非线性项,并考虑非对称层板的拉弯耦合对中心面应变的影响,建立了基于多项式位移函数的6阶构型预测理论模型。当双稳定层板的尺寸较大时,基于多项式位移函数的构型预测模型具有较大误差。因此,建立了饱和曲率模型以预测大尺寸双稳定层板的稳定构型。利用理论模型和有限元方法,分析了层板的长宽比、厚度和尺寸对其分叉行为的影响,并预测了双稳定层板的双稳定临界尺寸以及中心点跳变临界载荷。通过在复合材料层板中的不同位置混杂金属层,提出了[0/90/Metal]混杂双稳定层板和混杂对称双稳定层板。建立了[0/90/Metal]层板的构型预测模型,预报并分析了层板尺寸、金属层厚度、金属层与复合材料层之间的滑移以及吸湿效应对[0/90/Metal]混杂双稳定层板的双稳定特性的影响。建立了对称混杂双稳定层板的9参数理论模型,并采用有限元方法和理论模型分析了几何参数和材料参数对混杂对称双稳定层板的稳定构型的影响。采用有限元方法研究了混杂对称双稳定层板在不同边界条件和载荷作用下的变形特性。提出了基于双稳定层板的多稳定格子结构。利用实验和有限元方法分析了多稳定格子结构中的机械连接对其跳变临界载荷的影响。研究了多稳定格子结构中格子结构单元的排列方式对其稳定构型的影响,并对多稳定格子结构的变形特性进行了有限元分析。在多稳定格子结构的基础上,构建了多稳定蒙皮结构,并采用实验和有限元方法分析了蒙皮结构的跳变临界载荷。提出了非对称双稳定层板的加热驱动方法,通过加热改变双稳定层板的局部残余应力进而驱动双稳定层板发生构型转变。针对不同形状和厚度的非对称双稳定层板,提出了两种加热策略,并进行了实验验证。利用有限元方法分析了加热驱动法的适用范围,结果显示加热驱动法能有效的驱动不同尺寸和厚度的非对称双稳定层板发生构型转变。基于加热驱动法,在层板的内部埋入电热材料,设计了单向和双向跳变的热驱动双稳定层板,并对其进行了实验验证和有限元分析。基于哈密顿原理,建立了非对称双稳定层板的动力学理论模型,采用理论模型和实验研究了非对称双稳定层板在一阶固有频率附近的动力学响应。建立了混杂对称双稳定层板的有限元模型,采用隐式动力学法和实验研究了混杂对称双稳定层板在其第一阶和第二阶固有频率附近的动力学响应。研究结果表明双稳定层板在振动过程中将出现刚度软化现象,当层板发生整体跳变或局部跳变时,其振动模式将从稳定的s ingle-well振动变为无规律的cross-well振动。设计了采用矩形非对称双稳定层板作为载体结构的宽频能量收集系统,利用矩形非对称双稳定层板基于其二阶模态的非线性振动带动压电陶瓷进行发电。通过实验研究了双稳定能量收集系统的振动模式,并测量了不同振动模式所需的激励加速度和对应的能量输出功率。采用有限元方法分析了双稳定能量收集系统的静力学非线性特性,并分析其非线性特性对其振动模式的影响。最后提出了双稳定压电能量收集系统的优化方案,并采用有限元方法对优化方案进行了验证。
【关键词】：双稳定层板 多稳定结构 热驱动 动力学特性 能量收集
【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】：2015
【分类号】：TB332
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第1章 绪论14-37
• 1.1 研究背景及意义14-16
• 1.2 国内外研究现状16-35
• 1.2.1 双稳定层板的设计与构型预测研究16-25
• 1.2.1.1 双稳定层板的构型预测16-20
• 1.2.1.2 双稳定层板的稳定构型影响因素20-22
• 1.2.1.3 双稳定层板的跳变22-23
• 1.2.1.4 双稳定层板的设计研究23-25
• 1.2.2 双稳定层板的跳变驱动研究25-29
• 1.2.3 双稳定层板在可变形结构中的应用研究29-33
• 1.2.4 基于双稳定层板的能量收集研究33-35
• 1.2.4.1 双稳定层板的动力学性能研究33-34
• 1.2.4.2 双稳定层板在振动能量收集中的应用34-35
• 1.3 主要研究内容35-37
• 第2章 非对称双稳定复合材料层板的构型及临界载荷预报37-60
• 2.1 引言37
• 2.2 非对称双稳定层板的构型预报模型37-44
• 2.2.1 非线性层板理论37-39
• 2.2.2 Rayleigh-Ritz法39-40
• 2.2.3 薄膜应变模型与中心面应变模型40-42
• 2.2.4 饱和曲率模型42-44
• 2.3 非对称层板的构型预测及临界载荷预报44-58
• 2.3.1 非对称双稳定层板的构型预报44-51
• 2.3.1.1 正方形[0n/90n]层板44-49
• 2.3.1.2 长方形[0n/90n]层板49-51
• 2.3.2 非对称双稳定层板的几何参数分析51-55
• 2.3.2.1 层板边长参数分析51-53
• 2.3.2.2 层板厚度参数分析53-54
