含多分层复合材料层合板和加筋板的自由振动特性研究

摘要

先进复合材料层合结构和加筋结构由于其比刚度高、比强度大、可设计性强等优点现已被广泛应用于工程结构中。但是由于制造工艺中容易出现层间脱粘，或者使用过程中受到低速冲击等原因，常常会引起不同程度的分层损伤。由实验研究可知，分层损伤不仅将会引起结构静刚度的显著降低，同时还会导致其振动特性的变异。研究含多分层损伤复合材料层合板和加筋板的振动特性(频率、模态)，对于在动荷载作用下的复合材料层合结构设计的准确性、使用的安全性都具有重要意义。目前对于含分层损伤结构的研究工作还大多停留在单分层模型上，因此建立更能反映实际损伤情况的多分层模型、建立具有广泛应用性的数值分析方法具有重要的理论意义和工程价值。 本文基于Mindlin一阶剪切理论分项等参插值的有限元法，建立了含有多个矩形穿透分层损伤的复合材料层合板和含有多个圆形嵌入式分层损伤的复合材料加筋板自由振动分析的有限元模型和分析方法，提出了在分层损伤区域采用线性接触模型模拟上、下子板的相互作用。通过以下两种典型结构的数例分别研究了含多个分层复合材料结构的自由振动特性： (1)对于含有多个矩形穿透分层的层合板，具体地讨论了分层的位置，长度，深度，数目和边界条件对层合板的固有频率以及振型的影响，同时还选取两种典型的讨论了分层损伤对边界条件的敏感性。 (2)对于含有多个圆形嵌入式分层的加筋板，具体的讨论了分层的大小，深度，数目对加筋板的振动特型的影响，同时还讨论了筋高与板厚的比值变化时，加筋结构固有频率对分层损伤的敏感性。 本文的研究工作受到国家自然科学基金“含损复合材料加筋板壳非线性动态特性和破坏行为(编号：10272025)”和“含损伤先进复合材料格栅加筋结构(AGS)破坏机理研究”(编号：10302004)以及国家重大基础研究计划(973)项目“超轻多孔材料与结构创新构型设计优化新理论”(编号：2006CB601205)的资助。

目录

文摘

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论文说明：资助

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1前言

1.1选题背景与依据

1.2国内外研究进展

1.2.1分层损伤模型研究

1.2.2含分层损伤层合板和加筋结构的振动研究

1.3本文工作简介

2复合材料层合板和加筋板的动力有限元分析理论和方法

2.1一阶剪切理论的层合梁单元

2.2一阶剪切理论的层合板单元

2.3板单元与梁单元的连接

2.4运动方程与求解

3含多分层损伤层合板的分层和接触模型

3.1分层模型

3.2接触模型

4多分层对复合材料层合板自振特性的影响

4.1单分层对层合板固有频率的影响

4.2两个等长分层对层合板固有频率的影响

4.3三角形分布多分层对层合板固有频率的影响

4.4结论

5多分层对复合材料加筋板自振特性的影响

5.1含有多个圆形嵌入分层的复合材料加筋板的几何模型

5.2算例分析与数值讨论

5.2.1筋高对固有频率的影响

5.2.2分层模型1的固有频率分析

5.2.3分层模型2的固有频率分析

5.3结论

6总结与展望

6.1研究工作总结

6.2研究工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