湿热环境下胶接修理碳纤维/环氧树脂基层合板振动特性

通过理论推导和有限元仿真,研究四端固支的复合材料层合板胶接修理结构在湿热环境下的振动特性。基于Mindlin一阶剪切变形理论和Hamilton原理,考虑湿热应力,利用温度与湿度的等效性,推导受湿热环境影响的复合材料层合板本构方程,采用有限元法求解层合板的振动特征方程。利用有限元软件ABAQUS,建立胶接修理层合板模型,并与文献结果进行对比,讨论不同的湿热环境和附加补片个数对胶接修理层合板振动特性的影响。结果表明:湿热环境下,附加补片的引入都使得胶接修理层合板各阶固有频率降低,附加补片个数由一个变为两个时,一阶固有频率进一步下降;湿度增加对固有频率降低的影响大于温度增加对固有频率的影响;在温度、湿度同时升高的环境下,附加补片的引入会使层合板胶接修理结构更早地达到湿热屈曲的状态。     

含穿透型损伤层合板修理构型的湿热振动特性

通过理论推导和数值仿真研究了湿热效应对碳纤维复合材料层合板不同修理构型的振动特性影响。基于哈密顿原理和一阶剪切变形理论,同时考虑温湿度场的等效原理建立了湿热环境下多自由度复合材料层合板的本构方程,并利用有限元法推导了层合板在湿热作用下的振动控制方程。利用商用软件ABAQUS建立了阶梯型胶接修理模型,从振型分析的角度对比了含、不含附加补片的单/双面胶接修理构型的振动特性,并讨论了温度、湿度、温湿度对不同修理构型振动特性的影响。结果表明：湿热效应影响下铺设附加补片可避免胶接区域局部变形过大,在提高结构的刚度和稳定性的同时延缓湿热屈曲现象的发生;含有附加补片的双面胶接修理构型可避免结构产生附加弯曲,提高修理后结构的稳定性;温湿环境共同作用比湿环境、热环境单一作用对复合材料层合板固有频率的影响大,且含附加补片的双面胶接修理构型较单面胶接修理构型对温湿度影响的敏感性低。     

含分层损伤复合材料层合板振动特性

针对复合材料层合板分层损伤区域上、下子板的畸变模态,采用自定义矩阵单元模拟其损伤区的接触刚度,建立了一种合理的层合板分层损伤有限元振动分析模型;在此基础上研究了分层深度和分层大小对复合材料层合板振动特性的影响.数值模拟结果与实验结果的对比表明:采用的自定义矩阵单元可以有效地模拟层合板的分层损伤,模态计算值与实验值的最大误差为10.67%,最小误差为0.34%;分层深度和分层大小对复合材料层合板振动特性有较大影响,随分层深度变化,固有频率最多下降50%;随分层大小变化,前4阶固有频率最多下降12%.      

复合材料层合板的振动模态试验研究

采用逐点激励单点测试（SISO）的方法,在自由状态和一端固支状态下对无损伤和含开孔损伤的复合材料层合板进行了模态试验和模态识别.根据测量得到的试验件的频率、阻尼和振型等模态参数,分析了层合板在不同边界条件下开孔损伤位置和开孔损伤大小对层合板的振动特性的影响.结果表明：复合材料层合板具有优越的阻尼特性;试验获得的振动特性与相关文献中的结果一致;开孔损伤位置和开孔损伤大小对层合板的振动特性有明显影响.     

