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石墨烯(GPL)增强聚合物压电复合板的主动气动弹性颤振分析和抑制

韩若凡  张伟  陈杰  
【摘要】:颤振会对结构的安全性和稳定性造成危险,这可能会导致灾难性的后果。因此,主动气动弹性颤振分析是空气动力学的重要研究分支,受到越来越多的关注。考虑到其实用性,抑制颤振成为气动弹性研究的特别关注和主要目标。石墨烯或石墨烯纳米薄片(GPL)是一种具有很高比表面积且生产成本较低的碳填充聚合物复合材料。它具有卓越的机械,电气和热性能具有广阔的应用前景。本文将石墨烯增强复合材料与机翼模型相结合,将机翼简化为悬壁板,研究其在超声速作用下的气动弹性颤振特性,气动弹性响应,并通过石墨烯增强以及压电反馈控制对结构颤振进行抑制。如图1所示,深色部分代表压电片,张贴在结构的上表面,利用压电材料的特性,施加电压以激活压电贴片来进行控制。通过第二类压电方程,哈密顿原理和假设模态方法,得到了板-压电系统的运动方程。基于改进的Halpin-Tsai模型,分别研究了GPL的重量分数对结构振动特性的影响以及GPL梯度分布(O型分布和X型分布)对板振动特性的影响。图2中,颜色的深浅代表石墨烯含量的多少,X型分布代表石墨烯增强体含量在顶层和底层最高,中间最低;O型分布则与X型分布相反。研究结果表明,添加少量的石墨烯纳米薄片可以有效地抑制结构颤振的发生。此外,GPL的X分布模式比O分布模式具有更好的效果。文章还考虑了位移反馈控制和加速度反馈控制两种控制方法对结构在临界颤振点前后响应的影响。结果表明,位移和加速度反馈控制可以分别通过附加主动刚度和主动质量来改善板在临界颤振点附近的响应情况。在临界颤振点之前,位移反馈控制和加速度反馈控制可以使响应加速收敛;在到达临界颤振点时,位移反馈控制和加速度反馈控制可以抑制响应的发散,避免颤振现象的出现。此外,与仅考虑其中之一相比,位移反馈和加速度反馈的组合控制具有更好的控制效果。

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