功能梯度石墨烯增强复合板非线性摩擦振动分析

Graphene is widely used as a reinforcement material to enhance the mechanical properties of composite materials and improve the security and reliability of the structures and components. However, the mechanical mechanism of graphene reinforcement while adjusting the nonlinear frictional vibration of composite structures is unclear. Using the graphene as a reinforcement to improve the mechanical properties of the composite plates, this project will study the nonlinear frictional vibration problems in the sliding contact system. The graphene reinforcements are arbitrarily dispersed in the composite plates. Modelling the nonlinear frictional vibration of the functionally graded graphene-reinforced composite plates (FGRCPs) to discuss some typical frictional vibration problems. The main contents include the elastic/thermoelastic nonlinear frictional vibration of the FGRCPs and their corresponding stick-slip movements. The main purpose is investigating the influences of the different distribution forms of the graphene on the nonlinear frictional vibration characteristics of the FGRCPs, dealing with the vibration intensities of the sliding speed, the contact pressure and temperature on the contacted surface via varying the distribution patterns of the graphene in the FGRCPs, adjusting the stick-slip movements of the sliding system, and realizing the optimum design of anti-self-excited vibration.

石墨烯被广泛用于增强复合材料的力学性能、提高结构构件的安全性和可靠性，然而石墨烯用于改善系统非线性摩擦振动的力学机理尚未明确。本项目主要针对滑动接触系统中非线性摩擦振动问题展开研究，将石墨烯作为增强相，增强复合材料板的力学性能，建立适用于石墨烯任意分布的功能梯度石墨烯增强复合板非线性摩擦振动模型，对若干典型摩擦振动问题进行研究。主要内容包括：功能梯度石墨烯增强复合板的弹性、热弹性非线性摩擦振动以及相应的粘滑运动问题。主要目的是考查石墨烯的不同分布形式对系统非线性摩擦振动特性的影响，研究如何通过改变石墨烯含量和分布形式调节接触面上接触压力、温度、滑动速度的振动强度，改善运动系统的粘滑运动，实现结构抗自激振动的优化设计等。

由于石墨烯独特的二维结构，及其优异的力学、热学和电学特性，被广泛用于增强复合材料的力学、热学和电学性能，提高结构构件的安全性和可靠性，被认为是具有战略意义的新材料，有望在高性能电子器件、复合材料、场发射材料、传感器、能量储存等领域获得广泛应用。然而，作为增强相，石墨烯与不同类别材料混合，对其性能的增强效果有较大的差异，关于石墨烯改善不同材料结构的振动（包括非线性摩擦振动）特性以及稳定性的力学机理还没有系统性的研究和结论。. 本项目将石墨烯以梯度分布的形式引入压电材料、聚合物以及金属材料中，通过三类Halpin-Tsai模型和混合定律预测了石墨烯增强不同类别复合材料的物理特性，结合一阶剪切变形板理论、铁木辛科梁理论、冯卡门非线性几何关系和能量法，建立了三大类适用于石墨烯任意分布的功能梯度石墨烯增强不同材料基复合结构的宏微观静力学和动力学模型，使用微分求积法和迭代法，在不同边界和不同弹性地基的支撑下，详细讨论了石墨烯的分布、几何和物理特征参数和结构本身的因素对结构静态屈曲、线性振动、非线性振动以及稳定特性的影响。本项目的执行揭示了石墨烯改善复合材料结构的静动力学行为特性的机理，为拓宽石墨烯在压电智能元器件、航空航天等领域中的应用提供了理论基础。. 针对石墨烯增强压电基复合材料结构，首次发现了石墨烯作为增强相，可以显著提高压电复合材料的刚度及其压电性能，并给出了较优的石墨烯分布模式；指出系统的线性频率对石墨烯分布、几何和物理特征参数很敏感，但非线性频率比对石墨烯几何性质的变化敏感度较低；针对功能梯度石墨烯增强金属基复合结构，针对金属材料所处的热环境，给出了适宜的石墨烯分布形式，还指出了应该石墨烯应该避免的分布形式；针对功能梯度石墨烯增强聚合物基复合结构，对比了不同石墨烯质量分数情况下，系统出现周期运动、倍周期分叉和混沌运动的阈值，并将几何缺陷和裂纹纳入考虑，详细分析了缺陷对系统振动和稳定性的影响。