剪切SMA纤维复合材料梁的非线性静变形、热屈曲与振动

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复合材料梁作为机械系统的重要部件,由于其比强度和比刚度高、结构性能的可裁剪性,因此在航空、汽车、船舶等机械领域中应用十分广泛。将智能材料埋入复合材料结构产生的智能材料结构,可以改善和提高复合材料结构的静力和动力学性能,长期以来一直是备受关注的热点问题。形状记忆合金(SMA)是一类性能优良的智能材料,把SMA以纤维的形式埋入到复合材料里,以实现复合材料梁力学性能的主动控制。该研究虽然已经取得了长足的进展,但现有的研究大多是针对含有SMA纤维的线性复合材料梁的模型,而且往往也不考虑剪切变形的影响。本文在同时考虑剪切变形和几何非线性的情况下,围绕SMA纤维复合材料梁的非线性静变形、热屈曲与振动特性,进行系统地研究,选题具有重要的理论与实用价值。  本文首先对SMA的基本概念和力学特性进行了简要介绍,着重列举了三种典型的本构关系模型。采用一维Brinson本构关系模型研究SMA的受限回复特性。采用混合率公式计算含有SMA纤维的复合材料梁的宏观性能参数。基于剪切变形梁理论和Von-Kármán非线性应变位移方程以及Hamilton原理,导出SMA纤维复合材料梁的运动方程。  采用Galerkin法和谐波平衡法对其进行求解,研究简支条件下的SMA纤维复合材料梁的非线性静变形、热屈曲响应、自由振动与受迫振动特性,通过数值计算,分析了包括SMA纤维含量、初始应变、温度、长径比在内的不同参数对SMA纤维复合材料梁的静力学特性、稳定性和自由与受迫振动特性的影响。将经典梁理论、一阶剪切变形梁理论和高阶梁理论的计算结果进行对比,研究剪切变形的影响效果。  研究结果表明,埋入SMA纤维可以有效地改善复合材料梁的非线性静变形、热屈曲稳定性和振动特性。剪切变形的影响效应随着长径比的增加而逐渐减弱,对于细长的SMA纤维复合材料梁而言,剪切变形对非线性静、动力学特性影响,可以忽略不计。
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