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石墨烯增强复合材料截顶圆锥壳的自由振动

力学研究 2019年第2期8卷 101-108页

作者：王一安盛炎平蒋鹏程北京信息科技大学理学院北京

石墨烯增强复合材料是一种新一代的先进复合材料,在这种材料中,由若干层石墨烯片叠加而成的石墨烯小块作为颗粒增强体随机或均匀地分布在基体中,在厚度方向上按照某种规律逐层呈梯度或均匀排布。石墨烯增强复合材料及其结构的力学行为... 详细信息

石墨烯增强复合材料是一种新一代的先进复合材料,在这种材料中,由若干层石墨烯片叠加而成的石墨烯小块作为颗粒增强体随机或均匀地分布在基体中,在厚度方向上按照某种规律逐层呈梯度或均匀排布。石墨烯增强复合材料及其结构的力学行为已成为近年来学术界的研究热点。基于Rayleigh-Ritz数值算法,得到石墨烯增强复合材料截顶圆锥壳在简支边界条件下自由振动的固有频率。数值实验表明:石墨烯增强复合材料截顶圆锥壳的无量纲化基频随着石墨烯含量的增加而单调增加,且受其分布模式的影响很大;随着半顶角的增大先单调增加后单调减少;随着壳体底面半径与厚度的的增加而单调增加。

关键词：石墨烯增强复合材料截顶圆锥壳自由振动 Rayleigh-Ritz

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石墨烯增强复合材料板的静态分析

北京信息科技大学学报（自然科学版） 2019年第3期34卷 1-5页

作者：王爱文王一安蒋鹏程北京信息科技大学理学院

将石墨烯片一致或随机地分布到基体中,形成石墨烯增强复合材料。基于考虑横向拉伸的位移场,利用哈密顿原理建立数学模型,对石墨烯增强复合材料板的弯曲行为进行分析。首先通过与已发表文献中板的自由振动频率一致性的比较,验证所建立数... 详细信息

将石墨烯片一致或随机地分布到基体中,形成石墨烯增强复合材料。基于考虑横向拉伸的位移场,利用哈密顿原理建立数学模型,对石墨烯增强复合材料板的弯曲行为进行分析。首先通过与已发表文献中板的自由振动频率一致性的比较,验证所建立数学模型与算法的正确性。在此基础上,对石墨烯含量、长宽比、长厚比、板的长宽比等对石墨烯的中心横向位移在厚度方向上变化的影响进行了探讨,并给出了相应的物理解释。

关键词：石墨烯增强复合材料横向拉伸弯曲

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3D打印石墨烯增强复合材料研究进展

材料导报 2020年第9期34卷 86-94页

作者：仪登豪冯英豪张锦芳李晓峰刘斌梁敏洁白培康中北大学材料科学与工程学院太原030051 河南黄河旋风股份有限公司长葛461500

近年来,石墨烯优异的力学、热学性能以及大规模量产的可行性,使其成为了研究热点。将石墨烯作为增强相添加到金属、聚合物及陶瓷等材料中,有望提高复合材料的综合性能。针对复合材料性能优化的需求,各种用于制备石墨烯增强复合材料的制... 详细信息

近年来,石墨烯优异的力学、热学性能以及大规模量产的可行性,使其成为了研究热点。将石墨烯作为增强相添加到金属、聚合物及陶瓷等材料中,有望提高复合材料的综合性能。针对复合材料性能优化的需求,各种用于制备石墨烯增强复合材料的制造方法应运而生。其中,3D打印技术兼具工艺灵活和制备的产品性能优异的优点,引起了学者的广泛关注。然而,石墨烯自身密度低、比表面积大且易团聚,对复合材料的力学性能会造成不利影响,且其与陶瓷或金属基体的润湿性差,无法形成良好的界面结合。因此,如何将石墨烯均匀分散于复合材料中一直是学者们的研究重点,目前开发的分散方法有溶液混合法、熔体混合法、原位混合法和机械球磨法等。其中,将石墨烯分散于金属基粉体或陶瓷基粉体中的方法主要有溶液混合和机械球磨,石墨烯均匀分散于基体中不仅能提高复合材料的力学性能,还能改善其与基体的界面结合。研究较多的石墨烯增强聚合物复合材料混合方法主要有溶液混合、熔体混合和原位混合等,利用上述方法得到的三维样品力学性能、导热和导电性能均有较大提升,且应用于生物医学或储能领域表现出良好的生物或电学性能。本文从金属基复合材料、聚合物基复合材料及陶瓷基复合材料三个方面综述了3D打印石墨烯增强复合材料的研究进展,从制粉和成形两个角度详细阐述了石墨烯增强复合材料在3D打印方面的应用。期待未来石墨烯增强复合材料可以广泛应用于能源器件、生物支架及航天航空等领域,为材料的研究拓展更广阔的空间。

