石墨烯增强复合材料板的力学行为研究

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以石墨烯及其衍生物作为增强材料的复合材料受到了广大关注。石墨烯作为增强材料具有优异的增强性能,在纯基体中添加少许的由若干层石墨烯片组成的石墨烯小块(graphene nanoplatelets,GPLs)可以显著提高复合材料的力学性能。本文以石墨烯增强复合材料板作为研究对象,提出了一种类似夹芯结构的石墨烯分布模式,并将其与功能梯度石墨烯分布模式的增强效果进行对比。基于一阶剪切变形理论和经典层合板理论,对不同GPLs分布模式的石墨烯增强复合材料板的各种力学行为进行了研究。复合材料板的等效杨氏模量、密度和泊松比通过修正后的Halpin-Tsai模型和混合准则进行估算,在哈密顿原理的基础上建立了石墨烯增强复合材料板的运动控制方程。根据GPLs的分布模式,研究主要分为功能梯度石墨烯增强复合材料板和类夹芯石墨烯增强复合材料板两种类型:(1)研究了功能梯度石墨烯增强复合材料板在横向载荷下的的非线性动力学行为。利用伽辽金(Galerkin)法对石墨烯增强复合材料板的非线性运动控制方程进行离散,整理得到二阶常微分方程,并运用四阶龙格库塔法和多尺度法进行求解计算,得到不同参数下功能梯度石墨烯增强复合材料板的扫频响应图、冲击响应图和力幅响应图,并对其随不同参数的变化趋势进行了分析。(2)研究了类夹芯石墨烯增强复合材料板的自由振动行为。基于经典层合板理论,利用伽辽金法离散了复合材料板的运动控制方程,计算出四边简支和四边固支两种边界条件下复合材料板的固有频率,研究了分层数和石墨烯质量分数对其固有频率的影响。同时,研究了不同基体材料对类夹芯分布石墨烯增强复合材料板的固有频率的影响,以及分析其固有频率与基体密度比值随不同参数的变化。(3)研究了类夹芯石墨烯增强复合材料板的非线性力学行为。利用伽辽金法将石墨烯增强复合材料板的运动控制偏微分方程离散成二阶常微分方程,然后运用四阶龙格库塔法对其进行求解计算复合材料板的力学响应,并将类夹芯石墨烯增强复合材料板与功能梯度石墨烯增强复合材料板的无量纲固有频率,静态弯曲行为和扫频响应进行对比。此外,利用Navier法,数值计算得到石墨烯增强复合材料板的面内正应力和层间剪切应力。
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