摘要
在过去许多年中，碳纳米管和石墨烯片等碳基材料已经被广泛用作纳米增强填充物并且引起了学者们的关注。在所有纳米增强填充物中，石墨烯片凭借其极高的杨氏模量、拉伸强度和较大的比表面积表现出优异的增强效果。石墨烯增强多孔复合材料兼具高强度、轻质性和良好的吸能性，能够促进先进复合材料的发展，它同时可以加快高科技智能材料、电磁吸能器件以及超级燃料电池等方面的工业化进程。圆柱壳在回转壳体结构中是比较常见的工程结构之一并且常常伴随着自旋运动，例如高速离心分离器和弹道导弹外壳。尽管目前文献中关于石墨烯增强复合材料结构的动力学特性和稳定性问题已有较多的研究成果，但是未见关于石墨烯增强多孔复合材料自旋圆柱壳静动力学问题的研究成果，此外目前也没有文献工作讨论自旋运动引起的离心力和科氏力以及环向拉伸对自旋壳体行波振动特性的影响效果，尤其是这些因素对自旋圆柱壳强迫振动幅频响应的作用机理。 本文旨在研究石墨烯增强多孔复合材料自旋圆柱壳在外载荷作用下的屈曲、线性和非线性振动特性以及壳体动力学响应。主要的研究内容如下： (1).考虑不同的石墨烯片以及孔隙分布方式，建立石墨烯增强多孔复合材料自旋圆柱壳模型。假设石墨烯片和孔隙在每一层同心圆柱层中含量相同、均匀且随机分布，其含量沿着壳体厚度方向连续变化，通过复合材料夹杂理论、修正的Halpin-Tsai微观力学模型以及闭胞体理论得到石墨烯增强多孔复合材料的有效材料属性。分别基于一阶剪切理论和Donnell壳体理论推导自旋圆柱壳运动控制方程。 (2).通过位移的级数形式展开求解圆柱壳体在轴向载荷以及径向压力共同作用下轴对称的前屈曲局部位移解析解。接着考虑壳体前屈曲局部变形，将壳体屈曲问题转化为特征值问题，研究圆柱壳体在轴向载荷以及径向压力共同作用下的临界屈曲载荷。 (3).分别基于壳体一阶剪切理论和Donnell壳体理论，讨论考虑壳体面内惯性和不考虑壳体面内惯性情况下的圆柱壳行波振动特性。探讨壳体面内惯性对圆柱壳行波频率计算准确性的影响，并给出对应的适用条件。通过数值算例分析各因素对壳行波频率的影响，着重研究由自旋运动引起的环向拉伸对圆柱壳体行波频率的影响机理。 (4).研究热环境中石墨烯增强环氧树脂复合材料自旋圆柱壳体的非线性自由振动和非线性强迫振动。基于Donnell壳体非线性运动控制方程，通过假设模态法推导得到复合材料自旋圆柱壳体在多种边界条件下的非线性频率。通过多重尺度法求解复合材料自旋圆柱壳体在主共振和1∶3亚谐共振响应下的幅频关系。给出数值算例并讨论系统各参数对自旋壳体非线性频率以及非线性简谐共振响应的影响。此外揭示由壳体自旋运动引起的离心效应和科氏效应对简谐共振响应的影响机理。 (5).基于Hertz接触理论，运用一个简化的弹簧-质量模型求解冲击球体与圆柱壳表面之间在冲击接触期间随时间变化的接触力。考虑热环境中轴向载荷作用下两端简支的复合材料自旋圆柱壳，运用杜哈美积分求解二阶运动微分方程得到柱壳响应的解析解。通过数值结果给出一种在低速冲击下表现优异的石墨烯片分布方式。
NETL