【摘要】：夾層結(jié)構(gòu)通常具有高比強(qiáng)度、高比剛度、優(yōu)良的隔聲與隔熱等特性,目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于船舶、高速列車、航空航天等工程結(jié)構(gòu)中。在極端的高溫和噪聲環(huán)境中,熱應(yīng)力、氣動(dòng)噪聲與機(jī)械載荷疊加對(duì)整個(gè)飛行器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大影響。因此深入研究夾層結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有深遠(yuǎn)意義。隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)、集成電路以及智能系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展,使能量收集技術(shù)為低功耗微電子設(shè)備和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)提供能源成為一種可能。本文提出一種分段剪切變形理論,分析夾層結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能,包括自由振動(dòng)、振動(dòng)聲輻射、傳聲損失、后屈曲等特性;并根據(jù)新提出的分段剪切變形理論,設(shè)計(jì)出幾種高效的夾層基振動(dòng)能量收集器,用于從寬頻、低頻和低振幅振動(dòng)源中獲得能量。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)現(xiàn)有的理論模型,有的精度低,難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)夾層結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性;有的模型過(guò)于復(fù)雜,難以用來(lái)分析夾層結(jié)構(gòu)的聲振響應(yīng)和后屈曲特性。本文提出一種簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確而又高效的分段剪切變形理論,可以方便的分析夾層結(jié)構(gòu)在高溫環(huán)境下的自由振動(dòng)、振動(dòng)聲輻射、傳聲損失、后屈曲等動(dòng)力學(xué)特性。根據(jù)哈密頓變分原理得到夾層板在高溫環(huán)境下的振動(dòng)控制方程,對(duì)四邊簡(jiǎn)支邊界條件下夾層板動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行理論求解,分析溫度對(duì)夾層板固有頻率、振動(dòng)聲輻射和傳聲損失的影響。(2)固支邊界條件下板振動(dòng)的精確理論解通常難以獲得。本文研究夾層板在四邊固支邊界條件下振動(dòng)、隔聲等動(dòng)力學(xué)特性。首先從簡(jiǎn)單的復(fù)合材料層合板入手,基于經(jīng)典層合板理論和一階剪切變形理論,利用假設(shè)模態(tài)法和伽遼金加權(quán)余值的思想,得到層合板自由振動(dòng)的近似解析解;然后將這種方法推廣到夾層板中,根據(jù)本文新提出的分段剪切變形理論,得到四邊固支夾層板動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的近似解析解;最后對(duì)四邊固支邊界條件下夾層板的自由振動(dòng)特性、聲振特性等進(jìn)行了理論研究。(3)建立了夾層梁結(jié)構(gòu)的分段剪切變形理論模型,對(duì)夾層梁熱后屈曲和自由振動(dòng)特性進(jìn)行了理論研究,包括兩邊簡(jiǎn)支邊界和兩邊固支邊界兩種工況。首先根據(jù)虛功原理得到了夾層梁的非線性控制方程,并利用其線性化方程推導(dǎo)出了夾層梁的固有頻率和屈曲溫度;然后利用非線性方程得到了夾層梁屈曲之后新的平衡位置,推導(dǎo)了當(dāng)溫度超過(guò)臨界溫度時(shí),夾層梁屈曲后自由振動(dòng)結(jié)果;最后詳細(xì)分析了溫度對(duì)屈曲和振動(dòng)特性的影響。(4)設(shè)計(jì)了夾層基壓電振動(dòng)能量收集器,建立了夾層基振動(dòng)能量收集器的分段剪切變形理論模型,采用拉格朗日方程得到了夾層基振動(dòng)能量收集器的機(jī)電耦合方程。夾層基振動(dòng)能量收集器與相同幾何尺寸的傳統(tǒng)振動(dòng)能量收集器相比具有更低的共振頻率,并且能輸出更高的電壓;如果以某一共振頻率為設(shè)計(jì)目標(biāo),與傳統(tǒng)振動(dòng)能量收集器相比,夾層基振動(dòng)能量收集器可以大幅度降低系統(tǒng)質(zhì)量。詳細(xì)地研究了材料屬性和幾何參數(shù)對(duì)能量收集器性能的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了不同芯層材料對(duì)夾層基振動(dòng)能量收集器固有頻率和輸出電壓的影響。(5)設(shè)計(jì)出多個(gè)夾層基多模態(tài)振動(dòng)能量收集器,來(lái)證明夾層基振動(dòng)能量收集器具有更好的可設(shè)計(jì)性。為了建立夾層基多模態(tài)振動(dòng)能量收集器的理論模型,首先研究了傳統(tǒng)的單層金屬基礎(chǔ)多模態(tài)振動(dòng)能量收集器,建立了多模態(tài)振動(dòng)能量收集器的理論模型。進(jìn)而將這一理論推廣到夾層基多模態(tài)振動(dòng)能量收集器中。構(gòu)造了一個(gè)含有兩個(gè)內(nèi)部支梁的夾層基多模態(tài)振動(dòng)能量收集器,并完成實(shí)驗(yàn)測(cè)試。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有限元仿真對(duì)比,驗(yàn)證了理論模型的有效性。通過(guò)參數(shù)優(yōu)化和夾層基單模態(tài)能量收集器進(jìn)行對(duì)比,說(shuō)明了夾層基多模態(tài)振動(dòng)能量收集器更適合從寬頻、低頻和低振幅振動(dòng)源中獲得能量。設(shè)計(jì)了一種內(nèi)部含有三個(gè)懸臂梁的雙壓電片夾層基多模態(tài)振動(dòng)能量收集器,通過(guò)改變內(nèi)部懸臂梁幾何參數(shù)和附加質(zhì)量塊大小,使前幾階固有頻率充分接近,并均勻地分布在感興趣的頻率范圍內(nèi),進(jìn)一步說(shuō)明了夾層基振動(dòng)能量收集器具有靈活的設(shè)計(jì)性,可以適用于不同的振動(dòng)環(huán)境中。
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文%。常溫環(huán)境下夾層板有限元模型進(jìn)行了收斂性研究。表 2-1 加，夾層板前六階固有頻率是收斂的。從表中可以看出，6格計(jì)算結(jié)果相差不大，為了降低 FE-BEM 計(jì)算量，，這里選擇 ，因?yàn)樵谟?FE-BEM 混合法計(jì)算時(shí)是非常耗費(fèi)時(shí)間的。夾節(jié)點(diǎn)四邊形單元（CQUAD4），每個(gè)單元尺寸大小約為 6.7mm4 所示。SC.Nastran，得到的臨界屈曲溫度大小為 101.92 ℃ (1,1)，理 102.18 ℃ (1, 1)，理論計(jì)算與有限元仿真結(jié)果吻合較好。，不同溫度條件下夾層板前六階固有頻率理論計(jì)算結(jié)果與仿值得說(shuō)明的是溫度載荷在 100 ℃時(shí)，一階頻率誤差較大（界屈曲溫度附近，一階頻率隨著溫度的變化非常敏感，因此算與仿真所得固有頻率具有較大的誤差。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V214

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 閻滿存;余勇;李家壘;石艷霞;;高超聲速飛行器結(jié)構(gòu)熱力耦合試驗(yàn)與評(píng)估技術(shù)進(jìn)展[J];飛航導(dǎo)彈;2015年02期

本文編號(hào)：2595133