基于谱元法的复合材料裂纹梁Lamb波传播特性研究

基于谱元法提出了一种弹簧元来模拟复合材料梁由于横向裂纹导致的轴弯耦合效应,分析复合材料裂纹梁中Lamb波的传播特性。由断裂力学的相关知识求得弹簧元的刚度,建立复合材料裂纹梁的损伤谱元模型。通过模拟复合材料裂纹梁内Lamb波传播,并和传统的有限元结果进行比较,验证了所提出模型的可行性和有效性。推导了频域内Lamb波各模态的能量计算公式,裂纹处的能量守恒证明了所提出模型的正确性,同时计算表明复合材料梁中裂纹处反射与透射的Lamb波各模态能量随着裂纹深度的变化规律具有单调性,结论可以为定量识别复合材料梁裂纹提供实用依据。     

含非对称矩形分层的复合材料层合板状态分解-片条合成能量解法

根据叠加原理将横向载荷作用下的含有非对称矩形内部分层的层板进行状态分解,从而将分层问题归结为分层表面上的附加剪切载荷作用下层板附加位移与附加应力的分析,并据此建立一个仅包含分层区的简单的力学模型。进而在分层区中切取平行于边界的无限小的切片,将切片视为含分层的层合梁,其位移模态以相应的层合梁的附加位移模态表示。在此基础上构造层板分层区内满足位移边界条件的位移模态,最后用最小势能原理确定位移幅值的闭合解并且分析了分层区的应力场和能量释放率。      

流体-孔隙介质周期性粗糙界面超声波反射与透射特性研究

为了研究超声波在流体-孔隙介质周期性粗糙界面的传播特性,文章基于周期性锯齿粗糙界面的衍射模型分析孔隙介质开孔与闭孔状态下孔隙度对反射与透射的影响。通过孔隙介质比奥特(Biot)理论与光栅方程理论,得到包含各阶反射系数、透射系数的线性方程组,再利用傅里叶变换进行数值计算,得到孔隙度与流体-孔隙介质周期性粗糙界面反射系数、透射系数之间的关系。结果表明,由于界面的周期性,频率对反射与透射系数的影响没有呈现一定的规律。但孔隙度对反射与透射系数有显著影响,且由于孔隙介质状态的差异性,导致反射与透射系数在开孔与闭孔时变化趋势不同。     

圆孔工字型蜂窝梁扭转模态自由振动研究

从能量等效角度,提出了一种圆孔工字型截面蜂窝梁连续型模型,应用新的薄壁构件扭转理论：板-梁理论,建立了构件扭转模态自由振动能量泛函模型,明确了圆孔工字型截面蜂窝梁名义约束扭转惯性矩(翘曲常数)、自由扭转常数、转动惯量。通过变分运算,获得了平衡微分方程模型。基于扭转模态试函数,推导了圆孔工字型截面蜂窝梁自由振动扭转模态振动圆频率,并与有限元结果对比校验理论模型预测精度。开展了悬臂圆孔工字型蜂窝梁受集中扭矩作用的端部截面转角理论分析与有限元计算,进一步检验了基于板-梁理论建立的蜂窝梁连续模型的适用性。应用板-梁理论对圆孔工字型截面蜂窝梁自由振动扭转的分析过程及推导步骤,为其他开孔类型工字型蜂窝梁扭转模态自由振动研究提供了直接参考。     

含矩形内部分层的复合材料圆柱壳块 三维问题的片条合成能量解法

根据叠加原理将含有矩形分层的复合材料圆柱壳块在横向载荷作用下的受力状态进行分解,将分层问题归结为在分层表面受附加剪切载荷作用时附加状态的分析,并据此建立了一个仅包含分层区的力学模型。通过切取纵横切片,利用含分层层合直梁与曲梁的附加位移,构造分层区附加位移模态。最后,应用最小势能原理确定位移幅值的闭合解。     

