轴向载荷下功能梯度材料Timoshenko梁动力屈曲分析

假设功能梯度材料Timoshenko梁各项物性参数只沿厚度方向按幂函数进行连续变化,研究了功能梯度材料Timoshenko梁的动力屈曲。基于一阶剪切理论,采用Hamilton原理推导出轴向载荷作用下,功能梯度材料Timoshenko梁动力屈曲的控制方程。利用里兹法与棣莫弗公式相结合,获得了功能梯度材料Timoshenko梁在夹支-固支边界条件下动力屈曲临界载荷的解析表达式和屈曲解。应用MATLAB编程计算,讨论了功能梯度材料Timoshenko梁的几何尺寸、梯度指数、模态数、材料构成、泊松比以及弹性模量对临界载荷的影响。结果表明:功能梯度材料Timoshenko梁动力屈曲临界载荷随梁长度的增大而减小,随着梯度指数的增大而减小,随模态数的增大而增大,说明冲击载荷越大,高阶模态越容易被激发;随着泊松比和弹性模量的增大而增大,且泊松比的影响较小,而弹性模量的影响较大。由于剪切项的影响,临界载荷-临界长度的关系曲线在加载端变化趋势平缓。随着模态数的增大,梁的屈曲模态越为复杂。     

拉伸载荷下含孔复合材料层合板的力学性能及失效机理

采用有限元软件ABAQUS,基于前人提出的失效准则,通过引入纤维损伤因子和基体损伤因子并编制用户材料子程序UMAT,建立了含孔复合材料层合板的三维渐进损伤破坏模型。利用该损伤破坏模型,研究了在轴向拉伸载荷作用下不同圆孔直径和铺层角度的复合材料层合板的纤维和基体的渐进损伤失效过程及规律。结果表明:不同铺层角度条件下,纤维和基体的损伤失效差别较大;圆孔直径和铺设角度对含孔复合材料层合板的失效破坏载荷的影响十分显著,而铺设顺序和开孔位置对失效破坏载荷的影响较小。建立的失效破坏模型能有效地分析层合板的渐进失效破坏过程,为层合板的工程应用和设计提供有益的参考。     

碳纤维复合材料反射镜面板的铺层设计

从刚度设计的角度出发,利用有限元法对用于某空间光学系统的碳纤维复合材料反射镜面板的铺层进行设计,通过对角度相间步长为15°的铺层所制作的各种面板进行静力学分析,得出了在相同载荷的作用下,采用[0°/60°/-60°]s的铺层形式的反射面板产生的变形最小的结论,进而提出了在使用碳纤维复合材料制作空间光学反射镜时,反射面板铺层设计的一般方法,可以对碳纤维复合材料反射镜的制作提供一些参考。     

轴向荷载下功能梯度材料圆柱壳的动力屈曲

基于Donnell壳体理论和经典板壳理论,利用Hamilton变分原理得到轴向荷载作用下材料属性呈幂律分布的功能梯度材料圆柱壳的动力屈曲控制方程。根据圆柱壳周向连续性设出径向位移的函数表达,利用分离变量法求解得到功能梯度材料圆柱壳在轴向荷载作用下的动力屈曲临界荷载的解析表达式和屈曲解。利用MATLAB软件编程计算,讨论了径厚比、梯度指数、环向模态数、轴向模态数等对功能梯度材料圆柱壳动力屈曲临界荷载的影响。结果表明:圆柱壳的临界荷载随临界长度的增加而减小;冲击端为夹支的临界荷载比冲击端为简支的临界荷载大,说明约束条件对临界荷载有较大影响;圆柱壳的临界荷载随着模态数的增加而增大,说明临界荷载越大,高阶模态越易被激发;屈曲模态图随着模态数的增加而复杂化。     

低温风洞电动推杆热防护结构非线性屈曲分析

为避免电动推杆元件在低温风洞中工作时受到低温损伤而无法正常工作,设计了使其能够在低温环境下正常工作的热防护结构。基于ANSYS软件建立了热防护结构有限元模型并进行线性屈曲分析,得到了相应屈曲模态。考虑材料非线性,以线性屈曲模态作为结构初始几何缺陷形式,使用Newton-Raphson算法控制载荷加载对热防护结构进行了非线性屈曲分析。结果表明:一阶线性屈曲临界压力为1.651MPa,以其变形量的0.1倍作为初始几何缺陷得到非线性屈曲临界压力为1.544MPa,考虑安全系数(m=3)后许用外压为0.515MPa,高于低温风洞最大工作压力0.35MPa。热防护结构非线性屈曲临界压力随初始几何缺陷的增加而降低,当初始几何缺陷大于一阶线性屈曲模态变形量的约1.4倍时,许用外压低于0.35MPa,结构有可能发生失稳。不同初始几何缺陷形式对热防护结构的临界压力几乎无影响,但结构最终破坏形式不同。     

