壓電與功能梯度圓柱殼的力學(xué)特性研究.pdf

1、功能梯度材料是一種由多種材料組合而成的復(fù)合材料,材料特性在厚度方向上連續(xù)梯度變化,具有很好的可設(shè)計(jì)性,可以有針對(duì)性地改變各組份材料體積含量的空間分布規(guī)律,得到需要的熱物參數(shù)的變化規(guī)律。而壓電智能結(jié)構(gòu)使結(jié)構(gòu)材料本身具有自診斷、自適應(yīng)、自增值、自衰減等能力,將結(jié)構(gòu)、傳感、驅(qū)動(dòng)、控制融于一體,在航空、航天、石化、核能、船舶工業(yè)、機(jī)械和土木工程等領(lǐng)域,具有廣闊的應(yīng)用前景。壓電功能梯度的組合結(jié)構(gòu)將具有功能梯度結(jié)構(gòu)和壓電智能結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。
　

2、　 本論文研究的主要工作包括:
　　 (1)在熱環(huán)境下,考慮橫向剪切變形和旋轉(zhuǎn)慣性的影響,利用一階剪切變形理論,通過(guò)Hamilton原理,建立了具有彈性基礎(chǔ)的功能梯度材料圓柱殼的動(dòng)力學(xué)方程；采用軸向、周向分離變量振型函數(shù),得到了系統(tǒng)的特征值方程、靜力屈曲方程以及Mathieu-Hill型動(dòng)力穩(wěn)定方程。數(shù)值算例分析和討論了環(huán)境溫度、材料體積組份指數(shù)、軸向荷載、彈性基礎(chǔ)常數(shù)以及殼的幾何參數(shù)對(duì)固有頻率、屈曲和動(dòng)力穩(wěn)定區(qū)域的影響。數(shù)據(jù)

3、仿真結(jié)果中改變材料體積組份指數(shù),得到了臨界溫度和屈曲荷載的峰值點(diǎn)。
　　 (2)在熱環(huán)境下,考慮橫向剪切變形和旋轉(zhuǎn)慣性的影響,利用一階剪切變形理論,根據(jù)環(huán)向加筋功能梯度材料圓柱殼結(jié)構(gòu)的能量函數(shù),利用Rayleigh-Ritz法,得到了系統(tǒng)的特征值方程和靜力屈曲方程,研究成果揭示了熱荷載、軸向荷載共同作用下,加筋功能梯度材料圓柱殼的固有頻率特性和屈曲特性,比較全面地分析了梯度材料的組份指數(shù)、加筋數(shù)量、加筋截面尺寸以及熱荷載對(duì)加筋功

4、能梯度材料圓柱殼結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響。
　　 (3)考慮橫向剪切變形和旋轉(zhuǎn)慣性的影響,利用一階剪切變形理論及流體勢(shì)函數(shù)方程,通過(guò)Hamilton原理,得到了熱場(chǎng)和流體作用下具有彈性基礎(chǔ)的功能梯度材料圓柱殼的動(dòng)力學(xué)平衡方程；采用分離變量振型函數(shù),得到了系統(tǒng)的特征值方程和計(jì)算動(dòng)力響應(yīng)的常微分方程,動(dòng)力響應(yīng)采用模態(tài)疊加法和Newmark積分法計(jì)算。研究成果揭示了多種荷載耦合作用下,具有環(huán)向彈性基礎(chǔ)的功能梯度材料圓柱殼與流體的耦合動(dòng)力特性

5、,包括固有頻率特性、瞬時(shí)動(dòng)力響應(yīng)特性以及系統(tǒng)的動(dòng)力穩(wěn)定性,對(duì)流體作用下功能梯度材料彈性體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析提供了一種新的途徑。
　　 (4)基于一階剪切變形理論,通過(guò)Hamilton原理,假設(shè)電勢(shì)沿層厚方向?yàn)槎畏植己瘮?shù),并考慮作動(dòng)層由于彈性變形產(chǎn)生的誘導(dǎo)電勢(shì),利用速度負(fù)反饋主動(dòng)控制規(guī)律,建立了壓電一功能梯度材料層合圓柱殼的動(dòng)力學(xué)控制方程；計(jì)算了移動(dòng)荷載作用下壓電一功能梯度材料層合圓柱殼的動(dòng)力響應(yīng),討論了計(jì)算結(jié)果的收斂性問(wèn)題和移

6、動(dòng)荷載的臨界速度問(wèn)題；在沖擊荷載、矩形脈沖荷載及簡(jiǎn)諧荷載分別作用下,比較了不同的控制增益和不同的壓電材料對(duì)壓電一功能梯度材料層合圓柱殼的控制效果。這些研究成果將會(huì)為殼體智能結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析和主動(dòng)控制提供一定的幫助。
　　 本文在上述研究的每一個(gè)方面,都給出了特定條件下與已有文獻(xiàn)的驗(yàn)證對(duì)比算例,同時(shí)給出了大量首次發(fā)表的研究成果。本文工作不僅完善了功能梯度結(jié)構(gòu)、壓電一功能梯度結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析的基礎(chǔ)理論與分析方法,而且對(duì)新材料的合理設(shè)