石墨烯碳纤维树脂复合层合结构的动力学设计及应用

Graphene and its composites have been developed as a new type of strategic materials in many countries of the world, and China has recently stood on the leading level of the related researches. In this project, graphene carbon fiber resin composites are taken as the research object. By using generalized continuum theories, different lamination styles of graphene composite cantilevered plates are proposed and the corresponding constitutive models are established; both the path of stress transfer and the effects of graphene to interfacial property improvement are studied. Based on the structure characteristics of sweepback wings and the expression of aerodynamic force, the nonlinear dynamic models of the proposed cantilevered plates are established by using the Hamilton’s theory. The wingtip stalling and flutter instability of the wing subjected to aerodynamic force are analyzed based on the established dynamic model. The complex nonlinear dynamic behaviors and stabilities of the laminated composite structures are also discussed in this project. With experimental study performed，the dynamic designs of graphene carbon fiber resin composite material are proposed and optimized. The development of graphene carbon fiber laminated composite structures will be promoted by this research. The application and the potential performance of graphene carbon fiber composite materials will be explored, and the discoveries of this project would make the composite materials of great importance in the field of aerospace structures.

石墨烯及其衍生复合材料的发展已被世界很多国家定为一种新型战略性材料，目前我国在该领域的研究中处于世界领先水平。本项目以石墨烯碳纤维树脂复合材料为研究对象。通过广义连续介质理论，建立此类新型复合材料的本构模型，研究此类复合层合材料的应力传递方式和石墨烯对材料界面性能的改善作用，设计不同铺设方式的石墨烯碳纤维复合材料层合板结构，根据后掠翼的结构特点，计算亚音速下气动力表达式，建立此类新型复合材料层合板悬臂结构的非线性动力学模型，分析气动力作用下后掠翼结构的翼尖失速及颤振失稳问题，探讨这类复合层合结构复杂的非线性动力学行为和运动稳定性规律，并结合实验方法对石墨烯碳纤维树脂复合材料进行动力学设计及优化。通过本项目的研究内容，将推进石墨烯碳纤维复合材料层合结构的设计和发展，扩大石墨烯碳纤维复合材料的应用范围，探索此类新型结构潜在的优越性能，使其在航空航天领域发挥更大的作用。

石墨烯的出现为人类研发高性能的结构产品提供了新契机，石墨烯及其衍生复合材料的发展已被世界很多国家定为一种新型战略性材料。在“十三五”规划中，国家更是加大了对石墨烯等新型材料的政策偏移和投入，成为了我国材料结构领域的重要研究方向，目前我国在该领域的研究中处于世界领先水平。本项目以石墨烯碳纤维树脂复合材料为研究对象，通过广义连续介质理论，建立此类新型复合材料的本构模型，研究此类复合层合材料的应力传递方式和石墨烯对材料界面性能的改善作用。设计不同添加材料的组成方式，首次建立了三相复合宏微观结合的压电纤维石墨烯碳纤维复合材料层合板结构，根据不同的应用背景，建立了悬臂结构和四边简支情况下的非线性动力学模型，考虑电场，力场和热场的耦合效应，分析多物理场耦合作用下不同结构复杂的非线性动力学行为和运动稳定性规律，讨论了模态间强耦合，弱耦合和无耦合情况下，复合材料结构动力学响应的差异。详细描述了非线性参数的变化对不同模态间能量传递的影响，以及不同的非线性参数对模态响应的影响，通过相图给出了结构随外激励幅值增加过程中的响应变化，给出了自膨胀和多循环的现象。同时，对不同结构的内共振情况进行了讨论，分析了不同参数对1:1，1:2和1:3:3内共振情况下复合材料结构响应的影响，给出了混沌，周期等运动随外激励幅值增加的变化条件和范围。研究方法扩展方面，基于悬臂板结构，提出了新的罚函数表达形式，使得石墨烯复合结构固有频率的求解更为准确；微观尺度中，利用广义无耗散的热-弹耦合理论及Galerkin加权余量法建立了MFC-GP简支微板在非定常温度场下的热-弹耦合方程。因此，本项目的研究内容对石墨烯碳纤维树脂复合材料层合结构的非线性动力学特性进行了深入的分析，探讨了此类新型功能材料潜在的优越性能，并推动了此类新型复合材料在航空航天飞行器结构设计中的应用。