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纤维增强复合材料工字型薄壁梁的弯扭耦合振动分析

作　者: 宋武君
导　师: 单鲁阳
学　校: 浙江工业大学
专　业: 建筑与土木工程
关键词: 复合材料固有频率振动分析模态分析 ANSYS
分类号: TB33
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer/Plastics,简称FRP)结构是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的结构,它可以发挥各种材料的优点,克服单一材料的缺陷,扩大构件的应用范围。它具有比模量高、比重低、高强度、受热稳定性好、可设计性等许多优良的性能,已在航空、航天事业中被广泛的应用,并且在土木工程领域中也已开始呈现其独特的优越性。但是,FRP的非均匀性、各向异性等一些缺陷给FRP结构的力学分析带来了一系列的挑战,特别是在结构的振动特性方面,这就使得对FRP结构振动特性的研究是十分迫切且具有重要意义的。本文主要研究纤维增强复合材料(FRP)工字型薄壁梁固有频率解析解的计算方法,分析研究结构的振型及纤维排布方向对固有频率的影响,以避免FRP结构在应用中由于存在传动系统的缺陷或误差,外界环境的激励,旋转质量的不平衡,工作载荷的波动等因素而引起振动频率与材料的固有频率相近时产生的共振,从而减少对结构产生的损伤。本文以复合材料力学与动力学作为基础,以FRP工字型薄壁梁作为研究对象,研究了FRP工字型薄壁梁的弯曲、扭转以及弯扭耦合振动问题,得出层合结构的固有频率,以及相应的振型,对不同铺层方式下的计算值进行了分析对比,并采用有限元软件ANSYS对理论结果进行验证对比,分析了理论分析值与有限元分析值产生差异的原因。结果表明,本文的模型在计算FRP工字型薄壁梁固有频率、振型方面有较好的实用性,为FRP工字型薄壁梁的设计制造以及强度和疲劳寿命研究提供了一定的参考价值。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-18
  1.1 FRP复合材料  10-11
  1.2 FRP在工程结构中的应用与发展方向  11-14
  1.3 FRP结构研究现状  14-17
    1.3.1 FRP结构静力特性研究现状  14-15
    1.3.2 FRP结构动力特性研究现状  15-17
  1.4 动力特性研究的必要性  17-18
第二章复合材料力学基本理论  18-35
  2.1 引言  18-19
  2.2 各向异性材料的应力-应变关系  19-23
    2.2.1 正交各向异性材料的应力-应变关系  19-23
  2.3 复合材料单层的弹性特性  23-28
    2.3.1 应力-应变的坐标转换  23-27
    2.3.2 非材料主方向的应力-应变关系  27-28
  2.4 复合材料层合板的弹性特性  28-34
    2.4.1 一般层合板弹性特性  29-32
    2.4.2 对称层合板弹性特性  32-34
  2.5 本章小结  34-35
第三章有限元法及在FRP构件中的应用  35-45
  3.1 有限元法  35
  3.2 有限元法的分析过程  35-39
  3.3 有限元中模态分析的有关理论  39-40
  3.4 有限元分析在FRP构件中的应用  40-44
    3.4.1 ANSYS简介  41
    3.4.2 ANSYS分析流程  41-42
    3.4.3 ANSYS中复合材料的分析  42-43
    3.4.4 本课题中所用的单元以及准则  43-44
  3.5 本章小结  44-45
第四章 FRP工字型薄壁梁的振动分析  45-70
  4.1 理论推导  45-54
    4.1.1 位移模式  45-48
    4.1.2 变分方程  48-50
    4.1.3 本构方程  50-53
    4.1.4 运动方程  53-54
  4.2 理论分析解析解  54-56
  4.3 有限元数值分析  56-66
  4.4 参数分析  66-68
  4.5 本章小结  68-70
第五章总结与展望  70-72
  5.1 论文总结  70-71
  5.2 工作展望  71-72
参考文献  72-76
致谢  76

纤维增强复合材料工字型薄壁梁的弯扭耦合振动分析

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