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《北京力学会第二十四届学术年会会议论文集》2018年
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基于压电纤维复合材料的时变机翼结构动力学特性分析

段梦烨  郭翔鹰  张伟  
【摘要】:时变参数结构系统是航空航天系统中常见的一类系统。相比于恒定参数连续系统,时变参数结构系统的横向运动微分方程及其边界条件都随系统的动力学参数而时刻变化[1]。近年来关于时变结构的应用和研究也越来越广泛。例如,大型运载火箭系统中火箭燃料随着燃烧质量快速减小的变质量问题研究[2];列车-轨道(桥梁)时变系统空间的振动方程建立及求解[3];大型柔性空间结构、高速飞行器[4]等的时变结构系统研究,也是近年来学者们关注的热点问题。因此,研究时变参数结构动力学建模、动力学特性、运动稳定性等具有重要的理论研究意义和工程价值。压电纤维复合材料是由压电纤维粘贴于各种板壳结构表面复合而成,是近几年兴起的一种新型智能压电复合材料,如图1所示。它将压电纤维和电极以一定的方式排列在高分子聚合物的夹层中[5]。这种材料的优点在于具有较大的平面诱导应变,可定制的正交异性,并且自身强度大,抗破坏能力强,使用寿命长,以及材料本身厚度薄、重量轻和韧性大,容易使用在曲面结构上等[6-7]。本文旨在以压电纤维复合材料为研究对象,利用逆压电效应,驱动智能机翼后掠角实现一定的角度变化,将压电纤维智能机翼结构简化为1-3型压电纤维复合材料的悬臂板结构,分析含有时变参数的智能机翼悬臂板结构的动态特性分析,包括模态,振型,谐响应等等。主要从以下几个方面展开研究:(1)时变参数的选取,根据智能机翼结构的变形模式,建立变形机翼结构后掠角变化与面内位移之间的关系,分析由于逆压电效应产生的驱动力作用下,结构的有效偏转角范围。(2)动力学方程的建立。根据Reddy的位移场及von-Karman大变形理论,建立在外激励作用下,智能机翼结构含有时变参数的非线性动力学方程。(3)模态分析。运用多尺度方法和Galerkin方法相结合对含有时变参数的复合材料结构的偏微分动力学方程进行离散,得到两自由度横向振动的非线性运动控制方程。分析常微分方程特征值的变化趋势和刚度矩阵行列式的变化规律,求解响应特征对应下的时变极点,固有自然频率,阻尼比以及模态振型。
【作者单位】:北京工业大学
【分类号】:V214.8

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【参考文献】
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