波在壓電層合結(jié)構(gòu)和碳納米管中的傳播特性.pdf

1、壓電復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)具有很高的比強(qiáng)度和比模量,優(yōu)異的抗疲勞性、減振性、和降噪性能,正日益廣泛地應(yīng)用于航空、航天、汽車等眾多領(lǐng)域.而碳納米管由于其宅美結(jié)構(gòu)、小尺度、低密度、高硬度、高強(qiáng)度和卓越的電學(xué)性質(zhì)集于一身的特點(diǎn)以及高達(dá) T 赫茲(1THz=10<'12>Hz) 的振動(dòng)頻率而日益受到人們的廣泛關(guān)注.研究波在以上兩種結(jié)構(gòu)中的傳播特性對擴(kuò)展他們在工程中的應(yīng)用有著重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值. 本論文研究的主要工作包括: (

2、1) 基于Cooper-Naghdi殼體理論建立了考慮橫向剪切及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量效應(yīng)的壓電層合殼動(dòng)力學(xué)模型,通過求解特征值得到并討論了波在壓電層合殼中傳播的特征曲線,數(shù)值算例討論了不同的壓電層數(shù)、厚度以及濕、熱環(huán)境對特征曲線的影響；利用最小勢能變分原理研究了非線性幾何大變形對壓電層合殼中波傳播的影響,并于已有的線性理論進(jìn)行了比較.對于以纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為母體的智能層合結(jié)構(gòu),分析討論復(fù)合材料鋪設(shè)層數(shù)、鋪層次序以及壓電層的壓電耦合效應(yīng)對波傳播的影響

3、.計(jì)算結(jié)果表明,復(fù)合材料母體的鋪設(shè)層數(shù)和鋪層次序以及壓電耦合效應(yīng)都對波的傳播有明顯影響.利用此方法和相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果可以為壓電層合結(jié)構(gòu)在工程中應(yīng)用的優(yōu)化設(shè)計(jì)供理論依據(jù),根據(jù)不同的工程需要對壓電層合結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的控制和監(jiān)測. (2) 目前研究碳納米管力學(xué)性能采用的方法有實(shí)驗(yàn)、分子動(dòng)力學(xué)模擬和連續(xù)介力學(xué)的方法.由于控制納米尺度的實(shí)驗(yàn)是非常困難的,而分子動(dòng)力學(xué)模擬方法由于總的自由度過大,受到計(jì)算機(jī)處理能力的限制,很難直接用于納米器件和系

4、統(tǒng)的整體性能模擬.現(xiàn)有研究結(jié)果表明,用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法能夠很好的描述碳納米管的力學(xué)行為.基于連續(xù)體力學(xué)將多壁碳納米管模擬成多壁彈性殼模型.考慮多壁碳納米管振動(dòng)初始是同心的,由Van der Waals力使得每一層碳管變形相互耦合,嵌入在多壁碳波在壓電層合結(jié)構(gòu)和碳納米管中的傳播特性納米管周圍的彈性基體對最外層碳管的作用由Winkler彈簧模型描述.本文利用不同殼體理論研究了波在碳納米管中的傳播規(guī)律并做了比較；討論了碳納米管周圍基體對波傳播

5、的影響以及不同碳管之間的振幅比.結(jié)果顯示:波在碳納米管T赫茲范圍內(nèi)的傳播呈現(xiàn)極限頻率和臨界頻率；由波在多壁碳納米管中傳播振幅比呈現(xiàn)不同正值和負(fù)值可知,多壁碳納米管中的每一層振動(dòng)并非都做同軸振動(dòng)；碳納米管作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體嵌入在彈性介質(zhì)中,周圍彈性介質(zhì)對多壁碳納米管中的極限頻率、臨界頻率以及振幅比有非常明顯的影響；當(dāng)頻率大于極限頻率的時(shí)候,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低了極限頻率對應(yīng)的波傳播模態(tài)的傳播速度；非線性幾何大變形效應(yīng)增加了碳納米管中波傳播的極限

6、和臨界頻率. (3)利用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論,研究了在磁場和充液流場作用下,單壁和多壁碳納米管中的波動(dòng)問題.通過Maxwell方程推導(dǎo)了碳納米管在縱向和橫向磁場中運(yùn)動(dòng)的Lorentz磁場力；利用多壁碳納米管內(nèi)壁處速度相等的耦合條件,得到了充液多壁碳納米管內(nèi)層的液體動(dòng)壓力；通過分別求解在磁場和充液流場作用下,單壁和多壁碳納米管波動(dòng)問題的特征值方程得到了相應(yīng)波傳播的特征曲線.在數(shù)值計(jì)算結(jié)果中分別討論了不同的縱向或橫向磁場強(qiáng)度對波在碳納米

7、管中傳播的影響；分析了充液流場對碳納米管中波的傳播影響規(guī)律；討論了液動(dòng)壓力與頻率的關(guān)系；研究了不同基體剛度系數(shù)對波傳播的影響；引入了等效層的模型簡化了求解多壁碳納米管中波傳播特性的計(jì)算量,數(shù)值算例證明等效層的模型可以非常有效的解決層數(shù)很高的多壁碳納米管的動(dòng)力學(xué)問題；初步探討了充液多壁碳納米管中液體流速對波傳播的影響,計(jì)算結(jié)果表明考慮充液流速的多壁碳納米管中的每一波傳播模態(tài)存在臨界速度. 本文在上述領(lǐng)域內(nèi)給出了大量首次發(fā)表的研究成