• 2.3.2.3 层板长宽比参数分析54-55
• 2.3.3 非对称双稳定层板的临界载荷预报55-58
• 2.4 小结58-60
• 第3章 新型混杂双稳定复合材料层板的构型及临界载荷预报60-88
• 3.1 引言60
• 3.2 [0/90/AL]混杂双稳定层板60-70
• 3.2.1 [0/90/Al]混杂层板的构型预报理论模型62-63
• 3.2.2 [0/90/Al]混杂层板的构型预报63-67
• 3.2.3 [0/90/Al]混杂层板的几何参数分析67-69
• 3.2.4 [0/90/Al]混杂双稳定层板的临界载荷预测69-70
• 3.3 混杂对称双稳定层板70-86
• 3.3.1 混杂对称双稳定层板的有限元分析71-75
• 3.3.2 混杂对称双稳定层板的构型预报理论模型75-76
• 3.3.3 混杂对称双稳定层板的构型预报76-79
• 3.3.4 混杂对称双稳定层板的参数分析79-83
• 3.3.5 混杂双稳定层板的临界载荷预测83-86
• 3.4 小结86-88
• 第4章 基于双稳定层板的多稳定结构及其构型分析88-109
• 4.1 前言88
• 4.2 三稳定格子结构88-96
• 4.2.1 三稳定格子结构的构建方法及实验88-91
• 4.2.2 三稳定格子结构的有限元模拟与分析91-96
• 4.3 多稳定格子结构96-103
• 4.3.1 多稳定格子结构的设计与实验96-99
• 4.3.2 多稳定格子结构的有限元模拟与分析99-103
• 4.4 多稳定蒙皮结构103-108
• 4.4.1 多稳定蒙皮结构的设计与实验103-106
• 4.4.2 多稳定蒙皮结构的有限元模拟与分析106-108
• 4.5 小结108-109
• 第5章 热驱动可变形双稳定层板109-128
• 5.1 前言109
• 5.2 双稳定层板加热驱动法109-119
• 5.2.1 热驱动法原理109-111
• 5.2.2 热驱动法的有限元分析与验证111-113
• 5.2.2.1 [0/90] 双稳定层板111-112
• 5.2.2.2 [03/903]双稳定层板112-113
• 5.2.3 热驱动法的验证试验113-116
• 5.2.3.1 [0/90]双稳定层板113-115
• 5.2.3.2 [03/903] 双稳定层板115-116
• 5.2.4 热驱动法的适用性分析116-119
• 5.3 热驱动双稳定层板119-127
• 5.3.1 热驱动双稳定层板的设计与制备119-121
• 5.3.2 热驱动双稳定层板的有限元分析121-124
• 5.3.3 热驱动双稳定层板的构型转变过程实验验证124-127
• 5.4 小结127-128
• 第6章 双稳定层板的动力学特性分析及振动能量收集128-159
• 6.1 引言128
• 6.2 非对称双稳定层板的动力学行为分析128-138
• 6.2.1 正交非对称双稳定层板的动力学模型128-130
• 6.2.1.1 正交非对称双稳定层板的线性基频预测模型128-129
• 6.2.1.2 正交非对称双稳定层板的非线性动力学模型129-130
• 6.2.2 正交非对称双稳定层板的动力学行为分析130-138
• 6.2.2.1 正交非对称双稳定层板的single-well振动130-133
• 6.2.2.2 正交非对称双稳定层板的cross-well振动133-138
• 6.3 混杂对称双稳定层板的动力学行为分析138-145
• 6.3.1 混杂对称双稳定层板的single-well振动138-140
• 6.3.2 混杂对称双稳定层板的cross-well振动140-145
• 6.4 基于正交非对称层板的宽频振动能量收集145-158
• 6.4.1 矩形压电双稳定层板145-148
• 6.4.2 振动能量收集实验148-152
• 6.4.3 矩形压电双稳定层板的有限元分析152-156
• 6.4.4 矩形压电双稳定层板的优化156-158
• 6.5 小结158-159
• 结论159-162
• 参考文献162-171
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果171-174
• 致谢174-175
• 个人简历175

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 张晓艳;;非对称正交铺层双稳态复合材料的发展与应用[J];航空制造技术;2012年17期

2 孙舒;曹树谦;;双稳态压电悬臂梁发电系统的动力学建模及分析[J];物理学报;2012年21期

  本文关键词：双稳定复合材料层板的构型分析及其动力学特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：280316