关键词： 3D打印石墨烯增强复合材料金属高分子聚合物陶瓷

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功能梯度石墨烯增强复合材料板的自由振动

应用力学学报 2020年第2期37卷 558-565,I0006,I0007页

作者：庞有卿王爱文郝育新陈鸿燕北京信息科技大学理学院北京100192 北京工业大学机电工程学院北京100022 北京信息科技大学机电工程学院北京100192

基于高阶函数剪切变形板理论,研究了可移动简支边界条件下功能梯度石墨烯增强复合材料板的自由振动。利用修正的Halpin-Tsai模型估计了复合材料的等效杨氏模量。基于Hamilton原理构建其偏微分方程。通过Navier方法计算得到了板的量纲为... 详细信息

基于高阶函数剪切变形板理论,研究了可移动简支边界条件下功能梯度石墨烯增强复合材料板的自由振动。利用修正的Halpin-Tsai模型估计了复合材料的等效杨氏模量。基于Hamilton原理构建其偏微分方程。通过Navier方法计算得到了板的量纲为一的频率,并与已有成果进行了比较,验证了本文计算模型的优越性。数值计算结果表明:功能梯度石墨烯增强复合材料板的量纲为一的基频受石墨烯小块的分布模式影响很大,随着石墨烯含量的增加而单调增加;固定石墨烯小块的厚度和长宽比,量纲为一的基频随着长厚比的增加而单调增加。

关键词：功能梯度石墨烯增强复合材料高阶剪切变形理论自由振动

含基体裂纹石墨烯增强功能梯度复合材料旋转圆柱壳振动特性研究

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含基体裂纹石墨烯增强功能梯度复合材料旋转圆柱壳振动特性研究

作者：杜雪琳天津大学

学位级别：硕士

旋转圆柱壳已被广泛应用于旋转机械。复合材料圆柱壳在循环载荷下容易产生基体裂纹,基体裂纹的存在会导致结构失稳破坏。本文为含基体裂纹石墨烯增强功能梯度复合材料旋转圆柱壳的振动特性研究提供了一种有效的方法,这对于此类构件的设... 详细信息

旋转圆柱壳已被广泛应用于旋转机械。复合材料圆柱壳在循环载荷下容易产生基体裂纹,基体裂纹的存在会导致结构失稳破坏。本文为含基体裂纹石墨烯增强功能梯度复合材料旋转圆柱壳的振动特性研究提供了一种有效的方法,这对于此类构件的设计制造具有很大的参考价值。本文主要研究了含基体裂纹石墨烯增强功能梯度复合材料旋转圆柱壳的线性振动和非线性振动。主要的研究内容如下:1.利用改进的Halpin-Tsai模型确定石墨烯增强功能梯度复合材料旋转圆柱壳在每层的杨氏模量,基于复合材料夹杂理论获取其各层的质量密度和泊松比,依据自洽模型计算含基体裂纹石墨烯增强功能梯度复合材料旋转圆柱壳的刚度矩阵。通过一阶剪切变形理论得到旋转圆柱壳的能量函数,应用全变换方法施加边界条件,基于改进的移动最小二乘Ritz方法近似位移场,导出旋转圆柱壳的离散振动方程。2.将本文所得固有频率结果与之前发表论文中的结果进行比较,验证了本方法的正确性。然后全面考察了基体裂纹密度参数、转速、石墨相关各项参数以及圆柱壳的形状和边界条件对临界转速和固有频率的影响。所得结果显示,基体裂纹密度越高,临界转速和固有频率越低。3.在一阶剪切变形理论的基础上,结合几何非线性推导旋转圆柱壳的非线性动力学模型。应用无网格IMLS-Ritz方法和直接迭代法获取旋转圆柱壳的非线性共振频率。对获得的结果进行了详细的验证,证明了所使用方法的有效性。最后,详细讨论了不同设计参数对非线性共振频率的影响。结果发现,非线性共振频率随石墨烯质量分数、长厚比和圆柱壳的厚度半径比的增加而增加,随石墨烯长宽比和圆柱壳长半径比减小而增加。