基于有限点振速信息的复合层合板声功率优化

在低频时,控制第一阶声辐射模态幅值可有效控制辐射总声功率。为了降低层合板结构辐射声功率,提出了一种基于声辐射模态的有限点速度信息获得层合板结构声辐射模态幅值。通过在层合板表面上测量少数点振动速度信息,求解声辐射模态展开构成的欠定方程组,得到前几阶声辐射模态幅值近似值。以第一阶声辐射模态幅值与近似值之差绝对值作为目标函数,利用遗传算法,得到最优有限个测量点位置。以8层层合板为例,通过4个最优速度信息计算得到第一阶声辐射模态幅值与理论值基本一致,同时对优化前后声功率衰减量进行对比,结果表明,通过利用有限点振速信息可有效控制层合板结构辐射总声功率。     

Large Amplitude Flexural Vibration of the Orthotropic Composite Plate Embedded with Shape Memory Alloy Fibers

研究了形状记忆合金(SMA)纤维混杂复合材料大挠度层合板的非线性自由与受迫振动特性。基于描述SMA力学行为的Brinson理论以及层合板材料性能预测的混合率,建立了SMA纤维混杂复合材料大挠度层合板的本构方程,基于对称层合各向异性弹性板的非线性理论,建立了以横向挠度和应力函数表示的板的横向振动方程和相容方程。采用Galerkin近似解法将振动方程化为时间变量的含有3次非线性项的Duffing型常微分方程,采用谐波平衡法(HBM)获得系统的固有频率方程和强迫振动稳态频率响应方程。数值计算表明,非线性板自由振动频率比与激励温度的关系具有与线性板相同的特征,马氏体相向奥氏体相转变阶段温度对板的振动频响特性曲线的影响最显著,同时也讨论了SMA纤维含量、板的纵横比以及自由振动幅值对板的非线性频率比的影响。     

基于锤击法的复合材料层合板振动理论及实验模态分析

基于实验模态分析理论,构建了复合材料层合板的模态实验理论及测试系统。首先制备了150mm!80 mm!3.75 mm的碳纤维复合材料层合板,通过DH5922N动态数据采集仪提取了加速度传感器以及力锤所感应到的频响函数及激励信号。将频响函数导入DHDAS动态信号分析系统后获得复合材料层合板一阶及二阶固有频率分别为323.103和656.180 Hz,并测得对应频率下的各测点振型。结果表明,利用本文所提出的实验理论及所用设备可精确提取复合材料层合板的模态信息。     

苎麻纤维增强酚醛树脂基复合材料的湿热性能研究

通过模压工艺制备了苎麻纤维织物增强酚醛树脂基复合材料层合板,研究了模压层合板在不同湿热环境下的水吸收与扩散及力学性能。研究表明:在20℃,40℃和60℃三种温度下,相对湿度的上升使层合板瞬时吸湿速率增大很明显,而在50%相对湿度下,温度对层合板的饱和吸水率的影响不大。当吸湿份数在0.5以下时,层合板在50%的相对湿度和20℃,40℃和60℃三种温度下,水扩散系数分别为2.16×10-6cm2/s,2.94×10-6cm2/s和6.61×10-6cm2/s。层合板的力学性能随吸水率的增加而下降。通过扫描电子显微镜(SEM)观察,层合板力学性能下降的主要原因是水分破坏了纤维和树脂的界面,同时进入纤维的空隙中,影响了复合材料中的应力传递,使复合材料力学性能下降。     

考虑剪切效应的复合材料层合板阻尼特性研究

为了对复合材料结构设计模型进行优化,基于Hencky假设,考虑剪切应力的影响,建立了复合材料层合板的有限元分析模型,在微观力学角度上改进3相桥联模型,预测能量损耗因子,获得目标复合材料层合板的固有频率、振型以及比阻尼容量等振动相关参数。以碳纤维材料层合板为例,将计算结果与现有文献结果进行对比,验证了改进模型的正确性。矩形层合板具体分析结果表明:复合材料层合板在一端固支下,无论是长度还是宽度的变化,对第1阶固有频率的影响都很微弱;第4、5阶固有频率表现出趋于同频现象,振型也会产生类似变化趋势;在长度和宽度变化下,第6阶模态结果则表现出相反的对数变化轨迹。     

