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蜂窝夹层板的非线性动力学研究1
刘长亮,张伟,陈丽华,
北京工业大学机电学院,北京100022
摘 要:本文研究了正六角形蜂窝芯的蜂窝夹层板的非线性动力学问题。以飞机飞行中机翼的颤
振为实际工程背景,考虑面内载荷和横向载荷的联合作用,应用 Hamilton 原理建立四边简支蜂
窝夹层板的动力学控制方程。运用Galerkin 方法对偏微分方程进行离散,对离散后的方程进行数
值模拟,分别研究面内载荷和横向载荷的力幅和频率对系统复杂非线性动力学行为的影响。通过
分析可以发现:面内载荷和横向载荷对蜂窝夹层板的振动有非常显著的影响,在不同的取值范围,
存在不同的动力学现象。本文得到的结果为蜂窝夹层板的设计和实际应用提供了理论依据和数值
参考。
关键词:蜂窝夹层板;非线性动力学;混沌;分岔
1 国家杰出青年科学基金项目、 国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金项目
和国家自然科学基金、先进制造技术北京市重点实验室开放课题(JH001011200801 )
herofly2007@
1
引言
蜂窝结构材料最早用于航空航天领域,它是应航空航天科技的特殊需要而发展
起来的一种超轻型的复合材料。从上世纪30 年代最早的用于制造飞机的夹层结构的
六角型铝蜂窝芯,到70 年代美国波音公司的Boeing747 飞机率先使用非金属的蜂窝
复合板作为飞机的地板,到如今,蜂窝复合材料已在飞机、火箭及太空飞船等航空
航天器上得到广泛的使用。
蜂窝夹层板是一种复合层合结构,它由上下较薄的蒙皮层和中间一个较厚的蜂
窝芯通过粘结、压制而构成的。对于蜂窝夹层板的研究,最早 Gibson 和 Ashby[1-2]
等人对蜂窝芯结构做了大量研究,编写了专著《Cellular Solids :structure and
properties 》,成为研究多胞领域的指导用书。而后王颖坚[3]指出Gibson 公式推导过程
中没有考虑蜂窝壁弯矩的作用,变形模式不满足平衡条件,并在Gibson 的基础上修
正了面内剪切模量公式。1997 年,Millar[4]研究了声载荷下蜂窝夹层板的动力学行为。
1999年,Oskooei[5]和 Lok[6]研究了具有单一材料芯层的夹层板,他们运用一般均质
层理论,并认为一般均质层理论在板尺寸远远大于芯尺寸时完全适用。2000 年,
White[7]等人各种设计参数对双曲复合夹层板自由振动的影响。2002 年,Nilsson[8]采
用克希霍夫假设下的经典板壳理论建立了横向均布外激励和横向弯矩联合作用下蜂
窝夹层板的动力学方程,得到了固有频率与蜂窝板几何物理参数表达式。2005年,
Yu[9]等人分别运用经典薄板理论,一阶剪切变形理论和 Reddy 的三阶剪切变形理论
研究了蜂窝板的自由振动,文章表明 Reddy 的三阶剪切变形理论更加适用于具有一
定厚度的蜂窝夹层板的研究。2009 年,Li[10]等人运用了修正后的Reddy 三阶剪切变
形理论研究了蜂窝夹层板的自由振动,并和实验结果和有限元分析进行了比较。
从目前能够得到的文献来看,研究不同参数变化下,蜂窝夹层板的长期非线性
动力学行为和特征的工作目前开展的不多,尤其是复杂的分岔和混沌现象,这方面
的文献鲜有报道。而蜂窝夹层板已在航空航天等领域应用广泛,并在一些重要结构
中充当承力部件,但由于其特殊的蜂窝结构,使其在受力时发生变形比较大,所以
用非线性理论研究蜂窝夹层板结构,并考察不同参数对非线性振动特性的影响,具
有重要的理论和实际意义。
本文以面内激励和横向外激励联合作用下的四边简支蜂窝夹层板为研究对象。
运用经典的薄板理论和Van Karm 大变形理论,考虑阻尼对系统的影响,建立了非线
性动力学方程,综合运用 Galerkin 方法和数值方法研究了蜂窝夹层板的非线性动力
学行为。
2
1. 蜂窝夹层板的动力学模型
蜂窝夹层板的力学模型如图2
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