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波在压电层合结构和碳纳米管中的传播特性

作　者: 董科
导　师: 王熙
学　校: 上海交通大学
专　业: 固体力学
关键词: 压电层合结构碳纳米管波的传播传播模态多场耦合连续壳体模型 van der Waals力弹性基体
分类号: O347.4
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

压电复合材料层合结构具有很高的比强度和比模量,优异的抗疲劳性、减振性、和降噪性能,正日益广泛地应用于航空、航天、汽车等众多领域。而碳纳米管由于其完美结构、小尺度、低密度、高硬度、高强度和卓越的电学性质集于一身的特点以及高达T赫兹(1THz=1012 Hz)的振动频率而日益受到人们的广泛关注。研究波在以上两种结构中的传播特性对扩展他们在工程中的应用有着重要的理论意义和实际应用价值。本论文研究的主要工作包括:(1)基于Cooper-Naghdi壳体理论建立了考虑横向剪切及转动惯量效应的压电层合壳动力学模型,通过求解特征值得到并讨论了波在压电层合壳中传播的特征曲线,数值算例讨论了不同的压电层数、厚度以及湿、热环境对特征曲线的影响;利用最小势能变分原理研究了非线性几何大变形对压电层合壳中波传播的影响,并于已有的线性理论进行了比较。对于以纤维增强复合材料为母体的智能层合结构,分析讨论了复合材料铺设层数、铺层次序以及压电层的压电耦合效应对波传播的影响。计算结果表明,复合材料母体的铺设层数和铺层次序以及压电耦合效应都对波的传播有明显的影响。利用此方法和相应的计算结果可以为压电层合结构在工程中应用的优化设计提供理论依据,根据不同的工程需要对压电层合结构进行相应的控制和监测。(2)目前研究碳纳米管力学性能采用的方法有实验、分子动力学模拟和连续介质力学的方法。由于控制纳米尺度的实验是非常困难的,而分子动力学模拟方法由于总的自由度过大,受到计算机处理能力的限制,很难直接用于纳米器件和系统的整体性能模拟。现有研究结果表明,用连续介质力学方法能够很好的描述碳纳米管的力学行为。基于连续体力学将多壁碳纳米管模拟成多壁弹性壳模型。考虑多壁碳纳米管振动初始是同心的,由van der Waals力使得每一层碳管变形相互耦合,嵌入在多壁碳

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
第一章绪论  12-34
  1.1 前言  12-17
    1.1.1 压电层合壳概述  12-13
    1.1.2 碳纳米管概述  13-17
  1.2 本课题研究现状  17-23
    1.2.1 压电智能层合结构的研究现状及进展  17-20
    1.2.2 碳纳米管的动力学性能研究  20-23
  1.3 本文的主要研究工作  23-25
  参考文献  25-34
第二章湿、热环境下压电层合壳内波的传播  34-58
  2.1 引言  34-35
  2.2 湿、热环境下考虑剪切和转动惯量的压电层合壳理论  35-39
  2.3 压电层合壳中波传播的特征方程  39-42
  2.4 湿、热环境下压电层合壳中波传播算例与讨论  42-52
    2.4.1 不同压电层数和厚度比对波传播影响  44-49
    2.4.2 湿、热环境下压电层合壳中波的传播  49-51
    2.4.3 验证性算例  51-52
  2.5 本章小结  52-53
  附录2-1  53-54
  附录2-2  54-55
  参考文献  55-58
第三章波在大变形压电复合层合壳中的传播特性  58-85
  3.1 引言  58-59
  3.2 压电层合壳非线性动力学控制方程  59-67
    3.2.1 非线性应变-位移关系  59-61
    3.2.2 本构方程  61-64
    3.2.3 波在大变形压电层合壳中传播的控制方程  64-67
  3.3 波传播特征方程  67-69
  3.4 数值算例与结果讨论  69-80
    3.4.1 波在大变形压电层合壳中传播研究  69-72
    3.4.2 大变形效应和转动惯量效应对压电层合壳中波传播的影响  72-75
    3.4.3 纤维增强复合材料母体及压电耦合效应对波传播的影响  75-80
  3.5 验证性算例  80
  3.6 本章小结  80-81
  附录3-1  81-82
  参考文献  82-85
第四章碳纳米管中波的传播特性  85-120
  4.1 引言  85-87
  4.2 基于Love 壳体理论研究轴对称波在多壁碳纳米管中的传播特性  87-102
    4.2.1 Love 壳体理论表示的圆柱壳波传播运动方程  88-90
    4.2.2 多壁碳纳米管轴对称波传播的运动方程  90-91
    4.2.3 van der Waals 力及Winkler 弹性基体描述  91-93
    4.2.4 轴对称波传播特征方程及数值结果  93-102
  4.3 基于Flugge 精确壳体理论研究多壁碳纳米管中波的传播  102-110
    4.3.1 多壁碳纳米管中波传播的运动方程  102-104
    4.3.2 数值算例及结果讨论  104-110
  4.4 大变形的多壁碳纳米管中波的传播特性  110-116
    4.4.1 壳体非线性动力学控制方程  110-112
    4.4.2 大变形多壁碳纳米管中波传播的数值算例及结果讨论  112-115
    4.4.3 验证性算例  115-116
  4.5 本章小结  116-117
  参考文献  117-120
第五章磁场和充液流场作用下碳纳米管中波的传播  120-152
  5.1 引言  120-121
  5.2 磁场和充液场中多壁碳纳米管中波传播的运动方程  121-124
  5.3 磁场运动中Lorentz 磁场力  124-125
    5.3.1 纵向磁场中Lorentz 电磁力  124-125
    5.3.2 横向磁场中Lorentz 电磁力  125
  5.4 充液流场对多壁碳纳米管内层的液动压力  125-126
  5.5 磁场和充液流场作用下多壁碳纳米管中波传播的特征方程  126-127
  5.6 磁场和充液流场作用下碳纳米管中波传播特性的数值计算与讨论  127-147
    5.6.1 磁场作用下碳纳米管中波的传播研究  128-136
    5.6.2 充液碳纳米管中波的传播特性  136-146
      5.6.2.1 充液单壁碳纳米管中波的传播  136-140
      5.6.2.2 充液多壁碳纳米管中波的传播  140-142
      5.6.2.3 充液多壁碳纳米管中波传播的等效层模型  142-145
      5.6.2.4 考虑充液流速的多壁碳纳米管中波的传播初探  145-146
    5.6.3 验证性算例  146-147
  5.7 本章小结  147-149
  参考文献  149-152
第六章结论与展望  152-156
  6.1 本论文结论  152-154
  6.2 本论文创新点  154-155
  6.3 展望  155-156
攻读博士学位期间发表的学术论文  156-158
致谢  158

波在压电层合结构和碳纳米管中的传播特性

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