【摘 要】
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嵌入式共固化多层阻尼薄膜复合材料带筋结构与传统单层阻尼复合材料结构相比具有大阻尼、高刚度等优良力学性能,在航空航天、船舶、国防军工、仿生以及汽车等领域具有广阔的应用前景。由于该结构比较复杂,理论建模中需要考虑大量的变量,目前对该结构力学性能的研究及优化鲜有文献报道,阻碍了该种结构在我国航空航天领域的推广和应用。因此,开展嵌入式共固化多层阻尼薄膜复合材料带筋结构动静力学性能、屈曲性能以及阻尼材料的分
【基金项目】
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国家自然科学基金“柔性连接共固化阻尼复合材料复杂结构的动、静力学性能”(52075280); 国家自然科学基金“嵌入式共固化穿孔阻尼薄膜复合材料结构动态特性研究”(51375248); 山东省自然科学基金“共固化缝合微米级阻尼薄膜夹心复合材料非线性动力学”(ZR2019MEE088);
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嵌入式共固化多层阻尼薄膜复合材料带筋结构与传统单层阻尼复合材料结构相比具有大阻尼、高刚度等优良力学性能,在航空航天、船舶、国防军工、仿生以及汽车等领域具有广阔的应用前景。由于该结构比较复杂,理论建模中需要考虑大量的变量,目前对该结构力学性能的研究及优化鲜有文献报道,阻碍了该种结构在我国航空航天领域的推广和应用。因此,开展嵌入式共固化多层阻尼薄膜复合材料带筋结构动静力学性能、屈曲性能以及阻尼材料的分布优化的研究,具有重要的学术意义和实际应用价值。本文将理论分析、数值仿真以及实验研究相结合对嵌入式共固化多层阻尼薄膜复合材料带筋结构力学性能进行了系统地研究,并将该结构与其无筋结构的静力学承载能力、动力学特性以及屈曲性能进行了对比,探讨了几何和材料参数对其性能的影响规律;以一阶模态损耗因子作为目标函数,阻尼体积分数作为约束条件,对阻尼材料布局进行了优化。主要工作和创新点如下:(1)基于结构的几何方程、本构关系以及分段位移折线理论,构建了嵌入式共固化多层阻尼薄膜复合材料带筋结构弯曲性能理论模型。基于重三角级数及Rayleigh-Ritz法对该结构挠度函数进行了求解,将理论解与数值仿真结果进行对比,验证了理论模型和理论方法的有效性,探讨了结构中心挠度随结构参数的变化规律。(2)根据一阶剪切变形理论建立了嵌入式共固化多层阻尼薄膜复合材料带筋结构的动力学解析模型。将复模量理论和复合材料力学理论相结合,推导了该结构复数形式的控制方程,采用纳维法得到了满足位移边界条件的理论解,搭建了模态实验平台,将实验结果同理论解进行对比,验证了该模型的有效性。进一步利用已验证模型分析了结构的几何和材料参数对嵌入式共固化多层阻尼薄膜复合材料带筋结构动力学特性的影响。(3)将分段位移折线理论同最小势能原理相结合,建立了嵌入式共固化多层阻尼薄膜复合材料带筋结构的屈曲性能解析模型,推导了结构的控制方程,对该结构的临界屈曲载荷进行了求解,将理论解同数值仿真结果进行比较,在验证模型的基础上探讨了各参数对结构临界屈曲载荷的影响。(4)基于模态应变能方法,推导了嵌入式共固化多层阻尼薄膜复合材料带筋结构的模态损耗因子灵敏度计算公式,构建出以模态损耗因子为目标函数,以阻尼材料用量为约束条件的动力学优化数学模型。应用渐进优化算法对结构阻尼薄膜进行了拓扑优化,其结果为嵌入式共固化多层阻尼薄膜复合材料带筋结构的广泛应用奠定了重要的基础。
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