高温与脱粘对复合材料蜂窝板模态特性影响的试验

复合材料蜂窝板是目前航空航天领域中一类非常重要的结构,但此类结构在热环境下的模态特性研究鲜有公开报道。本文针对由碳纤维增强环氧树脂基复合材料层合板和Nomex蜂窝芯层复合而成的夹层板进行了不同温度下的模态试验,在加热过程中结构面板与芯层脱离,向外凸出。损伤发生前,结构固有频率随温度升高而下降,在识别出的前7阶模态中,弯曲振型的下降幅度较大,而扭转振型的降幅较小。对损伤后的结构再次进行常温模态试验,其模态特征发生显著变化,除了固有频率的变化外,模态阻尼比明显提高,而且其中两阶模态振型的顺序发生对调。此外,本文还对该损伤形式的成因进行了分析,所得结论对用于热环境的复合材料蜂窝结构设计具有一定的指导意义。     

结构动力学应用中若干基本概念的研究

结构动力特性被广泛应用于结构振动控制、结构可靠性设计和健康监测,由此涉及到一些动力学基本概念的理解问题尚待深入探讨。采用一简支梁横向振动算例以及分别通过模态位移法和模态加速度法对多自由度系统的响应振幅进行分析计算,探讨结构位移响应与第一阶固有频率的关系、结构各阶位移模态的贡献与模态应变能的关系。基于模态正交性,通过分析多自由度振动系统的位移响应,论述了系统共振的必要条件,即在保证系统振动频率(某阶固有频率)等于激励频率的同时,其位移响应还应呈现出相应模态的形态;实现多自由度系统纯模态共振,可用于精确识别结构的模态参数。     

复合材料层合板的声辐射模态幅值分析

低频时, 控制振动结构第一阶声辐射模态伴随系数可有效控制总声功率。通过分层有限元模型可以求解层合板的位移模式。对层合板的固有频率和动态响应进行了理论推导。结合声辐射模态理论, 研究了层合板铺设角度、 弹性模量比、 跨厚比以及阻尼比等结构参数对层合板结构第一阶声辐射模态伴随系数的影响。计算结果表明, 分层理论结合有限元方法可以较准确地计算层合板固有频率, 而且铺设角度和跨厚比对层合板结构声辐射模态影响较大。     

采用分层理论计算层合板的固有频率和振型

采用有限元方法并结合分层理论对复合材料层合板的固有频率和振型进行理论计算,再用实验验证。通过分层有限元模型求解层合板的位移模式,对层合板固有频率进行计算。分析有限元网格数,铺设角度、铺设层数等对固有频率的影响,获得层合板自由振动的前九阶振型,采用实验进行了验证。结果表明,提出的方法可较精确计算层合板的固有频率和振型。     

动力总成异常振动的固有特性识别研究

针对某SUV车柴油机动力总成在常用工作转速条件下产生异常振动的实际问题,给出改进脉冲激振法与有限元计算模态分析法相结合的方法进行不同条件下柴油机动力总成的固有特性识别研究。通过整车道路试验,发现柴油机工作转速的二阶激励激起动力总成系统共振,采用基于变时基技术的改进脉冲激振法进行整车和台架条件下动力总成的振动模态试验,结合有限元模型仿真计算,识别动力总成的固有频率和振型参数,发现飞轮壳结构是导致动力总成弯曲固有频率偏低引起系统共振的薄弱环节。根据识别结果,进行改进设计飞轮壳薄弱结构,提高动力总成系统的固有频率,消除异振。     

热声载荷下C/SiC层合薄板动态响应分析及寿命预测

鉴于处在热声载荷下的薄壁结构工作条件恶劣,极易发生屈曲和声疲劳从而影响构件的稳定性和使用寿命。以四边固支C/Si C复合材料层合板结构为研究对象,运用有限元方法计算结构在不同温度和声压级组合下的振动响应,分析屈曲前后响应特性并总结了典型的非线性振动响应特性;基于复合材料层合板高比强和特殊的结构疲劳损伤机理特点,运用改进的雨流法统计了层合板在超高温度强噪声工况下的应力响应,结合材料对称循环疲劳性能试验所得数据拟合地考虑平均应力影响的等效寿命公式和Palmgren-Miner线性累积损伤准则估算层合板的疲劳寿命。     

弯扭耦合层合板模态特性数值模拟与试验研究

通过不同位置采用对称偏轴铺设纤维实现层合板的弯扭耦合,利用模态试验和有限元数值模拟研究弯扭耦合层合板的振动模态特性。采用单点拾振的方法采集层合板振动数据,分析其固有频率和振型参数,研究不同耦合区域层合悬臂板的模态节线位置,并且与有限元模拟结果进行对比。提出采用模态置信因子(MAC)定量描述层合板的弯扭耦合性能的方法,实现了采用模态特性研究层合板的弯扭耦合效应。结果表明,层合板的耦合效应,在低阶模态时中部耦合板显著,而高阶模态时端部耦合板显著。     

