液-力-热耦合功能梯度材料圆柱壳的动力学建模及理论和实验研究

As a new class of multiphase materials, functionally graded materials (FGMs) have many properties superior to other composite materials. Therefore, study on the vibration mechanism of FGM structures is of great value to promote their application in aerospace, navigation and high technology fields. This project is to establish the nonlinear differential equations of motion for FGM cylindrical shells under a coupling action of liquid, external force and thermal load. Rayleigh-Ritz method is used to solve the natural frequencies and modes of liquid-force-thermo FGM cylindrical shells. The linear and nonlinear dynamic properties of a liquid-filled FGM cylindrical shell are obtained by experimental analysis. Theoretical analysis on the nonlinear vibration characteristics of the liquid-force-thermo FGM cylindrical shell is performed by using approximate analytical method and numerical method. The influences of gradient index, temperature field, liquid content in the shell and external excitation on the dynamic characteristics of the FGM cylindrical shell are investigated. The vibration mechanism and key factors influencing the vibration characteristics of liquid-force-thermo FGM cylindrical shells are revealed. The research findings can lay a theoretical foundation for the popularization and application of FGM structures in aerospace, navigation and high technology fields. They can also promote the research development of inhomogeneous medium mechanics and multi-field coupling dynamics.

作为一种新型多相材料，功能梯度材料具有诸多优于其它复合材料的性质。因此，功能梯度材料结构振动机理的研究对推广其在航空航天、航海以及高新领域的应用有重要的价值。本项目拟建立功能梯度材料圆柱壳在液体、外力载荷、热载荷耦合作用下的非线性运动微分方程。采用Rayleigh-Ritz法求解液-力-热耦合功能梯度圆柱壳的固有频率和模态。对充液功能梯度圆柱壳进行实验分析，获得其线性及非线性动力学性质。采用近似解析法和数值法对液-力-热耦合功能梯度圆柱壳的非线性振动特性进行理论分析。考察功能梯度圆柱壳的梯度指数、温度场、壳中液体含量、外部激励等系统参数对其动力学特性的影响。揭示液-力-热耦合功能梯度圆柱壳的振动机理和影响其振动性质的关键因素。研究成果可为功能梯度结构在航空航天、航海以及高新技术领域的推广应用奠定理论基础，同时也可促进非均匀介质力学和多场耦合动力学研究的发展。

功能梯度材料作为一种新型多相材料，具有诸多优于其它传统材料及复合材料的力学性质，在航空航天工业、核反应堆、电子、电磁学、传感器、化学、生物医学乃至日常生活诸领域均有巨大的应用前景。因此，功能梯度材料结构动力学机理的研究具有重要的科学价值和意义。该项目针对功能梯度材料薄壁圆柱壳，建立了结构的非线性运动微分方程，深入分析了该类新材料结构的动力学行为，阐明了多场下功能梯度材料圆柱壳的振动机理，揭示了影响振动特性的因素。研究内容包含了动力学建模、功能梯度圆柱壳频率特性、非线性动力学响应特性等功能梯度结构动力学的关键问题。研究结果包括：对比了不同热载荷条件下功能梯度材料圆柱壳的振动特性，发现线性温度变化的结果与非线性温度变化的结果差异很小，这证明采用线性温度变化可方便而准确描述功能梯度材料圆柱壳在热环境中的振动性质；提出了表面应力依赖的薄壁圆柱壳非线性动力学模型，可较为准确描述输流功能梯度纳米圆柱壳的非线性振动性质；将非局部应变梯度理论引入输流纳米圆柱壳，揭示了其自由振动和波动性质；建立了热-电-机作用下含有缺陷的功能梯度压电纳米圆柱壳的控制方程，揭示了其热-电-机动力学行为；引入Chebyshev配点法，分析功能梯度金属泡沫夹层圆柱壳振动行为，获得了泡沫芯层对固有频率的影响规律；分析了多孔功能梯度圆柱壳的振动与波动性质，阐明了孔隙分布、孔隙率对其动力学行为的影响；引入改进的Donnell非线性壳理论，对增强功能梯度圆柱壳进行了非线性振动分析，研究表明增强功能梯度圆柱壳具有硬弹簧振动特性，功能梯度孔隙分布和功能梯度石墨烯分布模式对圆柱壳的动力学行为产生重要作用。项目研究成果可为功能梯度结构在高新技术领域的应用奠定理论基础，同时也可促进非均匀介质动力学和多场耦合动力学研究的发展。