复材结构刚度与隔声量的计算及参数优化

论文旨在满足结构刚度指标的前提下最大程度地提高复合材料(以下简称“复材”)结构的隔声性能。首先针对复材结构进行刚度分析，在铺层数和铺层比例不变的前提下，分析不同铺层构型对结构刚度的影响。然后利用统计能量分析法，确定铺层角度对结构隔声性能的影响，并与试验结果进行对比验证模型的有效性。最后以铺设在复材壁板上的隔音棉厚度和密度为两个优化参数，分析不同厚度和密度的隔音棉的插入损失，并进行参数最优化分析，寻找最佳组合方式。得出结论：不同铺设角度顺序对复材整体结构的弯曲刚度和吻合效应频率有影响，在相同尺寸和边界条件下，构型1屈曲稳定性承载能力较强，隔声效果最好，铺层方式最优；隔音棉密度对插入损失影响较小，而隔音棉厚度对插入损失影响较大。论文选取的隔音棉密度和厚度已经使壁板、隔音棉及内饰板的组合结构隔声量达到了收敛状态，是最优化的组合设计。     

轴压和扭转复合载荷作用下氮化硼纳米管屈曲行为的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟了氮化硼纳米管在轴压和扭转复合荷载作用下的屈曲和后屈曲行为.在各加载比例下,给出了初始线性变形阶段和后屈曲阶段原子间相互作用力的变化,确定了屈曲临界荷载关系.通过对屈曲模态的细致研究,从微观变形机理上分析了纳米管对不同外荷载力学响应的差异.研究结果表明,扶手型和锯齿型纳米管均呈现出非线性的屈曲临界荷载关系,复合加载下的屈曲行为具有强烈的尺寸依赖性.温度升高将导致屈曲临界荷载的下降,且温度的影响随加载比例的变化而变化.无论在简单加载或复合加载中,同尺寸的碳纳米管均比氮化硼纳米管具有更强地抵抗屈曲荷载的能力.     

N2分压对ZrN/WN纳米多层膜缺陷性质与力学性能的影响

利用射频磁控溅射系统在不同N2分压的条件下,制备了一系列ZrN/WN纳米多层膜.借助慢正电子湮没技术分析了样品的缺陷性质,采用纳米压痕仪研究了多层膜的力学性能.结果发现:N2分压为0.4 Pa的多层膜具有最小的空位型缺陷浓度,其中心层和膜基结合层的平均S参数分别为0.4402和0.4641,而较低或较高的N2分压都可能导致空位型缺陷浓度的增加.随着空位型缺陷浓度的减小,多层膜的硬度和临界载荷增大.对于空位型缺陷浓度最小的多层膜,其硬度和临界载荷达到最大值,分别为34.8 GPa和100 mN,说明较低的缺陷浓度有利于提高多层膜的力学件能.     

石墨烯环氧树脂基复合材料梁屈曲前后的自由振动

采用微分求积法分析了石墨烯增强纳米复合材料梁屈曲前后的自由振动问题。考虑石墨烯纳米片在基体中随机排列和定向排列的情况,采用Halpin-Tsai微观力学模型估算两种模式下石墨烯纳米复合材料的弹性模量,并通过Hamilton原理建立基于一阶剪切变形理论下梁的动力学控制方程。利用微分求积法计算得到石墨烯纳米复合材料梁的临界屈曲载荷及屈曲前后的固有频率。数值计算结果表明:按合理排列模式掺杂较多的薄石墨烯纳米片,会大幅度提高梁的临界屈曲载荷以及屈曲前的固有频率;但屈曲发生后,同样的做法却会使结构的刚度降低。     

轴向冲击载荷作用下双壁碳纳米管的动力屈曲

应用改进的有限元方法,建立考虑层间范德华力作用的壳-弹簧非线性有限元模型,基于B-R运动准则,系统地研究了双壁碳纳米管的动力屈曲问题,得到了轴向冲击载荷作用下双壁碳纳米管的临界动力屈曲载荷和临界动力失效载荷. 研究结果表明,在动力屈曲过程中,双壁碳纳米管层间距的变化非常小,各管的变形相互协调;碳纳米管中应力波的传播导致碳纳米管出现非对称屈曲模态,可明显观测到四个环向波瓣,沿着碳纳米管的轴线方向,四个波瓣的波峰和波谷交替变化. 对碳纳米管动力屈曲问题的研究表明,冲击载荷的大小和持续时间对碳纳米管的动力屈曲有 关键词： 碳纳米管 动力屈曲 冲击载荷     

