考虑温湿幅频效应的VEM-EM复合板壳结构能量耗散机理及算法研究

Viscoelastic-elastic composite plates and shells are applied extensively in aviation, navigation, national defense and military industry, due to its high stiffness/strength, low density/cost. The study on the safety, reliability and mechanical response of the composite structures under hygrothermal environment and variable external excitation is weakness. This project plans to investigate the dynamic characteristic of viscoelastic-elastic composite structures and its energy dissipation properties. The main research is to: i) construct the constitutive equations of viscoelastic materials under hygrothermal environment with changeable external excitation base on the characteristic equation and superposition principle of energy; ii) develop a high precision and efficient method for the composite structure by concerning the hygrothermal and amplitude-frequency effects base on asymptotic theory; iii) investigate the dynamic properties of the composite structure under hygrothermal and amplitude-frequency effects, and reveal the energy dissipation mechanism of the propagation wave; iv) optimize the viscoelastic-elastic composite plates and shells to maintain excellent mechanical properties with consideration of the hygrothermal and amplitude-frequency effects. The study will provide a theoretical basis and technical support for modeling, calculating and examining the dynamic characteristic of viscoelastic-elastic composite structures, and will promote the application of the viscoelastic-elastic composite structures in the major engineering equipments.

粘弹性-弹性材料复合结构具有高强度/刚度、低成本/密度等特性，在航空航天航海和国防军工等重大需求领域都有重要应用。这类结构在温湿环境和多变激励下的动态响应、安全性和可靠性等方面的研究却相对较薄弱。本项目拟研究温湿幅频特性下粘弹性-弹性材料复合板壳结构的动态力学特性和弹性波能量耗散问题。主要研究内容包括：（1）基于粘弹性材料属性和能量叠加原理，构建温湿幅频特性下粘弹性材料的本构方程，推导复合板壳结构的动力学方程；（2）基于渐近原理，发展温湿幅频效应下动力学方程的高精度、高效解法；（3）分析复合结构动态力学特性的温湿幅频特性，揭示其弹性波能量耗散机理；（4）对粘弹性-弹性材料复合板壳结构进行优化设计，使之在温湿环境和多变激励工况下保持优异的力学特性。该研究成果将为粘弹性-弹性复合结构的理论建模、计算方法和动态特性分析提供理论基础和技术支撑，可促进粘弹性-弹性材料复合结构在重大工程装备中的应用。

针对现有关于粘弹性材料与弹性材料复合结构的研究中，较少考虑到粘弹性材料的动力学特性，且未曾同时将粘弹性材料环境特性和温度特性纳入研究，该局限性将严重影响到粘弹性材料复合结构在国家重大工程中的应用，特别是航空航天、国防军工等领域。鉴于此，本项目展开了一系列研究，创新性成果如下：（1）从构建粘弹性材料在环境属性和外界激励特性角度出发，采用定性分析和定量离散实验测试法，构建多维度下粘弹性材料本构模型。（2）根据本构模型，基于渐近原理和均化算法，提出了研究粘弹性材料与弹性材料复合结构动力学特性的算法，对面内蜂窝增强粘弹性材料复合结构的动态等效强度特性和弹性波能量衰减特性进行了研究。（3）利用声学黑洞结构的能量局域特性，构建了粘弹性材料和声学黑洞复合结构，对该耦合粘弹性材料复合结构能量衰减特性进行了研究和分析。（4）利用功能梯度结构和材料设计原理，结合粘弹性材料剪切耗能机理和蜂窝增强复合结构能量传递特征，设计构建了蜂窝增强粘弹性材料功能梯度复合结构，并对该结构低速冲击响应特性进行了研究。该项目研究显示：基于粘弹性材料本构模型，将环境温湿属性和外载荷的幅值频率属性纳入考虑，利用渐近原理和均化算法所构建的研究算法，可作为研究粘弹性材料复合结构动态力学特性的重要研究方法之一。所构建的蜂窝增强粘弹性材料动态等效强度可以提高到基础弹性材料的三到五倍，且对弹性波传递衰减的能量具有优良的衰减耗散作用。基于功能梯度原理和粘弹性材料剪切耗能原理构建的复合结构，可以显著提高结构的强韧特性。项目的研究结论在航空航天和国防军工等领域具有潜在的应用前景，特别是面内几何尺寸较大和环境特性复杂的工况之下，如高速运行的飞行器外壳结构和整流罩等部件。