六层非对称正交双稳态复合材料层合板的动态跳跃研究1)

董 挺 张 伟

(北京工业大学材料与制造学部,机械结构非线性振动与强度北京市重点实验室,北京 100124)

双稳态复合材料层合板壳结构包括非对称、反对称等类型,具备较强的承载、变形能力和良好的轻质性,正日益成为航空航天领域关注的研究对象。在残余应力和几何非线性共同作用下,非对称铺设的复合材料层合板在固化之后会产生两个稳定的平衡构型和一个不稳定的平衡构型,从而形成了双稳态复合材料层合板。两个稳定平衡构型不需要持续的能量输入就能被维持并且在输入特定能量的情况下可以通过跳跃(snap-through) 实现互相转换。本文以六层非对称正交双稳态复合材料层合板为研究对象,分析了双稳态复合材料层合板在动态激励作用下发生的周期振动、概周期振动、混沌振动和动态跳跃现象。

双稳态板壳结构有望被应用于减振器[1-2]、飞行器[3]和能量采集器[4]等。Cantera 等[5]通过在四个角处施加垂直机械力研究了双稳态板的静态跳跃过程。Vogl 等[6]利用瑞利李兹技术和哈密顿原理研究了非对称正交双稳态复合材料层合板的自由振动问题。Arrieta 等[7]建立了非对称双稳态复合材料层合板的单稳态低阶非线性动力学模型。Taki 等[8]利用瑞利李兹技术和哈密顿原理建立了表面铺设压电层的非对称正交双稳态复合材料层合板的动力学模型。Bilgen 等[9]详细研究了双稳态翼形复合材料层合板的气动响应。Arrieta 等[10]对非对称机翼状双稳态复合材料层合板的动态响应和气动特性进行了理论和实验研究。Zhang 等[11-12]研究了非对称正交双稳态复合材料层合板在基础激励作用下的动态跳跃现象、非线性振动、双激励多稳定性、Shilnikov 型多脉冲跳跃混沌振动及亚稳态混沌振动。

目前有关双稳态板动态跳跃的研究主要以实验研究为主,而针对双稳态板的理论研究基本都是围绕某一个稳定平衡状态的局部动力学研究。本文通过理论建模的方式研究了六层非对称正交双稳态复合材料层合板的动态跳跃和非线性振动。

1 动力学模型

本文的研究对象为六层非对称正交双稳态复合材料层合板,如图1 所示。边界条件为中心固支和四边自由,如图1(a) 所示。双稳态复合材料层合板的两个稳定的平衡状态如图1(b) 所示。铺设顺序为非对称铺设顺序(0/0/0/90/90/90),即前三层纤维的铺设角度θ= 0◦,后三层纤维的铺设角度θ= 90◦,如图1(c) 所示。在板的中心处建立直角坐标系oxyz。板的几何尺寸长、宽和厚度分别为2Lx,2Ly和2H。每层纤维的厚度为h。作用在支撑杆件上的基础激励为Y。

图1 双稳态复合材料层合板模型Fig.1 The model of the bistable composite laminated plate

根据Reddy 三阶剪切变形板理论,非对称正交双稳态复合材料层合板的位移场可以写成

其中u0,v0和w0分别表示六层非对称双稳态板中面上任意一点沿x,y和z方向的位移,ϕx和ϕy分别为中面横向法线绕y轴和x轴的转角。

基于几何非线性理论,得到非线性应变位移关系为

其中

每层的本构关系可以表示为

其中其中,αxx和αyy分别表示双稳态板沿x轴和y轴的热膨胀系数,θ表示纤维的铺设角度,Qij代表刚度系数,并表示为

其中,E11表示纵向弹性模量,E22表示横向弹性模量,v12和v21表示泊松比,G12和G13表示剪切模量。

根据Hamilton 原理,可以得到六层非对称正交双稳态复合材料层合板的非线性偏微分控制方程

其中,与应变和曲率相关的应力合力和合力矩可表示成

刚度单元和各阶惯性项系数可以表示为

根据文献[13],双稳态复合材料层合板的位移可以表示为

引入无量纲表达式

由于双稳态复合材料层合板的主要振动形式为横向振动,因此,忽略式(6)中与面内振动和扭转振动相关的时间项,用横向位移w0表示面内和扭转位移分量u0,v0,ϕx和ϕy,将式(9)代入式(6)并利用式(10),最终得到与双稳态板横向振动相关的无量纲常微分方程

为了便于分析,我们将在以下的分析中忽略无量纲方程中的无量纲符号。

2 数值模拟

为了研究双稳态板的动态跳跃现象和非线性振动,采用Runge–Kutta 算法数值求解常微分方程(11a)(11b)。以激励幅值为控制参数,得到了李雅普诺夫指数图(图2)、时间历程图(图3) 和庞加莱截面图(图4)。

图2 双稳态复合材料层合板以外激励幅值为控制参数的李雅普诺夫指数图Fig.2 The Lyapunov exponent diagram of the bistable composite laminated plate with the base excitation amplitude as the control parameter

图3 双稳态复合材料层合板的动态跳跃现象Fig.3 The dynamic snap-through of the bistable composite laminated plate

我们可以通过李雅普诺夫指数图和庞加莱截面图确定系统的振动形式。由图2 可知,双稳态板的非线性振动包括周期振动、概周期振动和混沌振动。由图3 可知,双稳态板在发生动态跳跃的同时也发生了混沌振动,即双稳态板在混沌振动的过程中发生了动态跳跃。当激励幅值比较小时,双稳态复合材料层合板围绕上平衡点做小振幅的周期振动,如图4(a) 所示。逐步增大激励幅值,双稳态复合材料层合板围绕上平衡点做小振幅的概周期振动,如图4(b) 所示。继续增大激励幅值,双稳态复合材料层合板逐渐偏离上平衡点,在上平衡点附近做振幅比较大的混沌振动,如图4(c) 所示。当激励幅值增大至某一范围时,双稳态复合材料层合板不再只围绕上平衡点发生振动,而是在上下两个平衡点之间做大振幅的动态跳跃,如图3 和图4(d) 所示。当激励幅值超过某一值后,双稳态复合材料层合板不再发生跳跃,而是在下平衡点附近做振幅较小的概周期振动,如图4(e)所示。当激励幅值进一步增大时,双稳态复合材料层合板围绕下平衡点做振幅较小的周期振动,如图4(f)所示。由此可知,激励幅值并不是越大就越好,激励幅值过大,不一定发生动态跳跃,动态跳跃其实是激励幅值和频率共同作用的结果。

图4 双稳态复合材料层合板的庞加莱截面Fig.4 The Poincar´e maps of the bistable composite laminated plate

3 结论

本文以中心固支四边自由为边界条件的六层非对称正交双稳态复合材料层合板为研究对象。考虑几何非线性,基于三阶剪切变形理论和哈密顿原理建立动力学与控制方程。研究了基础激励幅值对双稳态复合材料层合板非线性振动和动态跳跃的影响。

改变基础激励幅值,双稳态复合材料层合板发生了动态跳跃,并且分别围绕两个平衡点发生了非线性振动。动态跳跃的发生是激励幅值和频率共同作用的结果。双稳态复合材料层合板在整个过程中发生了周期振动、概周期振动和混沌振动。混沌振动是发生动态跳跃的有利条件。

本文的研究可以为双稳态能量采集器、可变体飞行器和结构变形的压电驱动装置提供理论依据。