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具有形状记忆合金(SMA)纤维驱动的复合材料箱型薄壁梁的非线性变形
作 者: 杜向红
导 师: 任勇生
学 校: 山东科技大学
专 业: 机械电子工程
关键词: 几何非线性 薄壁复合材料结构 弹性耦合 形状记忆合金纤维 主动变形
分类号: TB33
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
下 载: 22次
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内容摘要
风能作为一种清洁可再生能源,受到人们的广泛关注。风力发电技术较为成熟、可规模化开发,具有广阔的商业化发展前景。风力机的结构特性、动力学特性和稳定性等问题是风力机设计研究的关键。本文将风力机叶片简化为细长薄壁梁,首先研究了具有几何非线性的复合材料箱型薄壁梁的静变形特征,并以此为基础,将形状记忆合金(SMA)纤维埋入薄壁梁,进一步研究在温度的激励下SMA纤维对于薄壁梁变形特性的影响规律。对于薄壁梁静变形,首先基于变分渐进法(VAM)并结合层合复合材料宏观力学理论,导出薄壁梁二维任意截面刚度矩阵。然后给出薄壁梁的几何非线性方程具体形式,由虚功原理得出含有非线性分量的广义截面内力,并通过积分得出薄壁梁非线性平衡方程。最后采用Galerkin法对方程做近似处理,利用增量Newton-Raphson法对方程组迭代求解。针对两种典型截面薄壁梁进行数值分析,研究具有几何非线性的薄壁梁的静变形随载荷、铺层角等变化的规律,分析了非线性项对于变形的影响效果。对于具有SMA纤维主动驱动的薄壁梁,则由Tanaka的SMA应力应变关系和Lin-Rogers的线性化的相变动力学方程,导出在温度激励下SMA纤维诱发的轴力、弯矩和扭矩表达式,并将其作用到薄壁梁广义截面内力的线性分量上,得出相应的平衡方程。通过横向载荷作用下的具有SMA纤维的两种典型截面薄壁梁的数值计算,揭示了激励温度、SMA纤维含量、铺层角等参数对于薄壁梁非线性变形的影响。
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全文目录
摘要 5-6 ABSTRACT 6-11 1 绪论 11-18 1.1 课题研究的背景与研究意义 11-13 1.2 小变形复合材料薄壁梁的研究现状 13-14 1.3 SMA复合材料薄壁梁的研究现状 14-15 1.4 几何非线性复合材料薄壁梁的研究现状 15-16 1.5 本文的主要研究内容 16-18 2 纤维复合材料力学分析基础 18-26 2.1 引言 18-19 2.2 单层复合材料的宏观力学性能 19-21 2.3 层合板的刚度的宏观力学性能 21-25 2.4 本章小结 25-26 3 SMA材料的力学行为分析 26-32 3.1 引言 26-28 3.2 SMA本构方程与分析 28-31 3.3 本章小结 31-32 4 几何非线性复合材料薄壁梁的静变形研究 32-53 4.1 引言 32 4.2 薄壁梁的位移场 32-34 4.3 薄壁梁的几何方程 34-35 4.4 截面刚度 35-36 4.5 能量方程 36-37 4.6 非线性平衡方程 37-38 4.7 非线性平衡方程的求解 38-41 4.8 数值结果与讨论 41-52 4.9 本章小结 52-53 5 嵌入SMA纤维的几何非线性复合材料薄壁梁的主动变形驱动研究 53-71 5.1 引言 53 5.2 基于VAM的截面分析 53-57 5.3 SMA纤维诱发的轴力、弯矩与扭矩 57-58 5.4 嵌入SMA纤维的几何非线性复合材料薄壁梁的静力平衡方程 58-60 5.5 结果与讨论 60-70 5.6 本章小结 70-71 6 总结与展望 71-72 6.1 主要结论 71 6.2 工作展望 71-72 致谢 72-73 参考文献 73-77 攻读硕士学位期间从事科学研究及发表论文情况 77-78 附录A 78-79 附录B 79-81
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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 复合材料
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