基于整体局部理论的复合材料层合板多体系统动力学研究

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复合材料拥有高比强度,高比模量,可设计等良好特性,具有优异的力学性能。在航空、航天以及其他工业领域越来越受到广泛的应用。具有代表性的是直升机机翼,风力发电机桨叶,以及航天的太阳能帆板等。复合材料桨叶的应用可以有效减弱直升机机翼的振动,显著改善直升机的稳定性,加大机构的可靠性;随着风电需求的增大,风力发电机桨叶的性能也需随之提高,而愈加广泛应用的玻璃纤维树脂复合材料可以有效地满足需要。这些结构均不是静力结构,它们都是具有较大长厚比的运动结构,可以视为具有大范围运动的复合材料层合板壳结构多体系统。层合板可以视为特殊的层合壳结构,因此层合板结构多体系统刚-柔耦合动力学研究具有重要工程应用价值。  在传统复合材料研究领域,已经具有大量层合板的研究,而复合材料层合板研究和关注的重点之一就是如何方便准确地计算层合板的层间应力,这是研究层合结构断裂和疲劳等一系列后续问题的基础。大量学者开展了针对静平衡复合材料层合板的层间应力的研究,取得了显著的成果,但是在多体系统领域尚未发现关于多体系统层合结构进行的层间应力研究,在多体系统领域采取的往往是忽略横向剪切应力沿厚度变化的动力学模型,这些动力学模型在计算层合板的响应和表面应变可以取得较好的结果,但是势必在层间应力的计算上出现误差,因此同样有必要对多体系统层合板的层间应力的计算方法开展深入研究,来准确预测多体系统中层合板的层间应力。  针对层间应力的计算问题,本文回顾并总结对比了层合板层间应力研究的各种方法,为了有效地推广到多体系统,选择采用基于假设位移模式的二维理论。明确了所选择的方法满足:位移模式必须准确地反映出位移沿着厚度方向的锯齿形变化;层间的面外剪切应力必须在分层处保证连续。另外,位移模式必须在不采取三维平衡方程后处理的基础上可以取得较准确的结果。基于这几点,通过大量计算和对比,本文将研究重点放在前人提出的考虑分层处剪切应力连续的整体局部位移模式。该位移模式在传统的高阶剪切理论的基础上添加截取到三次的局部位移来对位移进行修正。但是前人仅仅提出了将局部位移截取到三次,并没有研究截取到三次的必要性,以及局部位移中各项修正作用的大小。针对这点,本文研究了在局部位移分别缺少一次项、二次项以及三次项的三种情况,通过经典算例与前人截取到三次的位移模式、不添加修正项的高阶剪切理论以及精确解进行对比,可以看到局部位移中的一次项以及三次项的作用更大,二次项的影响较小,但是缺少了局部位移三项中的任意一项,均会对结果产生或大或小的影响,局部位移截取到三次是最准确的,从而说明了局部位移截取到三次的必要性;通过与精确解进行对比,证明了整体局部位移模式的有效性,得到了层间位移和层间应力沿着厚度的变化趋势。  考虑到层合板在多体中的应用,基于混合坐标法,利用整体局部位移模式,采用四节点矩形单元,对于面内的相关变量采取双线性拉格朗日插值,对于面外变量,包括横向位移及其导数,采取基于薄板理论的非协调单元进行插值,这不同于多体中常用的对所有独立变量均采取基于线性拉格朗日插值的方法;对于体积分则创新性地进行了三重高斯积分,兼顾了效率和可行性,最终得到系统的惯性力虚功率,弹性力虚功率,以及外力虚功率。基于虚功原理,得到了考虑面外剪切应力在层合板分层处连续的多体系统普遍动力学方程。通过仿真算例,研究了具有旋转自由度的复合材料层合板在外力作用下的层间应力以及层内点的应力时间历程,计算结果表明,传统未考虑层间剪切应力连续的一阶剪切理论和高阶剪切理论在响应上可以取得较好的结果,但是在层间应力,尤其是层间剪切应力会出现明显的误差,这也说明了在多体系统层合板中考虑层间剪切应力连续的必要性,并阐明了本文对多体系统层合板进行层间应力研究的重要意义。  最后对本文的所做的研究工作进行了总结,说明了本文的主要创新点。
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