基于应变梯度有限元的单层石墨烯振动研究

建立了单层石墨烯等效非局部薄板的一种新的有限元模型,并运用有限元法分析不同边界条件下单层石墨烯振动的小尺度效应。给出了基于弹性应变梯度理论下Kirchhoff板的振动方程。发展了一种4节点24自由度的板单元,用于离散化求解考虑微纳结构尺度效应的高阶微分方程。在研究四边简支板振动时,考虑应变梯度的非局部弹性有限元数值计算结果与理论分析结果相一致。用有限元方法研究了不同尺寸、振动波长、振动模态阶数、边界条件类型以及非局部参数的单层石墨烯振动。     

纳米板振动特性的两类尺度效应研究

利用非局部应变梯度理论研究了纳米板横向自由振动特性。通过迭代法获得非局部应力的渐近表达式,利用哈密顿变分原理推导了纳米板的振动控制方程。针对四边简支边界条件,运用双重三角级数法给出了板固有频率的表达式,然后研究了非局部参数、材料特征参数、几何尺寸对纳米板自振频率的影响。数值结果表明:非局部效应会弱化纳米板的等效刚度,因而使板的固有频率降低,应变梯度效应则与之相反,两类效应仅在纳米尺度下对自振频率有显著影响;板几何尺寸的改变也会对其振动频率产生重要影响。     

TWO KINDS OF SCALE EFFECTS OF VIBRATION CHARACTERISTICS OF NANO-PLATE1)

利用非局部应变梯度理论研究了纳米板横向自由振动特性。通过迭代法获得非局部应力的渐近表达式,利用哈密顿变分原理推导了纳米板的振动控制方程。针对四边简支边界条件,运用双重三角级数法给出了板固有频率的表达式,然后研究了非局部参数、材料特征参数、几何尺寸对纳米板自振频率的影响。数值结果表明：非局部效应会弱化纳米板的等效刚度,因而使板的固有频率降低,应变梯度效应则与之相反,两类效应仅在纳米尺度下对自振频率有显著影响;板几何尺寸的改变也会对其振动频率产生重要影响。     

基于Cosserat理论的四边简支自由振动微平板尺度效应研究

微观下材料内部结构将极大地影响材料的力学性能,对微纳米器件中典型的微平板结构尺度效应进行研究具有十分重要的意义.论文基于Cosserat理论推导出了微平板自由振动的微分方程,并根据四边简支边界条件假设振型函数,给出了固有频率的计算公式,对不同尺寸微平板固有频率的尺度效应进行了仿真分析.结果表明,考虑了尺度效应的微平板自由振动固有频率要高于经典理论中的固有频率.当特征长度与微平板厚度大小相当时,微平板固有频率表现出明显的尺度效应,并随着特征长度的增加而增大.同时,自由振动的尺度效应将随着微平板厚度的减小而逐渐增强,振动模态及长宽比不影响尺度效应.论文的研究将为微结构与系统的应用提供一定的理论基础.     

基于非局部弹性理论的纳米板横向振动

本文利用非局部弹性理论研究了单层石墨烯的纳米板的横向自由振动响应．通过迭代法推导了非局部应力表达,进一步通过哈密顿原理推导了纳米板的控制方程,应用纳维解法得到四边简支纳米板振动固有频率的数值解,并将本文研究结果与已有文献结果进行对比,进一步讨论了小尺寸效应,以及纳米板的三维尺寸和半波数对振动频率的影响．结果表明：非局部效应的存在使得纳米板的等效刚度和固有频率降低;半波数的增加则使得纳米板的固有频率提高．相关分析结果对基于二维纳米材料的新设备的设计和优化具有重要意义．     

构造上正交各向异性凹凸板等效刚度的研究

针对构造上正交各向异性凹凸板等效刚度的研究问题,考虑经典弹性薄板理论和凹凸板的几何周期特性,划分出了以凸起为中心的典型单元,首先研究了典型单元的刚度特性,再通过刚度组合方法得到了凹凸板的等效弯曲刚度;然后以四边简支正交各向异性凹凸板为例,基于经典薄板理论中纳维二重三角级数推广到正交各向异性板的解,利用本文的等效刚度公式分别计算了在集中载荷作用下板的挠度和其自身的固有频率。计算结果与ANSYS有限元的模拟结果进行对比,理论计算与有限元模拟结果一致,验证了本文等效解析方法的合理性和精确性。最后讨论了凹凸板的各项尺寸参数对刚度等效精度的影响,并对其原因进行了分析。本文给出的等效刚度解析方法便于工程应用,尤其在应对大规模凹凸板刚度求解中具有计算简便的优点,研究结果对凹凸板静力学和动力学的研究以及实际工程应用具有重要的指导意义。     

INVESTIGATIONS ON THE MECHANICAL CHARACTERISTICS OF NANOBEAMS BASED ON THE NONLOCAL STRAIN GRADIENT THEORY1)

基于非局部应变梯度理论,建立了一种具有尺度效应的高阶剪切变形纳米梁的力学模型. 其中,考虑了应变场和一阶应变梯度场下的非局部效应. 采用哈密顿原理推导了纳米梁的控制方程和边界条件,并给出了简支边界条件下静弯曲、自由振动和线性屈曲问题的纳维级数解. 数值结果表明,非局部效应对梁的刚度产生软化作用,应变梯度效应对纳米梁的刚度产生硬化作用,梁的刚度整体呈现软化还是硬化效应依赖于非局部参数与材料特征尺度的比值. 梁的厚度与材料特征尺度越接近,非局部应变梯度理论与经典弹性理论所预测结果之间的差异越显著.     

