功能梯度碳纳米管增强复合材料板壳结构的振动控制及优化研究

The functionally graded carbon nanotube (FG-CNT) reinforced composite, with its exceptional mechanical, chemical, thermal and other properties, has excellent engineering application prospects in ocean engineering, marine transportation, and many other fields. This research proposes an improved macro-continuous constitutive model for FG-CNT reinforced composite to predict its effective material parameters so as to better understand its mechanical behavior. A meshless computational framework will be constructed to analyze the FG-CNT reinforced composite plate and shell structures with piezoelectric materials. It will be employed to compute the vibration solution of the FG-CNT reinforced composite structures with integrated piezoelectric sensors and actuators. Moreover, a particle swarm optimization algorithm will be developed for searching the optimal placement of piezoelectric sensors and actuators on the FG-CNT reinforced composite, based upon its shape control. Currently, there are no existing numerical studies on the vibration control of FG-CNT reinforced composite plate and shell structures based on meshless methods. Also, no existing studies can be found on the optimization study of sensor distributions on the FG-CNT reinforced composite plate and shell structures subject to vibration. To fill this apparent void, this research proposal will provide a theoretical and computational framework for the practical application of FG-CNT reinforced composites on the optimal vibration control.

功能梯度碳纳米管增强复合材料具有优良的力学、化学、电学及热力学性能，因此在海洋工程和船舶运输等领域具有良好的应用前景，为了使其得到更好的应用，本研究拟改进功能梯度碳纳米管增强复合材料的宏观连续本构模型，预测功能梯度碳纳米管增强复合材料的有效材料参数；提出合适的无网格计算体系，以功能梯度碳纳米管增强复合结构与压电材料组成的智能结构为研究对象，对功能梯度碳纳米管增强复合材料板壳结构的振动控制进行数值模拟；结合振形分析，建立微粒群优化算法,拟实现压电智能传感与作动装置在功能梯度碳纳米管增强复合结构上的最优布置。当前利用无网格法对结构控制进行数值分析，并对传感器分布进行优化设计的系统性研究尚未见报道，本项目的研究将为功能梯度碳纳米管增强复合材料的实际应用提供一定的理论和计算基础。

碳纳米管增强复合材料由于其优越的力学、电化学性能及可设计性，在海洋工程及船舶运输等领域具有广阔的应用前景。本项目提出了针对碳纳米管增强复材板壳结构振动问题的IMLS-Ritz无网格数值计算方法, 避免了传统有限元法由于单元变形而引起的解不收敛或误差较大的问题，改进了功能梯度碳纳米管增强复合材料的宏观连续本构模型，研究了不同结构参数和外部边界条件下的振动模态和频率，基于压电元件实现了功能梯度碳纳米管增强复合材料板壳结构的有效主动控制，以及对结构振动控制的优化。本研究表明，在振动方面，碳纳米管的分布构型和体积分数均会显著影响碳纳米管增强复合材料结构的振动频率，因此在构件设计中，可以通过改变碳纳米管在基体中的非均匀分布形式来定制具有特定振动频率的碳纳米管增强复合材料，并优化材料性能，实现其功能梯度化。在振动控制及优化方面，推导出了粘贴在结构上下表面的压电作动器和传感器的位移场，结合振动模态，通过建立遗传算法获得了压电片的最优布置位置，即压电片作动器和传感器粘贴在构件的前两阶振型的峰值位置之间时振动控制效率最高，与理论高度吻合。同时研究表明，压电片的数量并非与控制效果正相关，过多的压电片会造成干扰和误差叠加，并在相当长一段时间内无法消除残余振动，因此本项目也给出了压电片数量的最优解。碳纳米管增强复合材料结构在服役过程中，振动及振动控制对其耐用性和安全性有着决定性的影响，而有关碳纳米管增强复合材料在这方面的研究仍非常有限，本项目的顺利实施为功能梯度碳纳米管增强复合材料在实际工程中的应用提供了一定的理论依据和计算基础。