含矩形内部分层的复合材料层板的 状态分解-片条合成能量解法

根据叠加原理将含有矩形内部分层的层板在横向载荷作用下的受力状态进行分解, 从而 将分层问题归结为在分层表面上的附加剪切载荷作用下层板附加位移与附加应力的分析, 并据此 建立了一个仅包含分层区的力学模型。进而在层板分层区中切取平行于边界的切片, 将切片视为 含分层的层合梁, 其位移模态以相应层合梁的附加位移模态来表示。这样, 可构造层板分层区内满 足位移边界条件的位移场。最后, 应用最小势能原理确定位移幅值的闭合解。计算结果表明, 挠度 幅值远远大于中面位移幅值, 且与由双三角级数能量解法所得挠度幅值吻合很好。      

含椭圆形分层层板的状态分解-片条合成能量解法

根据叠加原理将含有椭圆形非穿透分层的层板在横向载荷作用下的受力状态进行分解,从而将分层问题归结为在分层表面上的附加剪切载荷作用下层板附加位移与附加应力的分析,并据此建立了一个仅包含分层区的力学模型。进而在层板分层区中切取平行于坐标平面的切片,将切片视为含分层的层合梁,其位移模态以相应层合梁的附加位移模态来表示。这样,可构造层板分层区内满足位移边界条件的位移场。最后,应用最小势能原理确定位移幅值的闭合解。计算结果表明,挠度幅值远远大于中面位移幅值,且与由双三角级数能量解法所得挠度幅值吻合很好。      

SH波在0.71Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_3-0.29PbTiO_3/金刚石界面的反射和透射

研究SH波分别从0.71Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_3-0.29Pb TiO_3(PMN-0.29PT)介质和金刚石介质倾斜入射时在双材料界面上的反射和透射规律。PMN-0.29PT单晶沿[011]c方向极化,宏观上呈正交各向异性性质,且材料主轴沿x3方向旋转切割,数值分析了SH波斜入射时在交界面处的反射、透射系数以及能量反射、透射系数随入射角的变化。结果显示:SH波从金刚石入射时,压电晶体的旋转切割角度对SH波的反射、透射系数和能量分配规律起到非常关键的作用;SH波从压电材料入射时,晶体的旋转切割角度越大,临界角越小,随着入射角的增大,切割角度对SH波反射系数的影响逐渐减小。这些结论可为PMN-PT单晶材料在传感器和频率控制等领域中的应用提供有价值的理论参考。     

超声在具有不同结构表面缺陷材料中的传播特性研究

利用有限元方法,系统研究了超声波与具有不同生长角度方向、不同生长长度的表面缺陷之间的相互作用。通过对数据的分析得到了一系列与缺陷生长角度、缺陷长度相关的反射、透射系数。所建立的模型揭示的反射与透射特性有助于鉴定有角度的缺陷,为材料缺陷的无损检测提供理论基础。     

复合材料层合梁非对称分层问题的解析解法

根据叠加原理将含有非对称分层的复合材料层合梁在横向载荷作用下的受力状态分解为对称和反对称情况,再将反对称受力状态分解为无分层梁受反对称横向载荷状态与含分层梁在分层表面承受附加剪切载荷状态。将分层问题归结为在附加载荷状态中,层合梁附加位移与附加应力的分析,并据此建立了一个简单的力学模型。最后,根据工程梁理论得到了由分层引起的附加位移与应力的解析解答,利用能量释放率方法确定了应力强度因子,计算分析了分层区长度与层板厚度对附加位移的影响。      

Numerical and experimental studies on propagation of A0 mode in a composite plate containing semi-infinite delamination: Observation of turning modes

Propagation of the anti-symmetric fundamental Lamb mode (A₀) in a composite laminate containing a semi-infinite delamination was studied through numerical simulations and experimental studies. Here, the wave was generated on a sub-laminate above the delaminated region, and the reflection and transmission of the Lamb modes at the edge of the discontinuity were quantitatively studied. The wave group (named as ‘turning mode’), which was made to propagate from one side of the delamination to the other side (through delaminations) was captured and its transmission factor was estimated. Reflection and transmission factors of wave groups were estimated for three different laminates – quasi-isotropic, unidirectional and cross-ply, containing delamination at various interfaces across thickness. Propagation of ‘turning modes’ were also captured experimentally, employing air-coupled transducers, in quasi-isotropic laminates containing delaminations at different interfaces. Attenuation compensation was incorporated in the experimental signals to improve the comparison of transmission and reflection factors between numerical simulations and experiments.     