N2分压对ZrN/WN纳米多层膜缺陷性质与力学性能的影响

利用射频磁控溅射系统在不同N₂分压的条件下，制备了一系列ZrN/WN纳米多层膜.借助慢正电子湮没技术分析了样品的缺陷性质，采用纳米压痕仪研究了多层膜的力学性能.结果发现：N₂分压为0.4Pa的多层膜具有最小的空位型缺陷浓度，其中心层和膜基结合层的平均S参数分别为0.4402和0.4641，而较低或较高的N₂分压都可能导致空位型缺陷浓度的增加.随着空位型缺陷浓度的减小，多层膜的硬度和临界载荷增大.对于空位型缺陷浓度最小的多层膜，其硬度和临界载荷达到最大值，分别为34.8GPa和100mN，说明较低的缺陷浓度有利于提高多层膜的力学性能. 关键词： ZrN/WN纳米多层膜 缺陷性质 力学性能 慢正电子湮没     

热力耦合作用下双层碳纳米管的扭转屈曲

考虑碳纳米管周边弹性介质和层间范德瓦耳斯力的作用,利用连续介质力学的壳体理论,建立了热力耦合作用下碳纳米管屈曲问题的控制方程,给出了相应的临界屈曲扭矩的解析解.数值模拟结果表明,在低温和室温环境下,碳纳米管的临界屈曲载荷随着温度变化量的增加而提高;在高温环境下,碳纳米管的临界屈曲载荷随着温度变化量的增加而降低. 关键词： 碳纳米管 屈曲 热力耦合     

不同铺设角度下层合板结构参数对声功率影响*

本文研究了不同纤维铺设角度的层合板结构参数对声功率的影响,从而为层合板的低噪声设计提供理论依据。通过分层有限元理论获得层合板结构动力学响应,基于声辐射模态概念分析不同铺设角度下层合板不同铺设方式、宽厚比和弹性模量比对其声功率影响。结果表明,层合板的铺设角度和宽厚比对复合材料层合板结构的声辐射功率影响较大。首先相同铺设角度的层合板,改变弹性模量比,声功率变化不明显;其次改变不同的铺设角度,宽厚比较小的层合板声功率下降的空间更大,更易于声功率的降低。层合板作为结构件时,从降低声功率角度而言总体上对称铺设结构比单向铺设层合板结构有优势,并且相同铺设角度下,反对称铺设层合板可获得更小的辐射声功率。     

基于FBG非均匀反射谱特性的波纹型复合材料蒙皮渐进损伤监测

提出利用布拉格光纤光栅(FBG)非均匀反射谱监测复合材料结构渐进损伤的方法。对波纹型复合材料蒙皮样件进行有限元分析,预测蒙皮在拉伸载荷下失效过程和对应临界失效载荷大小,据此重构FBG传感器的非均匀反射谱,获得铺层失效与传感器反射谱的对应关系,并为实验光谱记录提供参考。构建一种基于FBG非均匀反射谱监测波纹型复合材料蒙皮渐进损伤的监测系统,进行拉伸实验,实验结果表明系统实测光谱与重构的反射谱趋势相同,对应失效载荷与预测值最大误差为8.6%,证明了采用FBG传感器监测波纹型复合材料蒙皮渐进损伤的可行性。该方法通过实时监测预测失效范围内FBG非均匀反射谱的变化,简单易行,测量及传导光路实现全光纤化,无需破坏试件结构,即可实现对波纹型复合材料蒙皮渐进损伤程度及铺层失效次序精确、迅速的在线监测,研究结果为智能蒙皮动态监测领域提供新的思路和实验参考。     

爆轰加载下锡金属连续层裂损伤机理的数值分析

结合实验对所采用的计算程序和损伤模型进行验证,在此基础上开展了爆轰加载下锡材料连续层裂损伤机理研究。结果显示:锡靶板的破坏模式与加载强度、加载波形以及靶板的几何结构相关;材料初始微结构的作用反映在对临界截止孔隙度的影响上,进而影响靶板的损伤破坏;损伤模型中临界截止孔隙度越大,靶板的破坏程度越小。此外,材料拉伸、压缩损伤的计算结果与相应实验结果的对比显示,材料的损伤主要以拉伸损伤破坏为主。     

