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)計性,可以有針對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、控制融于一體,在航空、航天、石化、核能、船舶工業(yè)、機械和土木工程等領(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)對固有頻率、屈曲和動力穩(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。
　　 (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函數(shù)方程,通過Hamilton原理,得到了熱場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)的特征值方程和計算動力響應(yīng)的常微分方程,動力響應(yīng)采用模態(tài)疊加法和Newmark積分法計算。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力特性

5、,包括固有頻率特性、瞬時動力響應(yīng)特性以及系統(tǒng)的動力穩(wěn)定性,對流體作用下功能梯度材料彈性體結(jié)構(gòu)的動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Hamilton原理,假設(shè)電勢沿層厚方向為二次分布函數(shù),并考慮作動層由于彈性變形產(chǎn)生的誘導(dǎo)電勢,利用速度負(fù)反饋主動控制規(guī)律,建立了壓電一功能梯度材料層合圓柱殼的動力學(xué)控制方程；計算了移動荷載作用下壓電一功能梯度材料層合圓柱殼的動力響應(yīng),討論了計算結(jié)果的收斂性問題和移

6、動荷載的臨界速度問題；在沖擊荷載、矩形脈沖荷載及簡諧荷載分別作用下,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。這些研究成果將會為殼體智能結(jié)構(gòu)動力特性分析和主動控制提供一定的幫助。
　　 本文在上述研究的每一個方面,都給出了特定條件下與已有文獻的驗證對比算例,同時給出了大量首次發(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)動力特性分析的基礎(chǔ)理論與分析方法,而且對新材料的合理設(shè)