碳纳米管增强复合材料板在轴向运动结构中的应用研究

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碳纳米管以其优异的物理、力学性能常被用作复合材料的增强相形成碳纳米管增强复合材料(CNTRC)。为了满足交通、航天航空、机械等工程领域对轴向运动板结构的高强轻质要求,提高结构的工作效率和使用寿命,推广碳纳米管增强复合材料板在交通等工程领域的应用。本文研究了轴向运动碳纳米管增强复合材料板的力学特性。首先,考虑碳纳米管的尺度效应,引入碳纳米管效率参数,根据混合律建立单壁碳纳米管(SWCNT)为增强相而聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为基体的复合材料的物性参数模型。基于复合材料薄板理论和哈密顿变分原理推推导此复合材料板的运动方程,用谐波平衡法和伽辽金求解、分析了复合材料板在不同面内力、边界条件、轴向速度、碳纳米管的分布方式及体积分数等因素对复合材料板的自由振动频率和强迫振动的影响。结果显示,基体材料中掺入碳纳米管能够显著增强复合板的材料的各项力学性能;碳纳米管增强复合材料板的自由振动频率和动力响应随着长宽比和面内拉力的增大而增大,随着轴向速度和面内压力的增大而减小。此外,边界条件对轴向运动碳纳米管增强复合材料板的自振频率和板中心挠度值也会有一定的影响。其次,利用伽辽金和Bolotin方法求解了轴向运动碳纳米管增强复合材料板在面内周期荷载作用下的动力稳定边界以及屈曲的解析解。结果表明,轴向速度的增大会使得轴向运动碳纳米管增强复合材料板的临界屈曲、临界荷载以及临界激励频率减小;复合材料板的临界荷载和临界激励频率随着面内拉力的增大而增大,非稳定区域随面内拉力的增大而减小,而面内压力的影响则与之相反。在FG-O、FG-V、FG-X、UD四种碳纳米管的分布模式中,FG-X分布对的轴向运动碳纳米管增强复合材料板的增强效果最强,UD效果次之,FG-O效果最小。最后,以交通工程领域中的轴向运动板为模型,比较了普通钢板、功能梯度材料板和碳纳米管增强复合材料板的动力特性,分析其影响因素,为轴向运动板材料的选择及设计提供理论参考。对本文的理论和方法,用Matlab编制了相应的计算程序,并计算得到了大量的数值结果。这些结果对碳纳米管板结构的振动、动力响应屈曲以及动力稳定等力学特性研究有一定的参考和借鉴作用。
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