【摘要】：夾層結(jié)構(gòu)通常具有高比強度、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、氣動噪聲與機械載荷疊加對整個飛行器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大影響。因此深入研究夾層結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性對結(jié)構(gòu)設(shè)計具有深遠意義。隨著微電子機械系統(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)的動力學(xué)性能,包括自由振動、振動聲輻射、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)計出幾種高效的夾層基振動能量收集器,用于從寬頻、低頻和低振幅振動源中獲得能量。本文的主要研究內(nèi)容如下:(1)現(xiàn)有的理論模型,有的精度低,難以準確預(yù)測夾層結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性;有的模型過于復(fù)雜,難以用來分析夾層結(jié)構(gòu)的聲振響應(yīng)和后屈曲特性。本文提出一種簡單、準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、振動聲輻射、傳聲損失、后屈曲等動力學(xué)特性。根據(jù)哈密頓變分原理得到夾層板在高溫環(huán)境下的振動控制方程,對四邊簡支邊界條件下夾層板動力學(xué)特性進行理論求解,分析溫度對夾層板固有頻率、振動聲輻射和傳聲損失的影響。(2)固支邊界條件下板振動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、隔聲等動力學(xué)特性。首先從簡單的復(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力學(xué)響應(yīng)的近似解析解;最后對四邊固支邊界條件下夾層板的自由振動特性、聲振特性等進行了理論研究。(3)建立了夾層梁結(jié)構(gòu)的分段剪切變形理論模型,對夾層梁熱后屈曲和自由振動特性進行了理論研究,包括兩邊簡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)了當溫度超過臨界溫度時,夾層梁屈曲后自由振動結(jié)果;最后詳細分析了溫度對屈曲和振動特性的影響。(4)設(shè)計了夾層基壓電振動能量收集器,建立了夾層基振動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能量收集器的機電耦合方程。夾層基振動能量收集器與相同幾何尺寸的傳統(tǒng)振動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)計目標,與傳統(tǒng)振動能量收集器相比,夾層基振動能量收集器可以大幅度降低系統(tǒng)質(zhì)量。詳細地研究了材料屬性和幾何參數(shù)對能量收集器性能的影響。通過實驗研究了不同芯層材料對夾層基振動能量收集器固有頻率和輸出電壓的影響。(5)設(shè)計出多個夾層基多模態(tài)振動能量收集器,來證明夾層基振動能量收集器具有更好的可設(shè)計性。為了建立夾層基多模態(tài)振動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)振動能量收集器,建立了多模態(tài)振動能量收集器的理論模型。進而將這一理論推廣到夾層基多模態(tài)振動能量收集器中。構(gòu)造了一個含有兩個內(nèi)部支梁的夾層基多模態(tài)振動能量收集器,并完成實驗測試。通過與實驗結(jié)果和有限元仿真對比,驗證了理論模型的有效性。通過參數(shù)優(yōu)化和夾層基單模態(tài)能量收集器進行對比,說明了夾層基多模態(tài)振動能量收集器更適合從寬頻、低頻和低振幅振動源中獲得能量。設(shè)計了一種內(nèi)部含有三個懸臂梁的雙壓電片夾層基多模態(tài)振動能量收集器,通過改變內(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),進一步說明了夾層基振動能量收集器具有靈活的設(shè)計性,可以適用于不同的振動環(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格計算結(jié)果相差不大，為了降低 FE-BEM 計算量，，這里選擇 ，因為在用 FE-BEM 混合法計算時是非常耗費時間的。夾節(jié)點四邊形單元（CQUAD4），每個單元尺寸大小約為 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算結(jié)果與仿值得說明的是溫度載荷在 100 ℃時，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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V214

【參考文獻】

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

本文編號：2595133