界面掀起和轴力对组合梁动力弯曲特性的影响

考虑组合梁界面的法向/切向部分相互作用以及各子梁轴力的二阶效应,利用Hamilton原理得到了位移描述的Euler-Bernoulli组合梁非线性动力弯曲及一阶近似的初边值问题,并应用微分求积法研究了考虑界面法向/切向部分相互作用组合梁的临界荷载和固有频率。在通过与已有解析解和有限元结果对比验证了本文微分求积法正确性和适用性的基础上,进行了参数分析,研究了组合梁界面刚度对组合梁动力特性和稳定性的影响以及轴力对组合梁固有频率的影响。数值结果表明：组合梁的固有频率与临界荷载随界面刚度的增加而增加,并逐步趋于完全作用组合梁的固有频率与临界荷载;当轴向压力逐渐增加并趋于临界载荷时,组合梁的一阶固有频率逐渐减小并趋于零,并且,临界载荷随法向和切向刚度的增加而增加。     

圆弧形单向纤维增强树脂复合材料的I型层间断裂韧性测试及分析

层合板的I型层间断裂韧性的测量方法通常为单向纤维增强树脂复合材料的末端切口(End notched flexure, ENF)试样的双悬臂梁(Double cantilever beam, DCB)试验。为了得到带有弧度的层合复合材料结构的I型层间断裂韧性,对圆弧形末端切口(Arc-ENF)试样进行DCB试验。基于梁的弯曲理论和Irwin-Kies公式得到Arc-ENF试样的柔度公式与I型临界能量释放率G_IC公式,并且利用ABAQUS软件对DCB试验进行数值模拟。最终,通过对比分析理论公式计算结果、数值模拟结果和DCB试验结果来验证柔度公式和G_IC公式的合理性和有效性,对带有任意弧度的DCB试样的I型层间断裂韧性的测试与分析具有参考价值。      

梁结构耦合点的纵向弹性波传播

采用波动分析法研究了纵向弹性波在两半无限梁耦合点的传播。应用梁的一维波动方程，耦合点模拟为质量弹簧系统，根据耦合点的连续条件和平衡条件，计算得到了纵向波传输至耦合点的振动功率传播效率和反射效率。传播效率和反射效率确定为梁纵向波阻抗和耦合点阻抗的函数，分析了梁纵向波阻抗和耦合点阻抗对纵向波传播效率和反射效率的影响。研究表明通过合理的选择激励梁、耦合梁和耦合点阻抗之间的匹配关系，可有效控制耦合点的纵向波传播。本研究对于振动控制和结构优化设计具有重要的意义。     

Simulations of microwave propagation in delaminated unidirectional glass–epoxy laminate

Generally, delamination may lead to failures of composites structures directly or indirectly. Microwave techniques can be effective in detecting delamination within composites structures with relatively low electrical conductivity. The understanding of microwave propagation in delaminated composite materials is therefore important. This paper reports on the reflection and transmission characteristics of microwaves propagation at different frequencies within a unidirectional glass–fibre reinforced epoxy composite laminate. With the simulation, the presence/location/severity of delamination is linked to the variations in microwave reflection/transmission coefficients when compared to that of a signal without delamination influence. It has been found that reflection coefficient is more sensitive to the presence of delamination in comparison to the transmission coefficient for the far-field approach. In addition, scanning at frequencies within zero-crossing and reflection-lines intersection zones should be avoided as the ‘usefulness’ of the data is low.     

