双层复合材料系统屈曲的非局部分析

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复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学复合而成。复合材料的历史可追溯很远,如从古沿用迄今的稻草增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种及以上不同材料复合而成。复合材料可以发挥各种组成材料的优点,克服单一材料的缺陷,从而扩大了材料的应用范围。一般来说,复合材料具有重量轻、强度高、弹性优良、耐化学腐蚀和耐高温等优良特点,所以广泛应用于航空航天、汽车、建筑、衣料等领域。当组成材料的粒子尺寸进入纳米量级(91nm10 m(28)-)时,它将具有量子尺度效应、小尺度效应、表面效应和宏观量子隧道效应,因而展现出许多特有的性质,使得微纳米复合材料在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等方面有广阔的应用前景,同时也将推动基础研究的发展。本文以非局部理论研究了微纳米复合材料系统的表面屈曲现象,主要工作如下:(1)利用非局部弹性板理论,考察了双层复合微纳板的轴压屈曲行为。通过微纳板的轴压情况(单轴和双轴),得到了微纳板系统发生表面屈曲的条件,并且讨论了屈曲行为的非局部效应,微纳板间弹性模量比和厚度比、层间粘接强度以及微纳板的几何参数等对屈曲行为的尺度效应。研究结果表明,微纳板层间的粘接能力强弱决定了系统是否发生表面屈曲,同时非局部参数不但可降低系统的临界屈曲载荷,而且可改变系统的临界屈曲模态。(2)利用非局部弹性圆柱壳理论,考察了双层复合圆柱壳的轴压屈曲行为。通过圆柱壳的屈曲变形情况(轴对称屈曲和非轴对称屈曲),得到了圆柱壳系统发生表面屈曲的条件,并且讨论了屈曲行为的非局部效应,内外径的半径比、组成材料间弹性模量比、厚度比、层间粘接强度以及微纳圆柱壳的几何参数等对屈曲行为的尺度效应。研究结果表明长薄圆柱壳更易发生屈曲现象。(3)基于非局部弹性理论,对微纳板和弹性基体分别建模,考察了粘接在弹性基体上微纳板的波浪形屈曲行为。分别就弹性基体的不同下表面条件(即完全粘接界面和自由滑移界面)的情况,解析求出了相对应的Winkler弹性系数,而后讨论了弹性基体的泊松比、微纳板和弹性基体间的厚度比和弹性模量比等对屈曲行为的尺度效应和非局部效应。由于引入非局部参数后,微纳板的有效抗弯刚度下降,微纳板受到弹性基体的反作用力也发生下降,所以微纳板较易发生短波长的屈曲现象。另外,与自由滑移界面情况相比,完全粘接界面的载荷高而波长短。(4)基于非局部弹性理论,对圆柱壳和弹性体分别建模,考察了包裹弹性体的圆柱壳环向屈曲行为。分别就弹性体的不同内表面条件(即完全粘接界面和自由滑移界面)的情况,解析求出了相对应的Winkler弹性系数,而后讨论了弹性体的泊松比、圆柱壳和弹性体间的厚度比和弹性模量比以及圆柱壳的径厚比对屈曲行为的尺度效应和非局部效应。由于引入非局部参数后,圆柱壳的有效抗弯刚度下降,圆柱壳受到弹性体的反作用力也发生下降,所以圆柱壳也较易发生屈曲现象,但由于环向封闭性,临界屈曲半波数应为正整数,所以半波数可能并不会发生改变。
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