冲击载荷下分支交错层状仿生复合材料动态断裂行为的实验研究和数值模拟

通过三点弯动态冲击实验和数值模拟方法,研究了分支交错层状仿生复合材料的动态断裂韧性。首先设计并制备了分支交错层状仿贝壳复合材料试样,即将一种脆性刚性材料和一种橡胶类材料分别作为复合材料的硬质层和软胶层;随后采用改进的分离式Hopkinson压杆装置进行了三点弯冲击实验;接着讨论了初始冲击速度、硬质材料长宽比、软质材料层厚度对复合材料试样动态断裂行为的影响;最后采用ABAQUS有限元数值模拟,研究了不同宽度和不同冲击方向对复合材料试样动态断裂韧性和裂纹扩展的影响。结果表明:随着冲击速度和硬质材料长宽比增加、软胶层厚度减小,裂纹越倾向于沿直线扩展,反之,裂纹越倾向于绕过硬质材料沿着软胶层呈折线扩展;试样的峰值动载荷和起裂时间也随之增大。有限元模拟结果表明:随着结构总宽度的增大,试样断裂韧性增加,裂纹倾向于绕过硬质材料沿着软胶层扩展;采用实验设计的冲击方向时,试样的断裂韧性高于其他方向。     

考虑铺层角的复合材料圆柱壳自由振动三维弹性准确解

为了获得任意角度铺层的多层复合材料圆柱壳的自由振动准确解,在三维弹性理论的基础上,结合分层理论和状态空间法,建立横向位移和应力的传递矩阵,轴向和环向位移采用双螺旋模式的位移函数,对任意角度铺层复合材料圆柱壳简支边界条件下的自由振动进行了理论推导,得到了自由振动方程的精确形式。与文献理论解和有限元计算结果对比,结果表明,关注频率在2倍的环频率以下时,薄壳的固有频率计算精度能控制在1%以内,厚壳的固有频率计算精度能控制在2%以内。对于厚壳的计算可将壳体沿厚度方向划分为多层来处理,这样能有效提高计算精度。计算分析了铺层角对壳体固有频率的影响,环向模态数较低时,固有频率随着铺层角的增加呈抛物线变化趋势;环向模态数较高时,固有频率随着铺层角的增大单调递增。该理论方法同样适用于均质各向同性壳和正交各向异性圆柱壳。      

单壁碳纳米管受压屈曲行为的数值模拟

采用以Tersoff Brenner势函数来描述碳纳米管中碳原子间的相互作用的分子动力学方法,模拟了单壁 碳纳米管(SWCNTs)的受压屈曲行为.计算结果表明,单壁碳纳米管的杨氏模量随着管径的增大而减小;碳纳米 管屈曲的临界应力和临界应变与碳纳米管细长比有关,不同的细长比决定了碳纳米管结构不同的屈曲模态;碳纳 米管的受压屈曲机理和连续介质力学中柱体壳的受压屈曲理论随细长比的不同而存在一些异同.     

受激旋转拉曼散射对强紫外激光相位的影响

 利用瞬态受激旋转拉曼散射（SRRS）模型及相位畸变模型，对具有空间相位畸变的强紫外激光束在空气中长程传输的SRRS效应进行了研究。详细讨论了低频和中高频空间相位畸变对SRRS阈值条件、斯托克斯光转换效率、剩余泵浦光和斯托克斯光相位的影响。研究结果表明，泵浦光的初始相位畸变对斯托克斯光相位畸变的影响较剩余泵浦光的更为明显；高频相位畸变对转换效率影响较低频相位畸变更大； SRRS效应阈值随低频相位畸变的增大而减小，随高频相位畸变的增大而增大。     

Fe_3O_4纳米颗粒/聚二甲基硅氧烷复合材料磁电容效应的研究

提出了一种以Fe3O4纳米颗粒和聚二甲基硅氧烷(PDMS)组成的复合材料为介质的平行板磁电容结构,并对其产生的磁电容效应的特点以及影响磁电容效应的因素进行了研究.对不同粒径的Fe3O4纳米颗粒按不同比例与PDMS混合形成的复合材料进行了测试.研究表明,与无磁场情况相比,在外磁场作用下,Fe3O4纳米颗粒/PDMS复合材料的电容值和介电损耗均发生了改变,产生了磁电容效应.由该复合材料磁电容效应所产生的电容变化量随着纳米颗粒混合浓度的增大而增大,并且当纳米颗粒粒径尺寸大于常温超顺磁临界尺寸时,材料的电容变化量随着颗粒尺寸的减小而增大.