弹性边界条件下复合材料回转类层合板壳结构振动特性分析

来源 :哈尔滨工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:guoke3zhang
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复合材料相较于其他单一材料,在刚度及强度方面有着更好的表现,同时又具有更长的疲劳寿命以及耐电化学腐蚀的特性,近些年来在飞行器设计、船舶制造、石化容器设计等工程领域受到了越来越高的关注。复合材料回转类层合板壳结构作为工程结构中的基础元素,研究此类结构的振动特性对于相关领域的发展有着重要的实际意义。目前的研究大多着眼于经典边界条件下较厚的板壳结构以及较薄的板壳耦合结构。然而在工程应用领域存在着大量的薄至中等厚度过渡阶段的复合材料回转类层合板壳及其耦合结构,并且结构往往处于弹性边界条件下,因此开展相关研究对于实际工程应用有着一定的理论指导意义。本文建立了适用于对弹性边界条件下薄至中等厚度过渡阶段的复合材料回转类层合板壳结构的相关振动特性进行研究的理论模型。在简化一阶剪切变形理论的基础上,采用改进的傅里叶级数来近似地表示结构的位移容许函数,获得了对复合材料回转类层合板、层合圆柱壳、层合圆锥壳以及回转类层合板-层合圆柱壳耦合结构进行振动特性理论研究的数学模型。通过在耦合边界均匀布置人工虚拟弹簧,满足了相关连续性要求,实现了由环扇形板结构向圆扇形板结构、圆环板结构及圆形板结构的转化,由开口壳结构向闭口壳结构的转化,以及回转类板结构与开口及闭口圆柱壳结构之间的耦合。再通过在结构边界上均匀布置边界弹簧,有效地模拟出各种经典边界条件及弹性边界条件。之后利用Rayleigh-ritz能量法建立振动特性分析模型求解方程,最终得到所需要的结构各阶固有频率以及模态。通过将本文分析模型的求解结果和参考文献中不同方法的计算结果、有限元软件计算结果以及模态测试实验获得的结果相对比,验证了本文建立的薄至中等厚度复合材料回转类层合板壳结构振动特性分析模型的求解精确性以及快速收敛性。此外,在此基础上本文对复合材料回转类层合板、层合圆柱壳、层合锥壳以及复合材料回转类层合板和层合圆柱壳之间的耦合结构展开了自由振动条件下的分析及研究,讨论了结构固有频率与几何参数、材料参数、边界条件、复合层铺设角度及铺层方式之间的关系,对于相关结构的设计选型过程能够提供一定的理论依据及技术支持。
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