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考虑热效应的复合材料多体系统动力学

作　者: 潘科琪
导　师: 刘锦阳
学　校: 上海交通大学
专　业: 一般力学与力学基础
关键词: 柔性多体系统 刚-柔耦合动力学 复合材料 热效应
分类号: O313.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


本文研究了复合材料多体系统的刚-柔耦合动力学特性。复合材料是由两种或多种不同性质的材料用物理或化学方法制成的具有新性能的材料,复合材料的性能是其组分材料所没有的。复合材料相对于同性材料在刚度、强度和热学等性能上都有很大的提高。目前,复合材料已经应用于航空工程,航天工程,船舶工程等,有必要对复合材料模型的动力学特性进行研究,以满足工程技术高速发展的需要。本文研究的是工程上应用广泛的纤维增强型复合材料,它是由基体材料和增强材料组成。增强材料在复合材料中起重要作用,它控制了复合材料的力学性能,基体材料用于支持和固定纤维材料,传递纤维间的载荷。第一章为绪论,本章对国内外考虑了热效应的复合材料动力学建模理论的研究现状进行了综述,提出本文的研究目标。第二章对复合材料梁的刚-柔耦合动力学进行研究。基于几何非线性方法,进一步考虑剪切变形,用虚功原理建立了复合材料Timoshenko梁的动力学变分方程,并用假设模态法将其离散,建立了中心刚体-悬臂梁的刚-柔耦合动力学方程。首先将复合材料梁的动力学特性与同性材料梁进行了比较,说明复合材料梁的优越性,然后研究两种材料的剪切变形对于系统的刚-柔耦合动力学特性的影响,对Timoshenko梁和Euler-Bernoulli梁模型的频率差异进行分析,根据频率误差研究了Euler-Bernoulli梁模型对于复合材料梁的适用性。最后,引入运动学约束方程,用笛卡尔方法建立了考虑温度载荷的复合材料柔性多体系统封闭的第一类拉格朗日动力学方程,研究了不同铺设形式的纤维角对曲柄-滑块机构的动力学特性的影响,计算结果表明,对于非对称的复合材料梁,由于复合材料附加弯曲载荷的影响,在温度载荷或惯性力和约束力的作用下会产生附加弯曲变形,影响柔性梁的振动特性。第三章对复合材料矩形板的刚-柔耦合动力学进行研究。基于考虑横向剪切变形的Mindlin平板理论,从复合材料板的应变-位移关系式出发,并考虑了温度载荷的影响,用虚功原理建立了复合材料板的动力学变分方程,采用有限单元法离散,并用模态缩聚法缩减系统的自由度。在此基础上建立了做空间运动中心刚体-悬臂板的刚-柔耦合动力学方程。首先将本文悬臂板的计算频率与MSC.Nastran软件计算的频率进行数值对比,验证本文模型的正确性,然后分别对同性材料板、对称复合材料板、反对称复合材料板和非对称复合材料板,研究了热载荷引起拉伸变形、弯曲变形、扭转变形和刚体转动的耦合效应,以及旋转运动引起弯曲变形、扭转变形和刚体转动的耦合效应。最后研究了在温度载荷作用下,增加纤维层数对复合材料板振动特性的影响,研究结果表明,在温度载荷作用下反对称和非对称复合材料板的振幅都随着复合材料纤维层数的增加而减小,提出了工程中复合材料减振的有效方法。

全文目录


摘要  6-8
ABSTRACT  8-14
第一章 绪论  14-21
  1.1 本文研究的工程背景和意义  14-16
    1.1.1 复合材料概述  14-15
    1.1.2 复合材料的工程应用  15-16
  1.2 柔性多体系统刚-柔耦合动力学的研究进展  16-19
    1.2.1 同性材料刚-柔耦合动力学研究进展  16-18
    1.2.2 考虑热效应的同性材料刚-柔耦合动力学研究进展  18-19
    1.2.3 考虑热效应的复合材料动力学研究进展  19
  1.3 本文研究的内容  19-21
第二章 复合材料梁的刚-柔耦合动力学研究  21-53
  2.1 引言  21-22
  2.2 计及剪切变形的复合材料梁的刚-柔耦合动力学  22-30
    2.2.1 梁的运动学描述  22-24
    2.2.2 复合材料梁非弹性力的虚功  24-26
    2.2.3 复合材料梁弹性力的虚功  26-29
    2.2.4 复合材料梁刚-柔耦合动力学方程  29-30
  2.3 考虑热载荷的复合材料多体系统的动力学研究  30-38
    2.3.1 梁的运动学描述  30-32
    2.3.2 大范围运动梁的惯性力和体力的虚功  32-33
    2.3.3 考虑温度载荷的梁的弹性力的虚功  33-34
    2.3.4 复合材料柔性多体系统的动力学方程  34-38
  2.4 复合材料柔性多体系统的仿真算例  38-51
    2.4.1 模型验证  38-39
    2.4.2 复合材料梁和同性材料梁的动力学特性的比较算例  39-42
    2.4.3 考虑剪切变形的复合材料梁的动力学研究算例  42-47
    2.4.4 考虑温度载荷的复合材料柔性多体系统算例  47-51
  2.5 本章小结  51-53
第三章 复合材料板的刚-柔耦合动力学研究  53-88
  3.1 引言  53-54
  3.2 大范围运动的复合材料板的动力学方程  54-69
    3.2.1 考虑温度载荷的大范围运动复合材料板的变形描述  54-59
    3.2.2 考虑温度载荷的复合材料板弹性力的虚功  59-60
    3.2.3 用有限元法离散复合材料板弹性力的虚功  60-63
    3.2.4 大范围运动复合材料板的动力学方程  63-69
  3.3 带中心刚体的复合材料板的动力学变分方程  69-72
  3.4 考虑热载荷的复合材料板的数值仿真  72-87
    3.4.1 模型验证  72
    3.4.2 考虑热载荷的带中心刚体复合材料板动力学研究算例  72-87
  3.5 本章小结  87-88
第四章 全文总结  88-90
  4.1 主要结论  88
  4.2 主要创新点  88-89
  4.3 研究展望  89-90
参考文献  90-93
致谢  93-94
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  94

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中图分类: > 数理科学和化学 > 力学 > 理论力学（一般力学） > 动力学 > 多体系统动力学
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