含分层损伤复合材料层合板非线性动力稳定性

采用Reddy 的板高阶剪切变形简化理论研究了含分层损伤复合材料层合板的非线性动力稳定性问题。建立了分层模型, 推导了考虑几何非线性和阻尼效应的Methieu 方程, 给出了该方程的解析解表达式; 研究了参数振动解的稳定性; 然后通过典型数例讨论了分层损伤对层合板固有频率、屈曲临界力以及动力稳定区域的影响; 研究了保守与非保守体系的外载荷的激励频率对层合板第一参数振动的振幅的影响, 以及线性、非线性阻尼对非保守体系的最大牵引深度的影响。由典型算例讨论可知, 随着复合材料层合板分层损伤的扩大, 其动力稳定性能逐渐减弱, 特别是损伤接近层合板的中面时, 分层损伤对其动力稳定性能的影响最大。      

带有微孔黏弹性芯层的纤维金属混杂层合板振动分析模型EI北大核心CSCD

建立了带有微孔黏弹性芯层的纤维金属混杂层合板(FMLP)振动分析模型。基于多孔材料弹性模量与密度的关系,导出了二维规则微孔分布形式下黏弹层的弹性模量表达式。采用经典层合板理论表示金属层与纤维层的位移场,同时为了考虑微孔黏弹性层的剪切变形影响,使用Reddy高阶剪切变形理论描述其位移场。进一步,基于Rayleigh-Ritz法、复模量法、应变能法和振型叠加法,求解获得了结构系统的固有频率、阻尼特性和脉冲激励下的时、频域振动响应。最后,以自行制备的带有单层微孔(直径0.5 mm,孔间距2 mm)的黏弹性芯层的纤维金属混杂层合板试件为研究对象,开展了试验验证研究。理论与测试结果对比发现,前3阶固有频率、阻尼比以及响应峰值的最大计算误差分别不超过4.5%、9.7%和7.5%,进而验证了所提出的理论模型的正确性。另外,依托所建立的模型,还讨论了微孔几何参数的变化对结构系统振动特性的影响。     

层合板结构声辐射模态传感器分析与测量

利用压电高分子材料聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)设计一种阵列式传感器来测量复合材料层合板结构的声辐射模态幅值。以声辐射模态传感器设计理论作为基础,进一步分析了声辐射模态传感器的测量精度影响因素,即粘贴位置和粘贴方向等。利用了声辐射模态传感器对层合板结构的固有频率、声辐射模态幅值以及声功率的进行测试分析。并对实验数据与理论仿真结果进行了分析。     

三维间隔连体织物复合材料力学性能

三维间隔连体织物复合材料是由纤维连续织造呈空芯结构的三维间隔连体编织物作增强体的新型轻质夹层结构 , 具有整体性、 轻质、 可设计、 低成本等特点。本文中对三维间隔连体织物复合材料增强体的结构特征进行了分析 , 考察了材料在平压、 剪切和三点弯曲载荷作用下的力学特性及破坏模式 , 并分析了织物结构参数对复合材料平压、 剪切、 三点弯曲性能的影响。结果表明 : 随芯柱高度的增加 , 材料的压缩强度和剪切强度降低 ,弯曲刚度增加; 随芯柱密度的增加 , 材料的压缩强度、 剪切强度和弯曲刚度都有大幅度的提高 , 且纬向剪切强度和弯曲刚度都大于经向。研究结果为该类材料的结构优化设计和性能分析奠定了重要基础。     

Investigation of the mechanical behavior and vibration characteristics of thin walled glass/carbon hybrid composite beams under a fixed-free boundary condition

In the present work, woven fabric glass laminate is modified by interplying high modulus carbon fabric layers for improving the stiffness to weight ratio to enable good performance in dynamic conditions. The glass, carbon, and hybrid of glass/carbon laminates were fabricated with two different stacking sequences by hand layup method and tested for evaluating the mechanical properties with considerable trials. The vibration characteristics of composite beams were experimentally studied by impulse excitation techniques under fixed-free boundary conditions. The stacking sequence of beams influences the mechanical properties and vibration characteristics. The modal response of tested samples are compared and discussed.     

利用振动模态分析确定对称复合层板结构的材料特性

针对周边简支和周边固支含弯曲·扭曲耦合的对称复合材料层板,本文首先推导了利用振动模态分析进行层板５个弯曲刚度常数评价的理论公式,并利用振动测试得到的有限个离散点的挠度信息对振动模态进行近似处理,最后利用最小二乘法求解层板的弯曲刚度。在数值算例中,本文对两种边界条件下三种对称复合材料层板的弯曲刚度进行了评价,同时考察了测试点数目对弯曲刚度常数评价误差的影响。     

