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波在压电层合结构和碳纳米管中的传播特性

董科  
【摘要】: 压电复合材料层合结构具有很高的比强度和比模量,优异的抗疲劳性、减振性、和降噪性能,正日益广泛地应用于航空、航天、汽车等众多领域。而碳纳米管由于其完美结构、小尺度、低密度、高硬度、高强度和卓越的电学性质集于一身的特点以及高达T赫兹(1THz=1012 Hz)的振动频率而日益受到人们的广泛关注。研究波在以上两种结构中的传播特性对扩展他们在工程中的应用有着重要的理论意义和实际应用价值。 本论文研究的主要工作包括: (1)基于Cooper-Naghdi壳体理论建立了考虑横向剪切及转动惯量效应的压电层合壳动力学模型,通过求解特征值得到并讨论了波在压电层合壳中传播的特征曲线,数值算例讨论了不同的压电层数、厚度以及湿、热环境对特征曲线的影响;利用最小势能变分原理研究了非线性几何大变形对压电层合壳中波传播的影响,并于已有的线性理论进行了比较。对于以纤维增强复合材料为母体的智能层合结构,分析讨论了复合材料铺设层数、铺层次序以及压电层的压电耦合效应对波传播的影响。计算结果表明,复合材料母体的铺设层数和铺层次序以及压电耦合效应都对波的传播有明显的影响。利用此方法和相应的计算结果可以为压电层合结构在工程中应用的优化设计提供理论依据,根据不同的工程需要对压电层合结构进行相应的控制和监测。 (2)目前研究碳纳米管力学性能采用的方法有实验、分子动力学模拟和连续介质力学的方法。由于控制纳米尺度的实验是非常困难的,而分子动力学模拟方法由于总的自由度过大,受到计算机处理能力的限制,很难直接用于纳米器件和系统的整体性能模拟。现有研究结果表明,用连续介质力学方法能够很好的描述碳纳米管的力学行为。基于连续体力学将多壁碳纳米管模拟成多壁弹性壳模型。考虑多壁碳纳米管振动初始是同心的,由van der Waals力使得每一层碳管变形相互耦合,嵌入在多壁碳


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