薄膜結(jié)構(gòu)的屈曲與振動(dòng)特性研究

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1、碩士學(xué)位論文薄膜結(jié)構(gòu)的屈曲與振動(dòng)特性研究RESEARCHESONBUCKLINGANDVIBRATIONCHARACTERISTICSOFMEMBRANESTRUCTURES張錦萊哈爾濱工業(yè)大學(xué)2015年6月國(guó)內(nèi)圖書分類號(hào)：O343.9學(xué)校代碼：10213國(guó)際圖書分類號(hào)：621密級(jí)：公開工程碩士學(xué)位論文薄膜結(jié)構(gòu)的屈曲與振動(dòng)特性研究碩士研究生：張錦萊導(dǎo)師：王長(zhǎng)國(guó)教授申請(qǐng)學(xué)位：工程碩士學(xué)科：航天工程所在單位：復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所答辯日期：2015年6月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)ClassifiedIndex:O343.9U.D.C:621DissertationfortheMast

2、erDegreeinEngineeringRESEARCHESONBUCKLINGANDVIBRATIONCHARACTERISTICSOFMEMBRANESTRUCTURESCandidate：JinlaiZhangSupervisor：Prof.ChangguoWangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：AerospaceEngineeringAffiliation：CenterforCompositeMaterialsDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-I

3、nstitution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要薄膜結(jié)構(gòu)以其質(zhì)輕、柔性及可功能化的優(yōu)點(diǎn)，可以制成能夠高效折疊和可靠展開的空間充氣展開結(jié)構(gòu)。空間充氣展開結(jié)構(gòu)重量輕，包裝體積小，降低了研究和制造的成本。由于薄膜結(jié)構(gòu)抗彎剛度很小，在外部載荷作用下有明顯的大變形特征，容易發(fā)生屈曲失穩(wěn)，產(chǎn)生褶皺。褶皺的存在會(huì)影響薄膜結(jié)構(gòu)的面形精度和穩(wěn)定性，進(jìn)而對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性造成影響。因此，研究薄膜結(jié)構(gòu)的屈曲及其對(duì)振動(dòng)特性的影響規(guī)律具有重要意義。本文以圓環(huán)薄膜結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，圍繞屈曲和振動(dòng)問題展開研究。通過數(shù)值計(jì)算、試驗(yàn)測(cè)試、理論分析，掌握薄膜結(jié)構(gòu)的屈曲與振動(dòng)特

4、性研究方法，獲得不同工況下薄膜結(jié)構(gòu)的臨界屈曲載荷和屈曲褶皺構(gòu)型，探尋褶皺對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的影響規(guī)律。通過數(shù)值計(jì)算研究了圓環(huán)薄膜結(jié)構(gòu)在中心扭轉(zhuǎn)載荷作用下的屈曲與振動(dòng)特性。通過屈曲分析確定了各階臨界屈曲載荷及相應(yīng)的屈曲模態(tài)?；谥苯訑_動(dòng)法對(duì)含缺陷的圓環(huán)薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性屈曲分析，得到不同中心扭轉(zhuǎn)載荷作用下的褶皺構(gòu)型。此外，研究了圓環(huán)薄膜結(jié)構(gòu)參數(shù)（內(nèi)外徑比、彈性模量、厚度）對(duì)臨界屈曲載荷的影響規(guī)律。通過對(duì)屈曲前和屈曲后的圓環(huán)薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得到了屈曲對(duì)圓環(huán)薄膜結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的影響規(guī)律。采用基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的非接觸式測(cè)量方法，對(duì)圓環(huán)薄膜結(jié)構(gòu)的屈曲及振動(dòng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。得到了

5、圓環(huán)薄膜結(jié)構(gòu)在中心扭轉(zhuǎn)載荷作用下的屈曲褶皺構(gòu)型及屈前屈后振動(dòng)模態(tài)，與相應(yīng)的數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)存在的誤差給出了解釋。利用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)兩種增強(qiáng)方向不同的極正交各向異性圓環(huán)薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了屈曲分析，與各向同性圓環(huán)薄膜結(jié)構(gòu)的臨界屈曲載荷及屈曲模態(tài)進(jìn)行對(duì)比，找到了一定的規(guī)律。通過非線性屈曲分析，對(duì)比了在某一確定載荷作用下極正交各向異性圓環(huán)薄膜結(jié)構(gòu)與各向同性圓環(huán)薄膜結(jié)構(gòu)的屈曲褶皺構(gòu)型的異同。此外，對(duì)屈曲前和屈曲后的極正交各向異性圓環(huán)薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，與各向同性圓環(huán)薄膜結(jié)構(gòu)的屈前屈后振動(dòng)頻率、模態(tài)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了規(guī)律的一致性。通過理論分析研究了圓環(huán)薄膜結(jié)構(gòu)在中心扭轉(zhuǎn)載荷作用下的屈曲起

6、皺。對(duì)極正交各向異性圓環(huán)薄膜結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剪切起皺進(jìn)行分析，給出無量綱形式的屈曲控制方程。以各向同性圓環(huán)薄膜結(jié)構(gòu)為例，用有限差分法對(duì)圓環(huán)薄膜結(jié)構(gòu)的臨界屈-I-摘要曲載荷及面外褶皺構(gòu)型進(jìn)行求解。通過MATLAB求解并仿真得到圓環(huán)薄膜結(jié)構(gòu)的面外褶皺構(gòu)型，與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果基本一致。關(guān)鍵詞：薄膜結(jié)構(gòu)；屈曲；振動(dòng)特性；褶皺-II-AbstractAbstractWiththeadvantagesoflight,flexible,andfunctional,membranestructurecanbemadeintospaceinflatablestructures,whichcan

7、foldefficientlyanddeployinareliableway.Thelightweightandsmallpackingvolumeofspaceinflatablestructurereducethecostofresearchingandmanufacturing.Membranestructurehasobviouscharacteristicsoflargedeformationunderexternalloadforitssmallbendingstif