基于三角剪切变形理论的对称层合板振动分析

根据三角剪切变形层合梁理论,推导出对称复合材料层合板的运动微分方程,利用逆复合二次径向基函数无网格配点法对运动微分方程进行离散,预测了对称复合材料层合板的自由振动特性。将不同材料参数、几何尺寸的层合板固有频率计算结果与相关文献中的结果进行对比,结果表明：用逆复合二次径向基函数离散的三角剪切变形理论在对称复合材料层合板自由振动分析方面具有一定的精度。     

湿热对单向复合材料层合板Ⅱ型分层特性的影响

利用横向裂纹拉伸试验模型（Transverse Crack Tension-tension Test）,在3种湿热环境（室温、85℃和85℃/95%RH）条件下,对2种单向碳纤维增强树脂基复合材料（T300/QY8911和HTA/6376）层合板的Ⅱ型分层特性进行了试验研究。结果表明湿热环境导致复合材料层间断裂韧性降低,引起Ⅱ型应变能释放率门槛值显着下降,裂纹扩展速率大大提高,温度的影响较湿度更为明显。利用电镜（SEM）对试样分层表面进行了检测,湿度对断面特征无明显的影响。     

特殊正交层合板的声疲劳特性分析

研究分析承受随机声激励的特殊正交矩形层合板的响应。假定板的边界条件为全简支和全固支，且在上述情况中的面内边界条件认为是可动的和不可动的。应用等价线性化方法获得矩形层合板的均方位移、均方应力／应变和等价线性化频率。得到的分析结果可用于指导高声强噪声环境下的复合材料层合板声疲劳设计。     

含孔复合材料层合板温度环境下的拉伸性能

根据增量形式的虚功原理和单层板理论,推导了基于温度环境下复合材料层合板的应力分析公式,结合逐渐损伤分析理论,建立了考虑温度影响的复合材料层合板的逐渐损伤强度分析方法.在此基础上,对含孔复合材料层合板在22,80,120℃下的拉伸失效过程进行预测,与80℃和120℃下的试验结果相比,预测强度值的最大误差为-2.28%.研究表明:随着温度的升高,含孔复合材料层合板的初始纤维损伤强度和破坏强度逐渐降低,而其初始基体损伤强度逐渐增大.      

湿热环境下复合材料层合板本构模型研究及其应用

近年来复合材料被广泛地应用于航空航天等工程领域。在实际的使用中,复合材料在不同的湿热环境下其力学性能会发生显著变化,针对这一问题,国内外已有大量的试验研究,而对湿热环境下复合材料的本构模型理论的研究则较少。在经典层合板理论基础上引入湿热膨胀系数的概念,通过定义一个无量纲的温度,建立材料弹性常数与湿热参数之间的函数关系,推导出复合材料单层板在湿热力耦合作用下的本构关系,同时加入三维Hashin失效判定准则对层合板的损伤演化及失效模式进行模拟。结果表明:该模型较好地预测了复合材料层合板在不同湿热环境下的弹性响应,为分析实际工程中复合材料结构模型在湿热环境下的力学行为提供了重要参考。     

高温环境下二维正交编织C/SiC复合材料壁板振动模态演化

为了研究高温环境下二维正交编织C/SiC复合材料壁板的固有振动特性随温度的变化规律,进一步揭示模态跃迁和丢失现象。首先建立了二维正交编织复合材料的细观非均匀有限元模型,基于细观模型采用体积平均法计算得到了均匀化后材料的模量、热膨胀系数和热传导系数等宏观性能参数。在此基础上,分别研究了均匀温度和线性非均匀温度载荷下,四边简支复合材料板在屈曲前后固有频率及模态振型随温度的变化规律。研究结果表明:在均匀温度场下,如果仅考虑热载荷对材料模量的影响时,随着温度的升高,各阶固有频率逐渐降低,但降低的幅度不大;仅考虑热应力对结构刚度影响时,在临界屈曲温度后固有频率反而上升,并且随着温度的升高出现了频率交错,其对应振型发生了跃迁现象;当同时考虑热物性和热应力影响时,各阶频率值变化趋势与仅考虑热应力时类似,只是对应温度点的频率值有所下降。而在线性非均匀温度场下,通过对比不同工况下的模态振型发现,随着温度的升高某些模态振型还会出现丢失,并且这种丢失是从低阶到高阶依次发生的。     

