SMA纤维复合材料壁板颤振特性的研究

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壁板颤振定义为高速飞行机构的壁板在超音速气流中的一种自激振动,这种自激振动是由多种力共同影响产生的,主要包括壁板自身的惯性力和弹性力以及超音速气流经过壁板激发的气动力。高速飞行中的机翼颤振通常会造成瞬时的巨大破坏导致飞行事故,壁板颤振不像机翼颤振那样具有瞬时的巨大破坏力,而是随气动力增加壁板横向振动加剧造成疲劳破坏,这种现象不能忽视,会影响整个飞行机构的安全。目前对壁板颤振抑制方面的研究主要集中在传统的主动、被动抑制方法上,但形状记忆合金(Shape MemoryAlloy-SMA)智能材料对超音速壁板颤振特性的影响尚缺乏深入的研究。本文采用在复合材料平直层合壁板中混杂SMA纤维,研究SMA对复合材料壁板颤振抑制的影响。  本文首先对SMA的本构关系进行基于Brinson模型的研究,通过本构方程分析升温降温过程中的SMA受限回复特性,计算并给出整个升降温过程中SMA的弹性模量变化曲线、马氏体含量变化曲线和受限回复应力变化曲线。  其次分析复合材料壁板的力学特性,计算推导复合材料壁板从单层到多层层合的不同弹性特性和热弹性特性的公式。在复合材料壁板中埋入SMA纤维,得到了SMA纤维智能复合材料,可以采用混杂率来计算其宏观性能参数,从而得到埋入SMA纤维的具有形状回复特性的智能复合材料的本构方程。  最后采用克希霍夫层合薄板理论、活塞气动力理论并且结合特殊正交的SMA纤维混杂壁板的正轴应力应变本构关系推导出SMA纤维混杂复合材料板的气动弹性方程。借助瑞利-里兹解析法,建立了嵌入SMA纤维的复合材料壁板在SMA纤维的作用下的颤振模型。采用了伽辽金离散法将得到的偏微分运动方程组进行了离散,离散为常微分方程组,然后在时域内采用四阶龙格,库塔法对得到的一阶常微分方程组进行积分求解。数值分析结果显示,混杂SMA纤维后,能很好的抑制壁板的颤振。
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