热环境对基础激励作用下纤维增强树脂基复合薄板振动特性的影响

采用理论与实际相结合的方式,研究了热环境对纤维增强树脂基复合薄板振动特性的影响。首先,建立了基础激励作用下纤维增强树脂基复合薄板在热环境中的解析模型,推导获得了固有频率、模态振型、振动响应及阻尼比的解析表达式,并给出了热环境下复合薄板振动特性的求解流程。然后,搭建了热环境下该类型复合薄板结构的振动测试系统,并以TC500碳纤维/树脂薄板为研究对象进行了实际测试。以相应的测试结果为例,研究发现,当温度从20℃上升到200℃时,复合薄板的模态振型基本不发生改变,固有频率降低幅度在2.3%~36.6%之间,振动响应幅值增大范围约为15.3%~58.4%,且阻尼性能也呈现增大的趋势,例如相对于常温下的阻尼结果,当温度上升到200℃时,其前6阶模态阻尼比的增大程度在13.9%~56.4%之间。另外,经过对比理论和测试获得的不同温度下的固有频率、模态振型、振动响应及阻尼结果可知,两者吻合较好,进而验证了解析分析方法及其结果的正确性。      

复合材料层压板振动参数的铺层顺序优化研究

本文针对目前在复合材料结构设计中较少考虑的振动特性优化问题,采用减缩区间法与枚举法相结合的手段,对给定层数和角度的层压板进行了铺层顺序的优化研究,使其满足振动频率和模态阻尼的要求。通过对20层对称层板的计算可以看出,采用本文所述方法,不仅可节省大量计算时间,而且所得的频率和比阻尼容量值与实验结果具有良好的一致性,证明了该方法的可靠性。本文的研究可作为工程设计中一种有效的手段,所完成的软件具有一定的工程应用价值。     

复合材料层压板振动参数的铺层顺序优化研究

本文针对目前在复合材料结构设计中较少考虑的振动特性优化问题,采用减缩区间法与枚举法相结合的手段,对给定层数和角度的层压板进行了铺层顺序的优化研究,使其满足振动频率和模态阻尼的要求。通过对20层对称层板的计算可以看出,采用本文所述方法,不仅可节省大量计算时间,而且所得的频率和比阻尼容量值与实验结果具有良好的一致性,证明了该方法的可靠性。本文的研究可作为工程设计中一种有效的手段,所完成的软件具有一定的工程应用价值。      

On the determination of mechanical properties of composite laminates using genetic algorithms

This paper describes a method which combines finite element analysis and genetic algorithms (GAs) for identifying the elastic constants of composite laminates by using vibration test data. A procedure updates the elastic constants in a numerical model so that the output from the numerical code fits the results from vibration testing. In this approach, the elastic constants can be readily identified in a single test without damaging the structure. The GA, developed on a personal computer using the language MATLAB, applies the general-purpose numerical code MSC-NASTRAN to carry out the modal analysis.     

基于形状导数和水平基函数的复合材料层合结构拓扑优化

首次利用水平基物质分布函数推出域内积分与边界积分泛函的形状导数 , 建立了复合材料刚性连续结构拓扑优化设计理论的新模型。通过将形状导数和增广的 Lagrangian 乘子法相结合 , 提出了复合材料结构拓扑优化敏度分析的新方法。设计边界的进化是通过人为掌握目标函数下降的速度来控制。水平基函数的曲面在不改变拓扑结构的前提下上下运动 , 从而通过边界的合并与分离改变嵌入其中的零水平基面上设计构件的拓扑结果。广泛的 2D复合材料悬臂梁研究验证了本文中方法的有效性。      

高超声速飞行器复合材料翼面结构1100℃高温环境下的热模态试验

为了在热模态试验中获得难于测量的超过1 000℃的高温环境下复合材料翼面结构的振动特性参数,将高温瞬态热试验系统与振动试验系统相结合,建立了可对高超声速飞行器耐高温复合材料翼面结构进行1 100℃高温环境下热模态研究的热/振联合试验系统。通过自行研制的耐高温陶瓷导杆引伸装置将复合材料翼面结构上的振动信号传递至非高温区域,使用常温加速度传感器对高温环境下高超声速飞行器翼面结构上的振动信号进行数据识别;并运用时-频联合分析技术对试验数据进行分析处理,实现了在1 100℃热/振复合环境下对复合材料翼面结构的模态频率、模态振型等关键振动特性参数的试验测试。研究结果为高超声速飞行器复合材料翼面结构在高温环境下的动特性分析及安全可靠性设计提供了重要依据。     

交替层合阻尼结构主控各向异性层参数对结构阻尼的影响

借助动态热机械分析仪(DMA Q800) 对交替层合各向异性阻尼结构阻尼性能的影响权重最大层的各参数进行优化实验研究。探讨了该主控约束层的不同铺设角度、不同厚度和不同多子层替代对层合阻尼结构刚度、阻尼的温频特性的影响规律。实验结果表明, 结构阻尼性能的影响权重最大层纤维铺设角度越接近90°(包括两个90°约束层层合) 时, 结构阻尼性能越好; 结构不同, 影响权重最大层较优厚度有所差异, 当阻尼层总厚度与结构阻尼性能影响最大层厚度比约为10 时, 结构阻尼性能较好。