关键词：石墨烯增强复合材料旋转圆柱壳基体裂纹几何非线性 IMLS-Ritz方法

功能梯度石墨烯增强复合材料扁壳的力学行为研究

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功能梯度石墨烯增强复合材料扁壳的力学行为研究

作者：陈鸿燕北京信息科技大学

学位级别：硕士

自然界中存在着大量的石墨烯及其衍生物,它们拥有优良的机械,电学和热学性能。研究表明,将少量的石墨烯作为复合材料的增强体,与传统碳纤维材料相比,更能显著地提高复合材料系统结构的刚度和强度。将由多层石墨烯片叠成的石墨烯小块作... 详细信息

自然界中存在着大量的石墨烯及其衍生物,它们拥有优良的机械,电学和热学性能。研究表明,将少量的石墨烯作为复合材料的增强体,与传统碳纤维材料相比,更能显著地提高复合材料系统结构的刚度和强度。将由多层石墨烯片叠成的石墨烯小块作为增强体随机或均匀地散布在基体材料中,石墨烯含量沿厚度方向呈梯度或均匀分布形成的一种新型复合材料,功能梯度石墨烯增强复合材料,是目前研究的热点。为其与不同结构结合在工程中能得到更好的应用,对其力学行为进行研究是十分必要的。本文基于高阶剪切变形理论(The higher order shear deformation theory)和冯卡门(von-Karman)应变位移关系研究了功能梯度石墨烯增强复合材料扁壳在不同石墨烯小块分布模式下的多种力学行为。利用修正的Halpin-Tsai模型估计复合材料的等效杨氏模量,利用混合准则计算复合材料的等效泊松比和密度,基于哈密顿原理(Hamilton)得到简支条件下该扁壳的动力学方程,从以下4个方面进行研究:(1)研究了功能梯度石墨烯增强复合材料扁壳的自由振动行为和静态弯曲变形。利用Navier法,数值计算得到结构自由振动的固有频率和静态弯曲中心变形位移,所得数值结果与已有文献及ANSYS有限元计算所得结果均一致,证明了本文理论及方法的正确性和精确性。此外,还对石墨烯小块的分布模式、重量分数、分层数、几何尺寸等参数对系统力学行为的影响进行了讨论。(2)研究了功能梯度石墨烯增强复合材料扁壳在横向及面内激励联合作用下的非线性动力学行为。运用伽辽金(Galerkin)法将运动控制偏微分方程转化为二阶非线性常微分方程,并在此基础上运用四阶龙格库塔法计算其数值结果,获得在不同石墨烯小块重量分数、分布模式和几何尺寸下系统的分岔图、最大李雅普诺夫指数图、波形图、二维及三维相位图,并对其周期混沌及分岔行为进行了分析。(3)研究了功能梯度石墨烯增强复合材料扁壳在空气爆炸载荷作用下的非线性瞬态行为。基于Galerkin法将得到的控制方程转化为一组二阶常微分方程,用欧拉隐式差分和牛顿迭代法进行数值求解,基于得到的数值结果分析了石墨烯小块及爆炸载荷相关参数对结构非线性瞬态动力学响应的影响。(4)研究了带曲率修正项的气动力下功能梯度石墨烯增强复合材料扁球壳的颤振特性。基于伽辽金法获得截断的六阶颤振方程,通过系统的特征值响应曲线和四阶龙格库塔法得到的数值结果分析不同石墨烯小块的质量分数、分布模式下的颤振特性。

关键词：功能梯度石墨烯增强复合材料扁壳自由振动非线性动力学瞬态响应颤振

高阶剪切变形板理论下FG-GRC板的屈曲和弯曲分析

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工程力学 2023年第6期40卷 9-18页

作者：王壮壮马连生潍坊科技学院建筑工程学院山东潍坊262700

基于三阶剪切变形板理论(TSDPT)和正弦剪切变形板理论(SSDPT),研究了功能梯度石墨烯增强复合材料(FG-GRC)板的屈曲和弯曲行为,并通过与一阶剪切变形板理论(FSDPT)计算结果的比较,分析了TSDPT、SSDPT与FSDPT在FG-GRC板屈曲和弯曲力学行... 详细信息

