雙穩(wěn)定復合材料層板的構型分析及其動力學特性研究.pdf

1、先進復合材料由于其高比強度、高比剛度、耐腐蝕、耐疲勞和可設計性等優(yōu)點，在航空航天領域內得到了廣泛的運用。通常情況下，復合材料層板采用對稱鋪層以避免產生固化變形。然而，隨著復合材料應用領域的拓展，復合材料層板的固化變形在特殊的應用背景下將有可能得到充分利用。
　　雙穩(wěn)定層板是一種在內部殘余熱應力的作用下產生較大的固化變形，并具有兩種穩(wěn)定構型的復合材料結構。雙穩(wěn)定層板無需持續(xù)的能量來維持其穩(wěn)定構型，并且在外力的驅動下能夠發(fā)生構型轉變并

2、實現大變形，同時，雙穩(wěn)定層板在構型轉變的過程中發(fā)生跳變現象并顯示出負剛度特性。雙穩(wěn)定層板的雙穩(wěn)定特性和非線性特性，使其在可變形結構以及能量收集領域具有良好的應用前景。本文對雙穩(wěn)定層板進行了系統(tǒng)地研究，研究內容包括雙穩(wěn)定層板的構型預報和分叉行為分析、新型的混雜雙穩(wěn)定層板的設計、基于雙穩(wěn)定層板的多穩(wěn)定結構、雙穩(wěn)定層板的新型熱驅動方法、雙穩(wěn)定層板的動力學特性以及雙穩(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，并考

3、慮非對稱層板的拉彎耦合對中心面應變的影響，建立了基于多項式位移函數的6階構型預測理論模型。當雙穩(wěn)定層板的尺寸較大時，基于多項式位移函數的構型預測模型具有較大誤差。因此，建立了飽和曲率模型以預測大尺寸雙穩(wěn)定層板的穩(wěn)定構型。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，并預測了雙穩(wěn)定層板的雙穩(wěn)定臨界尺寸以及中心點跳變臨界載荷。
　　通過在復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]層板的構型預測模型，預報并分析了層板尺寸、金屬層厚度、金屬層與復合材料層之間的滑移以及吸濕效應對[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9參數理論模型，并采用有限元方法和理論模型分析了幾何參數和材料參數對混雜對稱雙穩(wěn)定層板的穩(wěn)定構型的影響。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)定格子結構。利用實驗和有限元方法分析了多穩(wěn)定格子結構中的機械連接對其跳變臨界載荷的影響。研究了多穩(wěn)定格子結構中格子結構單元的排列方式對其穩(wěn)定構型的影響，并對多穩(wěn)定格子結構的變形特性進行了有限元分析。在多穩(wěn)定格子結構的基礎上，構建了多穩(wěn)定蒙皮結構，并采用實驗和有限元方法分析了蒙皮結構的跳變臨界載荷。
　　提出了非對稱雙穩(wěn)定層板的加熱驅動方法，通過加熱改變雙穩(wěn)定層板的局部殘余應力進而驅動雙穩(wěn)定層板發(fā)生構型轉變。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，并進行了實驗驗證。利用有限元方法分析了加熱驅動法的適用范圍，結果顯示加熱驅動法能有效的驅動不同尺寸和厚度的非對稱雙穩(wěn)定層板發(fā)生構型轉變?；诩訜狎寗臃?，在層板的內部埋入電熱材料，設計了單向和雙向跳變的熱驅動雙穩(wěn)定層板，并對其進行了實驗驗證和有限元分析。
　　基于哈密頓原理，建立了非對稱雙穩(wěn)定層板的動力學理論模型，采用理論模型和實驗研究了非對稱雙穩(wěn)定層板在一階固有頻率附近的動力

7、學響應。建立了混雜對稱雙穩(wěn)定層板的有限元模型，采用隱式動力學法和實驗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力學響應。研究結果表明雙穩(wěn)定層板在振動過程中將出現剛度軟化現象，當層板發(fā)生整體跳變或局部跳變時，其振動模式將從穩(wěn)定的single-well振動變?yōu)闊o規(guī)律的cross-well振動。設計了采用矩形非對稱雙穩(wěn)定層板作為載體結構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)的非線性振動帶動壓電陶瓷進行發(fā)電。