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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
引 用: 0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。

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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