發(fā)布時間：2018-02-25 01:18

  本文關(guān)鍵詞： 振動特性 FGM殼 熱環(huán)境 物理特性 熱應(yīng)力　出處：《南昌航空大學(xué)》2015年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：本論文以功能梯度材料(FGM)殼為研究對象,基于有限元離散分層思想建立殼結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型,研究熱環(huán)境下FGM的物理特性,探討熱環(huán)境對FGM殼動力學(xué)特性的影響以及和含裂紋FGM殼在熱沖擊下的裂紋擴(kuò)展及損傷疲勞壽命估算。首先,分析FGM在不同溫度場影響下的物理特性變化規(guī)律,探討物理特性變化使FGM殼初始剛度矩陣線性變化而引起的振動特性改變;然后,研究了熱環(huán)境下均勻、線性高溫引起的FGM殼非線性變形,及其內(nèi)外的溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力,分析了熱應(yīng)力、熱變形引起的FGM殼剛度變化和幾何參數(shù)變化;綜合考慮初始剛度矩陣、初始位移矩陣和熱應(yīng)力矩陣,結(jié)合幾何邊界條件和物理特性參數(shù)探討了熱力耦合下的FGM殼的振動特性;最后,基于XFEM理論,對含裂紋FGM殼在熱沖擊下情況下的裂紋擴(kuò)展及損傷疲勞進(jìn)行研究,在給定裂紋位置和裂紋尺寸時,利用均勻溫度場下得到的材料物理特性和最大熱應(yīng)力,及其第一階熱力耦合固有頻率加載的交變載荷簡化熱沖擊,仿真裂紋擴(kuò)展過程,利用不考慮加載史的壽命估算方法初步估算FGM殼熱損傷疲勞壽命。通過數(shù)值計算,得出了不同體積分?jǐn)?shù)指數(shù)FGM物理特性在均勻溫度場和線性溫度場下的變化規(guī)律;研究了不同溫度場下材料物理特性對FGM圓柱殼振動特性的影響規(guī)律,綜合考慮了均勻溫度場下熱應(yīng)力,熱力耦合對FGM殼的影響規(guī)律和線性溫度場下熱應(yīng)力,熱力耦合對FGM殼的影響規(guī)律。結(jié)果表明,熱環(huán)境下FGM的物理特性發(fā)生了一系列的變化,物理特性的變化尤其是彈性模量的改變對FGM殼的振動特性具有明顯的影響。熱力耦合下FGM殼的模態(tài)頻率比單純考慮材料物理特性影響下模態(tài)頻率大;而且溫度越高兩條曲線之間的間隔越大。均勻溫度環(huán)境產(chǎn)生的熱應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的固有頻率起主導(dǎo)作用。
[Abstract]:In this paper, the dynamic model of the shell structure is established based on the idea of finite element discrete stratification, and the physical properties of the FGM in the thermal environment are studied by taking the functionally graded material (FGM) shell as the research object. The effect of thermal environment on the dynamic characteristics of FGM shells and the crack propagation and damage fatigue life estimation of FGM shells with cracks under thermal shock are discussed. Firstly, the variation of physical properties of FGM under different temperature fields is analyzed. The vibration characteristics of FGM shell caused by the linear change of initial stiffness matrix caused by the change of physical characteristics are discussed. Then, the nonlinear deformation of FGM shell caused by uniform and linear high temperature in thermal environment and the thermal stress caused by temperature gradient inside and outside are studied. The changes of FGM shell stiffness and geometric parameters caused by thermal stress and thermal deformation are analyzed, and the initial stiffness matrix, initial displacement matrix and thermal stress matrix are considered synthetically. The vibration characteristics of FGM shell under thermal coupling are discussed by combining geometric boundary conditions and physical parameters. Finally, based on XFEM theory, the crack propagation and damage fatigue of cracked FGM shell under thermal shock are studied. When the crack position and crack size are given, the physical properties and maximum thermal stress of the material obtained under uniform temperature field, and the alternating load loaded with the first order thermodynamic coupling natural frequency, are used to simplify the thermal shock and simulate the crack propagation process. The thermal damage fatigue life of FGM shell is estimated by using the life estimation method without considering the loading history. By numerical calculation, the variation of physical properties of FGM with different volume fraction exponents under uniform and linear temperature fields is obtained. The effects of material physical properties on the vibration characteristics of FGM cylindrical shells under different temperature fields are studied. The thermal stress under uniform temperature field, the influence of thermal coupling on FGM shells and the thermal stress under linear temperature field are considered synthetically. The results show that a series of changes have taken place in the physical properties of FGM in thermal environment. The variation of physical properties, especially the change of elastic modulus, has an obvious effect on the vibration characteristics of FGM shells. The modal frequencies of FGM shells under thermal coupling are larger than those of FGM shells with only considering the physical properties of materials. The higher the temperature, the larger the interval between the two curves. The thermal stress produced by the uniform temperature environment plays a leading role in the natural frequency of the structure.
【學(xué)位授予單位】：南昌航空大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB34

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本文編號：1532459