白噪声激励下的复合材料层合结构损伤检测的内积向量法

利用白噪声激励下结构各测点的动力学响应之间的互相关函数,引入了内积向量（Inner Product Vector,IPV）的概念,提出了应用内积向量进行结构损伤检测的方法,并分析了测试噪声对基于内积向量的损伤检测方法的影响。通过对复合材料层合梁的分层损伤检测仿真算例,验证了该方法检测损伤的有效性以及较高的抗噪能力。     

利用波的反射和透射系数确定波导结构不连续点的动力学参数

截面均匀的梁、管道等细长结构在工程中有着广泛应用,这类结构具有沿结构伸展方向长距离传递机械波的波导特性,称为波导结构。此类结构通常包含联结件、支撑件等不连续点,这些不连续点的动力学参数,如质量,刚度,阻尼等,是波导结构动力学建模的关键参数。由于实际不连续点结构复杂,往往需要用实验方法确定其动力学参数。基于行波分析方法,本文建立了波导结构不连续点的动力学参数与不连续点处的反射、透射系数之间的一般性解析关系式。根据此关系式,提出了通过测量有效频率范围内的不连续点处的反射、透射系数,结合最优化曲线拟合,进行不连续点动力学参数识别的方法。文中以无限长梁附加质量块不连续点为例,用该方法测量附加质量块的质量和转动惯量参数。蒙特卡罗法仿真结果表明,该方法受测量噪声的影响较小。用该方法对不同附加质量块进行参数识别的实验结果表明,质量误差在5%以内,转动惯量误差在15%以内,测量准确度与所选择的识别频率范围有关。     

利用波动法研究曲梁结构中的波形转换和能量传递

基于Flugge理论,建立了薄壁均质常曲率曲梁面内运动的6阶微分控制方程,得到了曲梁的频散特性曲线和6种波的轴向位移和径向位移的比值,推导了位移和内力响应的表达式以及物理域和波数域的变换矩阵。利用波的传递和反射矩阵对曲梁和半无限长直梁耦合时的能量传递系数和反射系数进行了求解分析。对于半无限长直梁中给定的拉伸波或弯曲波入射,得到了和频率,曲率半径和伸展角度相关的各种波传递和反射的能量系数表达式。数值结果表明,纵波和弯曲波在经过曲梁结构之后发生了波形转换,并研究了能量传递和反射系数随频率,伸展角度,曲梁曲率半径和截面尺寸比的变化。结果表明,无限长直梁和曲梁耦合系统中,低频时,经过曲梁反射和传递后的弯曲波和纵波会相互转化;高频时弯曲波和纵波都能够没有散射地通过曲梁而进行传播。为改善高频时曲梁中的能量衰减效果,研究了在曲梁结构中插入单个、多个中间支撑或阻振质量块时的能量传递和反射系数。结果表明,阻振质量块能够很好地阻止高频时曲梁中能量的传递,对于周期分布的多个阻振质量块,能量传递系数随频率的变化存在周期结构的阻带特征。这些研究结果为曲梁结构的设计提供定性的理论基础。     

Buckling and postbuckling behavior of delaminated sandwich beams

An investigation was performed to study the buckling and postbuckling behavior of sandwich beams containing lengthwise and depthwise through-the-width delaminations. An analytical beam model was developed to predict the buckling load of the beam and to describe its postbuckling response for arbitrarily situated delaminations and various combinations of boundary conditions. Griffith's energy release rate model was employed to predict the stability of delamination propagation under external loading and to determine the direction of delamination growth.

Parametric studies over a wide range of beam geometries, damage sizes and locations, composite facings and beam boundary conditions were carried out to study their effects on the overall behavior of the sandwich structure, as well as its damage tolerance. The results demonstrated that a sandwich construction is very ‘sensitive’ to the presence of delaminations situated at the core-faceplate interface. Premature buckling failure occurs at external loads which are significantly lower than the buckling load for a ‘perfect’ sandwich beam; in ‘imperfect’ beams with composite faceplates, the layup sequence affects significantly the load-carrying capacity of the beam; varying either the boundary conditions in a sandwich beam or the lengthwise location of a delamination has a small effect on the postbuckling behavior of the beam. Delaminations located within composite faceplates have less pronounced influence, and as the defect is moved outwards the limit load may reach the buckling load corresponding to that of the ‘perfect’ beam.

The proposed model is capable of analyzing the postbuckling behavior of both sandwich and composite laminated beams for arbitrary locations of the delamination, and various combinations of boundary conditions.