磁电弹性复合材料板的非线性静动力学分析

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磁电弹性复合材料(MEE)作为一种新型的智能材料,广泛应用于航空航天、智能医疗、探测等多个领域。此材料具备有磁电耦合效应,能够在机械场、电场和磁场三者之间实现能量的相互转换。随着智能领域技术的不断革新,以往的单相材料往往不能够满足生产技术的需求。于是,追求多相复合材料成了现阶段必不可少的研究课题,其中对复合材料的各种性能的研究最为关键。在工业工程中,板结构元件应用尤为广泛。由此,对磁电弹性复合材料板在各种复杂的环境下,研究其所展现出的非线性力学特性具有很高的研究价值。本文是以工业生产上常用的磁电弹性复合材料为媒介,来探讨其在不同的条件下所具有的力学性能及材料性能变化的规律,为制作和应用磁电弹性材料增加一些具体理论依据。本文的主要研究内容如下:首先,建立了弹性基地上MEE板的非线性动力学研究模型。基于高阶剪切变形理论,结合von Karman非线性原理和Hamilton原理进行MEE板的强迫振动力学模型的推导,得到了MEE板的运动控制方程为非线性高阶偏微分方程组,并对所得到的方程组进行无量纲化处理。其次,研究了四边固支MEE板的非线性静力学行为。通过简化非线性强迫振动的模型得到了非线性静力学所需的力学模型,结合Galerkin法和龙格库塔法对所推导出的静力学模型的控制方程进行求解。再引入MEE板的具体材料参数进行数值计算,给出相应情形下的MEE板的荷载-挠度曲线,分析了MEE板的跨厚比、长宽比、磁场强度、电场强度以及外荷载参数对MEE复合材料板非线性静力响应的影响,揭示了力电磁耦合效应之间的内在特征。再者,研究了弹性基地上四边简支MEE板的非线性强迫振动力学行为。基于MEE板的非线性强迫振动的力学模型,通过Galerkin法将非线性高阶偏微分方程组转化为两自由度的非线性常微分方程组,再运用多重尺度法对模型进行分析。在数值计算中,讨论了板的几何参数,磁场强度、电场强度、荷载以及阻尼等参数对MEE复合材料板的非线性幅频响应曲线的影响。最后,利用规范型理论研究了四边简支MEE板的非线性混沌动力学行为。在两自由度动力学模型的基础上,引入面内激励项,考虑1:2内共振和主参数共振的情况下,推导出其平均方程,利用规范型理论研究了系统的非线性混沌力学问题。在数值计算中,借助位移波形图和相图讨论了横向激励、面内激励、电场和磁场激励对其非线性混沌行为的影响,通过具体算例的数值模拟验证了理论推导的正确性。
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