基于三阶剪切变形板理论(TSDPT)和正弦剪切变形板理论(SSDPT),研究了功能梯度石墨烯增强复合材料(FG-GRC)板的屈曲和弯曲行为,并通过与一阶剪切变形板理论(FSDPT)计算结果的比较,分析了TSDPT、SSDPT与FSDPT在FG-GRC板屈曲和弯曲力学行为研究过程中的差异。材料的有效杨氏模量通过修正的Halpin-Tsai微观力学模型估算,有效泊松比通过混合律确定。利用最小势能原理推导出了包含五个未知量的控制方程,并获得了简支FG-GRC矩形板弯曲挠度和临界屈曲载荷Navier形式的解析解。数值结果表明:与TSDPT和SSDPT相比,FSDPT明显高估了FG-X型FG-GRC板的临界屈曲载荷而明显低估了其弯曲挠度,且略微低估了FG-O型FG-GRC板的临界屈曲载荷而略微高估了其弯曲挠度,而UD型和FG-A型FG-GRC板在三种理论下的计算结果几乎完全一致;TSDPT和SSDPT在计算FG-GRC板的弯曲挠度和临界屈曲载荷时结果十分相近;当板的总层数NL小于10层~15层时,弯曲载荷比率和临界屈曲载荷比率的变化非常显著,当总层数NL超过10层~15层时,弯曲载荷比率和临界屈曲载荷比率的变化趋于平缓;由于石墨烯纳米片(GPLs)极高的弹性模量,FG-GRC板中GPLs的重量分数f_(G)与板抵抗弯曲和屈曲的能力正相关。

关键词：石墨烯增强复合材料功能梯度材料 Navier法高阶剪切变形板理论弯曲屈曲

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石墨烯折纸超材料梁结构的屈曲分析

力学季刊 2024年第1期45卷 248-258页

作者：王宇航王爱文蒋鹏程谢玉粉北京信息科技大学理学院北京100192

石墨烯折纸超材料具有负泊松比特性,可以有效提升结构的抗屈曲性能,在航空航天等工程领域中有着广泛的应用潜力.本文以石墨烯折纸超材料梁为研究对象,基于虚功原理,根据欧拉梁理论和冯卡门非线性应变位移关系,建立了梁在面内载荷作用下... 详细信息

石墨烯折纸超材料具有负泊松比特性,可以有效提升结构的抗屈曲性能,在航空航天等工程领域中有着广泛的应用潜力.本文以石墨烯折纸超材料梁为研究对象,基于虚功原理,根据欧拉梁理论和冯卡门非线性应变位移关系,建立了梁在面内载荷作用下发生屈曲行为的非线性控制方程;采用数值渐进方法计算出了石墨烯折纸超材料梁发生屈曲行为的临界载荷,通过与已发表文献结果进行对比,验证了本文理论和算法的正确性.最后分析了石墨烯折纸的分布、含量、折叠度和边界条件对超材料梁结构非线性屈曲行为的影响,结果表明两端固支边界下结构的屈曲临界载荷最大,在结构表层分布更多的石墨烯、石墨烯含量的增大都会使屈曲临界载荷增大,而折叠度的增大会导致临界载荷减小.

关键词：超材料石墨烯增强复合材料梁结构非线性屈曲数值渐进法

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石墨烯增强含铰梁结构的非线性模态分析

应用力学学报 2024年

作者：张楷瑞王爱文范旭东北京信息科技大学理学院

将石墨烯增强含铰梁结构视为多自由度连续保守系统，针对悬臂条件下该结构的自由振动进行非线性模态分析. 采用修正的Halpin-Tsai模型对结构中石墨烯增强复合材料的等效杨氏模量进行估计. 将铰链简化为转角非线性三次函数的无重扭簧. ... 详细信息

将石墨烯增强含铰梁结构视为多自由度连续保守系统，针对悬臂条件下该结构的自由振动进行非线性模态分析. 采用修正的Halpin-Tsai模型对结构中石墨烯增强复合材料的等效杨氏模量进行估计. 将铰链简化为转角非线性三次函数的无重扭簧. 基于有限元方法对结构进行离散，推导出结构发生自由振动的非线性控制方程，利用谐波平衡法求解其非线性频率. 在验证算法准确性的基础上，从多个角度画出频能图分析石墨烯相关物性参数以及铰链相关参数对结构非线性模态的影响. 数值计算结果表明：石墨烯的质量分数对结构非线性频率影响较大，石墨烯小块的长宽比和长厚比对其非线性模态影响较小；在其它不变的情况下，铰链非线性刚度和铰链个数的增加都会使结构的非线性特性更加明显. 上述结论对石墨烯增强复合材料在航天航空领域中大型空间桁架结构方面的应用具有重要的实际意义.

关键词：石墨烯增强复合材料悬臂含铰梁非线性模态频能图谐波平衡方法