非局部应变梯度理论下纳米梁的力学特性研究

基于非局部应变梯度理论,建立了一种具有尺度效应的高阶剪切变形纳米梁的力学模型.其中,考虑了应变场和一阶应变梯度场下的非局部效应.采用哈密顿原理推导了纳米梁的控制方程和边界条件,并给出了简支边界条件下静弯曲、自由振动和线性屈曲问题的纳维级数解.数值结果表明,非局部效应对梁的刚度产生软化作用,应变梯度效应对纳米梁的刚度产生硬化作用,梁的刚度整体呈现软化还是硬化效应依赖于非局部参数与材料特征尺度的比值.梁的厚度与材料特征尺度越接近,非局部应变梯度理论与经典弹性理论所预测结果之间的差异越显著.     

含尺度效应的功能梯度三明治微梁振动、弯曲与屈曲特性研究

基于修正的应变梯度理论和精化的高阶剪切变形理论,提出了一种含尺度效应的功能梯度三明治微梁模型。功能梯度材料的等效弹性参数由Mori-Tanaka均匀化方法描述。针对微梁的高阶边值问题,融合微分求积和Gauss-Lobatto求积准则,建立了一种2节点18自由度的微分求积有限元。通过对比性研究,验证了理论及数值模型的有效性。最后,讨论了边界条件、材料尺度参数、功能梯度指数、长细比、各层厚度比等对功能梯度三明治微梁静动态特性的影响。结果表明,功能梯度三明治微梁的静力响应、振动频率、屈曲荷载以及模态均呈现出显著的尺度效应,所得结果有望为微机电系统中承载器件的设计提供数据积累和方法依据。     

全应变梯度挠曲电纳米梁有限单元法研究

挠曲电效应是一种存在于所有电介质材料中的特殊的力电耦合效应，本质上是应变梯度与电极化之间的线性耦合。然而，应变梯度会引入位移的高阶偏量，常给挠曲电问题的理论求解带来困难。且已有研究表明应变梯度弹性项会影响纳米结构中的力电耦合响应，但是现有的挠曲电研究大多忽略了应变梯度弹性的影响。因此，本文提出了一种既考虑应变梯度弹性，又考虑挠曲电效应的有效数值方法。基于全应变梯度弹性理论，建立了包含3个独立材料尺度参数的纳米欧拉梁的理论模型和有限元模型，提出了满足C₂弱连续的两节点六自由度单元。基于本文的有限单元法，以简支欧拉梁为例，通过分析讨论挠度、电势和能量效率，得到了挠曲电效应和应变梯度弹性项对梁的力电响应的影响。结果表明，挠曲电效应存在尺寸依赖性，且应变梯度弹性项在纳米电介质结构的挠曲电研究中的影响不可忽略。     

Damped vibration of a graphene sheet using a higher-order nonlocal strain-gradient Kirchhoff plate model

A higher-order nonlocal strain-gradient model is presented for the damped vibration analysis of single-layer graphene sheets (SLGSs) in hygrothermal environment. Based on Kirchhoff plate theory in conjunction with a higher-order (bi-Helmholtz) nonlocal strain gradient theory, the equations of motion are obtained using Hamilton's principle. The higher-order nonlocal strain gradient theory has lower- and higher-order nonlocal parameters and a material characteristic parameter. The presented model can reasonably interpret the softening effects of the SLGS, and indicates a reasonably good match with the experimental flexural frequencies. Finally, the roles of viscous and structural damping coefficients, small-scale parameters, hygrothermal environment and elastic foundation on the vibrational responses of SLGSs are studied in detail.     

A nonlocal strain gradient shell model incorporating surface effects for vibration analysis of functionally graded cylindrical nanoshells

In this paper, a novel size-dependent functionally graded(FG) cylindrical shell model is developed based on the nonlocal strain gradient theory in conjunction with the Gurtin-Murdoch surface elasticity theory. The new model containing a nonlocal parameter, a material length scale parameter, and several surface elastic constants can capture three typical types of size effects simultaneously, which are the nonlocal stress effect, the strain gradient effect, and the surface energy effects. With the help of Hamilton's principle and first-order shear deformation theory, the non-classical governing equations and related boundary conditions are derived. By using the proposed model, the free vibration problem of FG cylindrical nanoshells with material properties varying continuously through the thickness according to a power-law distribution is analytically solved, and the closed-form solutions for natural frequencies under various boundary conditions are obtained. After verifying the reliability of the proposed model and analytical method by comparing the degenerated results with those available in the literature, the influences of nonlocal parameter, material length scale parameter, power-law index, radius-to-thickness ratio, length-to-radius ratio, and surface effects on the vibration characteristic of functionally graded cylindrical nanoshells are examined in detail.     