基于压电纤维复合材料的离心叶轮叶片高阶模态测量

为准确获取离心叶轮叶片的高阶振动特性及其模态,利用压电纤维复合材料(Marco fiber composite,MFC)对离心叶轮叶片进行模态测试。设计了MFC激励系统,提出了MFC选型、激励和测点位置的确定方法,研究了不同信号的高阶模态激励效果,并分析了MFC附加质量和刚度对叶片固有频率和模态的影响;结合有限元仿真结果,对比分析了前20阶振动模态的异同。试验结果表明:MFC具有操作简单、重复性好、信噪比高、能够稳定激励出高阶模态等优势,计算模态与测量模态吻合较好,在第6～8阶与第12～15阶之间存在模态密集区域;MFC附加质量和刚度对实验固有频率的影响低于4%。提出的MFC激励方法可用于具有较高固有频率的航空发动机部件的模态测量。     

由摩擦阻尼铰实现桁架结构的被动减振研究

研究利用一种摩擦力随振动幅值的增大而增大的阻尼铰进行结构振动的被动控制。首先分析了含干摩擦约束铰结构单体梁的振动特性,并给出了系统随振动幅值变化的等效固有频率和粘性阻尼的定量表达式,然后建立了在桁架结构中设置此种摩擦铰的振动方程,分析了系统的动力特性,由计算结果发现,这种摩擦铰具有良好的阻尼特性;通过这种非线性元件,不仅通过滑移时消耗能量,而且可以将能量由低阶模态转移到高阶模态来加速振动衰减。     

基于Ansys的永磁同步电机转子振动分析

振动是电机的重要指标,对电机转子进行振动分析为其结构改进和性能优化提供理论依据。运用Ansys有限元分析软件对永磁同步电机转子进行模态分析,得到该电机转子振动系统的低阶固有频率和模态振型,分析了电机振动特性。 通过电机转子模态试验,求得电机低阶固有频率,对比仿真与试验结果,验证有限元分析结果的可靠性。由结果分析可知,研究对象在额定转速下未产生共振,验证了其结构设计的合理性。研究内容对永磁同步电机的设计和优化有一定的指导意义。     

基于激光多普勒测振的叶片振动特性试验

为了实现叶片振动特性的高精度、多点、非接触测量,对激光多普勒测振原理与应用进行了研究,将激光测振技术引入到叶片振动特性测试中,搭建了1套非接触式声激励测振系统。以某型航空发动机压气机第2级叶片为研究对象,测量出叶片表面153个测点的响应、5kHz内的前5阶固有频率和振型、前3阶应力分布,并将试验结果与有限元分析以及传统振动特性试验采用共振法、模态法获得的振动特性结果进行对比。结果表明:非接触激光测振法可以同时获得叶片高阶模态和全场应力分布,弥补了传统振动特性试验的不足。测得叶片频率与采用共振法、模态法得到的结果相比误差在1%以内,相对应力分布与有限元分析结果基本一致,证明了该新型叶片振动特性试验方法的正确性与先进性。     

纤维增强树脂基复合材料阻尼特性的数值模拟

应用基于应变能的有限元方法研究了纤维增强复合材料的阻尼特性,此方法从单向复合材料的阻尼性能参数出发,通过有限元模态分析得到复合材料结构的模态损耗因子,与已有的理论分析和试验结果相比吻合较好,从而验证了该方法的合理性。该方法还可以比较三维应力分量对阻尼的贡献。本文将该方法应用于一种复合材料等间距正交网格加筋板的阻尼特性分析,考察了加筋对复合材料层合板阻尼特性的影响。