雙穩(wěn)定復(fù)合材料層板的構(gòu)型分析及其動(dòng)力學(xué)特性研究.pdf

1、先進(jìn)復(fù)合材料由于其高比強(qiáng)度、高比剛度、耐腐蝕、耐疲勞和可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的運(yùn)用。通常情況下，復(fù)合材料層板采用對稱鋪層以避免產(chǎn)生固化變形。然而，隨著復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，復(fù)合材料層板的固化變形在特殊的應(yīng)用背景下將有可能得到充分利用。
　　雙穩(wěn)定層板是一種在內(nèi)部殘余熱應(yīng)力的作用下產(chǎn)生較大的固化變形，并具有兩種穩(wěn)定構(gòu)型的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。雙穩(wěn)定層板無需持續(xù)的能量來維持其穩(wěn)定構(gòu)型，并且在外力的驅(qū)動(dòng)下能夠發(fā)生構(gòu)型轉(zhuǎn)變并

2、實(shí)現(xiàn)大變形，同時(shí)，雙穩(wěn)定層板在構(gòu)型轉(zhuǎn)變的過程中發(fā)生跳變現(xiàn)象并顯示出負(fù)剛度特性。雙穩(wěn)定層板的雙穩(wěn)定特性和非線性特性，使其在可變形結(jié)構(gòu)以及能量收集領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。本文對雙穩(wěn)定層板進(jìn)行了系統(tǒng)地研究，研究內(nèi)容包括雙穩(wěn)定層板的構(gòu)型預(yù)報(bào)和分叉行為分析、新型的混雜雙穩(wěn)定層板的設(shè)計(jì)、基于雙穩(wěn)定層板的多穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、雙穩(wěn)定層板的新型熱驅(qū)動(dòng)方法、雙穩(wěn)定層板的動(dòng)力學(xué)特性以及雙穩(wěn)定寬頻能量收集系統(tǒng)。
　　本文在層板的幾何方程中引入馮卡門非線性項(xiàng)，并考

3、慮非對稱層板的拉彎耦合對中心面應(yīng)變的影響，建立了基于多項(xiàng)式位移函數(shù)的6階構(gòu)型預(yù)測理論模型。當(dāng)雙穩(wěn)定層板的尺寸較大時(shí)，基于多項(xiàng)式位移函數(shù)的構(gòu)型預(yù)測模型具有較大誤差。因此，建立了飽和曲率模型以預(yù)測大尺寸雙穩(wěn)定層板的穩(wěn)定構(gòu)型。利用理論模型和有限元方法，分析了層板的長寬比、厚度和尺寸對其分叉行為的影響，并預(yù)測了雙穩(wěn)定層板的雙穩(wěn)定臨界尺寸以及中心點(diǎn)跳變臨界載荷。
　　通過在復(fù)合材料層板中的不同位置混雜金屬層，提出了[0/90/Metal]混

4、雜雙穩(wěn)定層板和混雜對稱雙穩(wěn)定層板。建立了[0/90/Metal]層板的構(gòu)型預(yù)測模型，預(yù)報(bào)并分析了層板尺寸、金屬層厚度、金屬層與復(fù)合材料層之間的滑移以及吸濕效應(yīng)對[0/90/Metal]混雜雙穩(wěn)定層板的雙穩(wěn)定特性的影響。建立了對稱混雜雙穩(wěn)定層板的9參數(shù)理論模型，并采用有限元方法和理論模型分析了幾何參數(shù)和材料參數(shù)對混雜對稱雙穩(wěn)定層板的穩(wěn)定構(gòu)型的影響。采用有限元方法研究了混雜對稱雙穩(wěn)定層板在不同邊界條件和載荷作用下的變形特性。
　　提出

5、了基于雙穩(wěn)定層板的多穩(wěn)定格子結(jié)構(gòu)。利用實(shí)驗(yàn)和有限元方法分析了多穩(wěn)定格子結(jié)構(gòu)中的機(jī)械連接對其跳變臨界載荷的影響。研究了多穩(wěn)定格子結(jié)構(gòu)中格子結(jié)構(gòu)單元的排列方式對其穩(wěn)定構(gòu)型的影響，并對多穩(wěn)定格子結(jié)構(gòu)的變形特性進(jìn)行了有限元分析。在多穩(wěn)定格子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了多穩(wěn)定蒙皮結(jié)構(gòu)，并采用實(shí)驗(yàn)和有限元方法分析了蒙皮結(jié)構(gòu)的跳變臨界載荷。
　　提出了非對稱雙穩(wěn)定層板的加熱驅(qū)動(dòng)方法，通過加熱改變雙穩(wěn)定層板的局部殘余應(yīng)力進(jìn)而驅(qū)動(dòng)雙穩(wěn)定層板發(fā)生構(gòu)型轉(zhuǎn)變。針

6、對不同形狀和厚度的非對稱雙穩(wěn)定層板，提出了兩種加熱策略，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。利用有限元方法分析了加熱驅(qū)動(dòng)法的適用范圍，結(jié)果顯示加熱驅(qū)動(dòng)法能有效的驅(qū)動(dòng)不同尺寸和厚度的非對稱雙穩(wěn)定層板發(fā)生構(gòu)型轉(zhuǎn)變?；诩訜狎?qū)動(dòng)法，在層板的內(nèi)部埋入電熱材料，設(shè)計(jì)了單向和雙向跳變的熱驅(qū)動(dòng)雙穩(wěn)定層板，并對其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和有限元分析。
　　基于哈密頓原理，建立了非對稱雙穩(wěn)定層板的動(dòng)力學(xué)理論模型，采用理論模型和實(shí)驗(yàn)研究了非對稱雙穩(wěn)定層板在一階固有頻率附近的動(dòng)力

7、學(xué)響應(yīng)。建立了混雜對稱雙穩(wěn)定層板的有限元模型，采用隱式動(dòng)力學(xué)法和實(shí)驗(yàn)研究了混雜對稱雙穩(wěn)定層板在其第一階和第二階固有頻率附近的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。研究結(jié)果表明雙穩(wěn)定層板在振動(dòng)過程中將出現(xiàn)剛度軟化現(xiàn)象，當(dāng)層板發(fā)生整體跳變或局部跳變時(shí)，其振動(dòng)模式將從穩(wěn)定的single-well振動(dòng)變?yōu)闊o規(guī)律的cross-well振動(dòng)。設(shè)計(jì)了采用矩形非對稱雙穩(wěn)定層板作為載體結(jié)構(gòu)的寬頻能量收集系統(tǒng)，利用矩形非對稱雙穩(wěn)定層板基于其二階模態(tài)的非線性振動(dòng)帶動(dòng)壓電陶瓷進(jìn)行發(fā)電。