Nonlinear vibration analysis of micro-plates based on strain gradient elasticity theory

In this study, non-linear free vibration of micro-plates based on strain gradient elasticity theory is investigated. A general form of Mindlin’s first-strain gradient elasticity theory is employed to obtain a general Kirchhoff micro-plate formulation. The von Karman strain tensor is used to capture the geometric non-linearity. The governing equations of motion and boundary conditions are obtained in a variational framework. The Homotopy analysis method is employed to obtain an accurate analytical expression for the non-linear natural frequency of vibration. For some specific values of the gradient-based material parameters, the general plate formulation can be reduced to those based on some special forms of strain gradient elasticity theory. Accordingly, three different micro-plate formulations are introduced, which are based on three special strain gradient elasticity theories. It is found that both geometric non-linearity and size effect increase the natural frequency of vibration. In a micro-plate having a thickness comparable with the material length scale parameter, the strain gradient effect on increasing the non-linear natural frequency is higher than that of the geometric non-linearity. By increasing the plate thickness, the strain gradient effect decreases or even diminishes. In this case, geometric non-linearity plays the main role on increasing the natural frequency of vibration. In addition, it is shown that for micro-plates with some specific thickness to length scale parameter ratios, both geometric non-linearity and size effect have significant role on increasing the frequency of non-linear vibration.     

基于各向异性修正偶应力理论的Reddy型层合板的自由振动

本文基于各向异性修正偶应力理论建立了只含一个尺度参数的Reddy型复合材料层合板的自由振动模型。同见诸于文献的细观尺度Kirchhoff薄板偶应力模型相比,本文提出的新模型能够更精确的预测细观尺度下的中、厚层合板的自振频率。基于Hamilton原理推导了细观尺度下Reddy型复合材料层合板的运动微分方程以及边界条件,并以正交铺设的四边简支复合材料层合方板为例进行了解析求解,分析了尺度参数对自振频率的影响并对比了Kirchhoff、Mindlin和Reddy等三种板模型计算结果的异同。算例结果表明本文所给出的模型能够捕捉到复合材料层合板自由振动问题的尺度效应。另外,在细观尺度下Kirchhoff板模型所预测的自振频率相对于Mindlin板模型和Reddy板模型总是过高,且越接近厚板三者的差别就越大,这与经典理论中三种板模型的对比情况是一致的。     

二元复合材料板的自由振动: 半解析法

二元复合材料板是超材料板结构中常见的单元之一. 针对由材料参数相差两个量级的基体和嵌入体组成的二元复合材料板, 提出结构自由振动的半解析模型, 并对其振动特性进行了研究. 基于区域分解法和二元材料的分布, 将二维平板分解成两个子区域. 通过在振型函数中附加区域试函数, 来描述复合材料板面内刚度突变引起局部位移和转角的非光滑性. 基于二元复合材料板的基本边界条件和两子区连接处的变形协调条件, 构造了新的振型函数. 基于经典薄板理论, 利用带特殊试函数的里兹法, 求得不同几何构型下二元复合材料板的固有频率和振型, 并研究了嵌入体的尺寸和位置对结构振动特性的影响规律. 通过收敛分析并与有限元仿真结果对比, 验证了本文方法的准确性. 研究结果表明: 传统的全局试函数在分析具有振动局部化的模态时会得到不准确的结果, 而附加区域试函数可以显著提高里兹法的收敛速度以及结果的准确性; 嵌入体位置对低阶固有频率的作用不明显, 却能显著改变低阶振型节线的分布和振动局部化发生的区域.      

碳纳米管增强型复合材料功能梯度板的自由振动模型与尺度效应

基于一种新的各向异性修正偶应力理论,建立了碳纳米管增强复合材料功能梯度板的自由振动模型。该模型能够描述尺度效应,且仅包含一个尺度参数。基于一阶剪切变形理论和哈密顿原理推演了板的运动微分方程,并以四边简支板为例给出了自振频率的解析解。讨论了板的几何尺寸、碳纳米管体分比含量和分布方式等因素对板的自振频率的影响。结果表明,本文模型所预测的板的自振基频总是高于经典弹性理论的Mindlin板模型的预测结果,两者间的差异在板的几何尺寸接近尺度参数的值时非常明显,且会随着板的几何尺寸的增大而逐渐消失。     

基于非局部效应和表面效应的输流碳纳米管稳定性分析简

应用非局部黏弹性夹层梁模型分析双参数弹性介质中输送脉动流碳纳米管的稳定性. 新模型中同时考虑了由管道内、外壁上的薄表面层引起的表面弹性效应和表面残余应力，经典的欧拉梁模型因此通过引入非局部参数和表面参数得到了改进. 用平均法对其控制方程进行求解，得到了管道稳定性区域. 数值算例揭示了纳米材料的非局部效应、表面效应及两个弹性介质参数对管道固有频率、临界流速和动态稳定性的复杂影响，结论可为纳米流体机械的结构设计和振动分析提供理论基础.