湿热环境下旋转复合材料层合梁振动特性研究

摘要

旋转复合材料梁结构在工程中有广泛应用，直升机旋翼、涡轮叶片、风机叶片、各种冷却扇、操作机械臂等都是重要的应用实例。该类结构的振动形式有旋转面内的摆振、垂直于旋转面的舞振及绕自身轴向的扭振。本文分别研究了湿热环境对无倾角和有倾角的旋转复合材料层合梁摆振和舞振特性的影响，主要工作如下:
　　(1)第1章介绍了本文的研究背景及意义，阐述了复合材料结构、旋转复合材料结构及湿热环境下复合材料结构在国内外的研究现状，并简述了本文的主要研究内容。
　　(2)第2章基于欧拉-伯努利梁理论、经典层合板理论、湿热环境下单层复合材料本构关系及d'Alembert原理给出了湿热环境下旋转复合材料层合梁摆振时的数学建模方法及控制方程，并应用李兹法对模态方程进行求解，分析了温度和湿度对复合梁刚度的影响。通过数值方法研究了湿热环境、转速、轮毂半径、纤维方向角及铺层方式等因素对旋转复合梁摆振特性的影响。
　　(3)第3章研究了湿热环境下旋转复合梁的舞振特性。首先基于湿热环境下单层复合材料本构关系给出了轴力和弯矩表达式，讨论了温度和湿度对轴力和弯矩的影响。然后基于d'Alembert原理建立了旋转复合梁舞振控制方程，通过假设模态法推出系统模态方程，给出了求解舞振频率的特征方程。最后采用数值模拟研究了诸多内外部因素对旋转复合梁舞振频率的影响。
　　(4)倾角的存在将避免叶片在旋转过程中与塔架发生碰撞，它的存在还将改变复合梁的摆振特性。因此，第4章给出了湿热环境下带倾角的旋转复合梁摆振时的建模方法及振动控制方程，并通过与第2章作对比说明倾角对复合梁轴力、弯矩及刚度的影响。采用数值方法研究了倾角及倾角与湿热环境、转速、轮毂半径、纤维方向角及铺层方式等因素的联合作用对旋转复合梁摆振特性的影响。
　　(5)第5章研究了倾角对湿热环境下旋转复合梁舞振特性的影响。首先给出了湿热环境下带倾角的旋转复合梁舞振时的建模方法及控制方程，并将轴力、弯矩、刚度表达式与第3章中相应表达式作对比以说明倾角的影响。最后通过数值方法研究倾角及倾角与其他多个因素的联合作用对旋转复合梁舞振特性的影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 研究现状

1．2．1 复合材料结构研究现状

1．2．2 旋转复合材料结构研究现状

1．2．3 湿热环境下复合材料结构研究现状

1．3 研究现状总结

1．4 本论文的主要研究内容

第2章 湿热环境下旋转复合材料层合梁摆振特性研究

2．1 运动方程

2．1．1 旋转复合材料层合梁模型

2．1．2 湿热环境下单层材料本构关系

2．1．3 内力计算

2．1．4 摆振控制方程

2．1．5 边界条件

2．2 方程解法

2．2．1 模态方程

2．2．2 李兹法

2．3 数值计算与讨论

2．3．1 收敛性验证

2．3．2 方法有效性验证

2．3．3 模态对比

2．3．4 温度的影响

2．3．5 湿度的影响

2．3．6 转速的影响

2．3．7 湿热-旋转联合作用的影响

2．3．8 轮毂半径的影响

2．3．9 宽度的影响

2．3．10 纤维方向角的影响

2．3．11 铺层顺序的影响

2．4 本章小结

第3章 湿热环境下旋转复合材料层合梁舞振特性研究

3．1 运动方程

3．1．1 旋转复合材料层合梁模型

3．1．2 考虑湿热效应的单层材料本构关系

3．1．3 内力计算

3．1．4 舞振控制方程

3．1．5 边界条件

3．2 方程解法

3．2．1 模态方程

3．2．2 假设模态法

3．3 数值计算与讨论

3．3．1 收敛性验证

3．3．2 方法有效性验证

3．3．3 温度的影响

3．3．4 湿度的影响

3．3．5 转速的影响

3．3．6 湿热-旋转联合作用的影响

3．3．7 轮毂半径的影响

3．3．8 纤维方向角的影响

3．3．9 单层厚度的影响

3．3．10 长细比的影响

3．3．11 铺层顺序的影响

3．4 本章小结

第4章 湿热环境下带倾角的旋转复合材料层合梁摆振特性研究

4．1 运动方程

4．1．1 带倾角的旋转复合材料层合梁模型

4．1．2 湿热环境下单层本构关系

4．1．3 内力计算

4．1．4 振动控制方程

4．1．5 边界条件

4．2 方程解法

4．2．1 模态方程

4．2．2 李兹法

4．3 数值计算与讨论

4．3．1 倾角的影响

4．3．2 倾角-温度的影响

4．3．3 倾角-湿度的影响

4．3．4 倾角-旋转的影响

4．3．5 倾角-湿热-旋转联合作用的影响

4．3．6 倾角-轮毂半径的影响

4．3．7 倾角-梁宽的影响

4．3．8 倾角-纤维方向角的影响

4．3．9 倾角-铺层顺序的影响

4．4 本章小结

第5章 湿热环境下带倾角的旋转复合材料层合梁舞振特性研究

5．1 运动方程

5．1．1 带倾角的复合材料层合梁模型

5．1．2 湿热环境下单层本构关系

5．1．3 内力计算

5．1．4 舞振控制方程

5．1．5 边界条件

5．2 方程解法

5．2．1 模态方程

5．2．2 假设模态法

5．3 数值计算与讨论

5．3．1 倾角的影响

5．3．2 倾角-温度的影响

5．3．3 倾角-湿度的影响

5．3．4 倾角-旋转的影响

5．3．5 倾角-湿热-旋转联合作用的影响

5．3．6 倾角-轮毂半径的影响

5．3．7 倾角-纤维方向角的影响

5．3．8 倾角-铺层顺序的影响

5．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目