形狀記憶合金復(fù)合材料薄壁箱形梁的主動變形特性研究.pdf

1、面對日益膨脹的能源需求，發(fā)展新型的可再生能源已經(jīng)刻不容緩。風(fēng)能作為一種取之不盡，用之不竭，沒有污染的新型能源得到廣泛認(rèn)可。風(fēng)力機(jī)已經(jīng)在許多國家迅速發(fā)展起來。典型的大型風(fēng)力機(jī)葉片多采用薄壁多閉室復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形式，并且在新型飛行器設(shè)計(jì)中薄壁箱型結(jié)構(gòu)應(yīng)用也十分廣泛，因此，對復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)的研究具有非常重要的價(jià)值。形狀記憶合金材料（SMA）是二十世紀(jì)發(fā)展起來的智能材料，它在溫度和應(yīng)力作用下會發(fā)生馬氏體相變而產(chǎn)生回復(fù)作用，能夠驅(qū)動薄壁結(jié)構(gòu)，使之

2、產(chǎn)生變形，改善結(jié)構(gòu)表面的氣動性能，進(jìn)而對結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。
　　本文首先研究了具有耦合作用的復(fù)合材料薄壁箱型梁的靜變形特征，基于變分漸進(jìn)法導(dǎo)出梁橫截面軸向力、扭矩、彎矩與橫截面平均位移和轉(zhuǎn)角之間的本構(gòu)關(guān)系方程，并對CUS和CAS兩種特殊鋪設(shè)形式下的拉伸-扭轉(zhuǎn)耦合和彎曲-扭轉(zhuǎn)耦合進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，揭示了具有一般鋪層角的薄壁梁的拉伸-扭轉(zhuǎn)-彎曲靜變形特性的作用規(guī)律。其次，介紹了SMA的本構(gòu)關(guān)系和相變動力學(xué)方程，并且根據(jù)應(yīng)力-

3、溫度之間的關(guān)系，將應(yīng)力引起的馬氏體含量轉(zhuǎn)換成溫度形式引入馬氏體含量函數(shù)關(guān)系中，通過線性化處理得出不同溫度區(qū)間線性形式的相變動力學(xué)方程。第三，導(dǎo)出了各向同性彈性薄壁箱型外壁粘貼SMA層的復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)的主動變形模型，針對橫向均布載荷作用下的情況進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，研究了在溫度激勵(lì)作用下，SMA層對該類結(jié)構(gòu)的驅(qū)動作用，分析了溫度和基體層厚度的影響。第四，基于變分漸進(jìn)法、SMA應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系以及線性相變動力模型，提出了具有拉伸-扭轉(zhuǎn)-彎曲變形耦合

4、的、包含SMA主動纖維驅(qū)動作用的復(fù)合材料薄壁空心梁的截面內(nèi)力（矩）與位移（轉(zhuǎn)角）本構(gòu)方程。討論了CUS構(gòu)型和CAS構(gòu)型，并給出了簡化的本構(gòu)方程。通過數(shù)值計(jì)算揭示了SMA對拉伸-彎曲-扭轉(zhuǎn)變形特性的作用規(guī)律，分析了SMA纖維含量和驅(qū)動溫度與復(fù)合材料鋪層角的影響。研究表明，在馬氏體向奧氏體轉(zhuǎn)變階段，空心懸臂梁在SMA纖維驅(qū)動下的產(chǎn)生較為顯著的靜變形響應(yīng)，而且在不同的鋪層角下，SMA纖維的驅(qū)動作用是不同的，調(diào)節(jié)SMA纖維的激勵(lì)溫度、改變SMA