附面阻尼随频率变化的复合材料层合结构非平稳随机振动分析

 提出了对敷设粘弹性阻尼层的复合材料层合结构非平稳随机振动分析的高效精确算法。考虑了粘弹性阻尼材料对激振频率的依赖性及Adams提出的复合材料层合结构的阻尼模型。为解决依赖频率变化的非经典阻尼的复杂结构,结合实模态降阶直接解法对虚拟激励法做了相应的发展,并采用精细积分法高效精确地求解了随机振动方程。以国产有限元程序系统DDJ为平台开发了相应的程序,并对波音737客机的水平尾翼的复合材料安定面结构进行模拟研究,从复杂的计算及合理的结论可以看出,本文中所提出的方法对于这类十分复杂复合材料结构的非平稳随机振动分析十分有效。     

多层黏弹性复合材料结构阻尼性能优化设计

针对多层黏弹性复合材料结构阻尼性能设计优化问题,运用能量法既考虑其面内应变能,又考虑其横向剪切应变能,建立其损耗因子的计算模型,并用实验方法验证其挠度函数的可行性.然后以多层黏弹性复合材料结构的损耗因子最大化为优化目标,用改进遗传算法对其阻尼性能进行单变量和多变量优化设计.数值结果表明,应用遗传算法优化设计多层黏弹性复...     

低温共固化高阻尼复合材料

在低温下实现了嵌入式阻尼复合材料的共固化,且共固化层合板具有良好的层间结合性能。通过正交试验研制出一种能够与玻璃纤维/酚醛树脂预浸料在80℃时共固化且力学性能优良的黏弹性材料组分。探索使用强极性的四氢呋喃作为溶剂将黏弹性阻尼材料溶解为阻尼胶浆,然后用刷涂工艺制作带阻尼薄膜的预浸料,最终按照预定的铺层经过共固化工艺制备出嵌入式低温共固化复合材料试件。自由衰减试验及层间剪切试验获得了阻尼性能及剪切性能随阻尼层厚度的变化规律曲线,实验数据表明：随着阻尼层厚度增大,复合材料结构的阻尼系数变大,层间剪切应力逐渐减小。     

局部贴敷黏弹性阻尼层圆柱壳振动频率与阻尼有限元分析

在引入黏弹性材料复模量模型和考虑圆柱壳弹性边界的基础上,研发了有限元程序来解决考虑频率依赖性的复合圆柱壳振动频率与阻尼的非线性计算问题。创建了一种4节点24自由度复合壳单元来模拟局部贴敷黏弹性阻尼层圆柱壳的力学行为,推导了单元的刚度及质量矩阵。提出由6个弹簧组组成的周向变刚度弹性约束模型来模拟圆柱壳底部的弹性边界条件。确定了复合圆柱壳的动力学有限元方程,并描述了用特征向量增值法求解其振动频率与阻尼的迭代计算过程。对贴敷ZN-1自由阻尼层圆柱壳进行了实例计算,结果表明：该算法的计算结果与实验测试值误差最大为369%,另外黏弹性材料的频率依赖性对复合结构固有频率影响小于001%,而对模态损耗因子影响最大为10947%。     

共固化复合材料粘弹阻尼结构的损耗因子研究

应用基于有限元的模态应变能法研究了共固化复合材料粘弹阻尼结构的损耗因子,同时考虑了粘弹性阻尼材料的频率依赖性和复合材料本身对振动能量的损耗,提出了该类型结构的有限元模型,并通过算例分析验证了该模型;考察了纤维增强复合材料本身的阻尼因素、柔性层的引入以及阻尼层的位置对复合材料粘弹阻尼结构损耗因子的影响,并给出了提高此类结构损耗因子的途径。     

单向陶瓷基复合材料阻尼计算方法

根据陶瓷基复合材料界面脱黏区及黏结区纤维和基体的应力分布,分析了拉伸和卸载时纤维相对基体的滑移机制,发展了单向陶瓷基复合材料阻尼的计算方法,并进行了数值分析.结果表明:①陶瓷基复合材料本身固有黏弹性阻尼很小,材料发生基体开裂后,界面滑移而引起的摩擦耗散成为材料主要的阻尼机制;②减小界面剪应力或减小纤维体积含量可以改善材料的阻尼性能;③材料阻尼随裂纹间距的增大而减小.      

碳纤维增强复合材料结构阻尼性能研究

碳纤维增强复合材料的阻尼性能对所应用结构的动态承载能力、可靠性和安全性有重要影响。复合材料阻尼机理复杂,很难采用理论方法研究。本文基于瞬态激励法原理,设计了悬臂梁振动试验,利用有理分式多项式法提取试样的模态频率和模态损耗因子。分别对603和603A两种树脂基体,各三种T300纤维铺层方向的复合材料试样进行了振动测试,获得了材料1 kHz以内的动刚度和阻尼特性。结果表明,基体材料组分和纤维铺层方向对碳纤维增强复合材料的结构刚度和阻尼性能有重要影响;603A基体的碳纤维增强复合材料具有较603基体材料更好的损耗因子。铺层方向对结构阻尼的影响主要是通过对结构刚度的影响而体现出来的,不同纤维铺层方向的复合材料试样刚度差别很大。     

约束阻尼结构力学性能研究与参数优化

飞行过程中的气流扰动、机械振动使得飞机典型薄壁结构承受宽频振动,产生振动疲劳从而影响飞机结构的寿命和安全性,约束阻尼结构处理是一种经济有效的抑振手段。采用黏弹性阻尼材料和单向玻璃纤维复合材料制备两种约束阻尼结构,研究它们的阻尼和力学性能;利用有限元仿真手段对约束阻尼结构修补飞机典型悬臂梁结构的参数进行设计和分析,考察阻尼层厚度、约束层厚度以及补片尺寸对结构振动响应的影响,得到约束阻尼参数规律,并以参数优化后的约束结构为基础设计振动测试实验。结果表明：约束阻尼处理后的悬臂梁结构能有效地降低结构危险点的应变幅值;三层阻尼结构抑振效果优于双层约束阻尼,能够显著降低结构危险点在承受振动加载时的应力值,提高结构振动疲劳寿命。     

弹性支承黏弹性阻尼-航空发动机薄壁机匣动力学特性分析

面向航空发动机薄壁机匣部件黏弹性约束层阻尼减振分析的工程需求,开展黏弹性阻尼-机匣弹性支承边界模拟和结构动力学分析研究。将机匣进行力学简化为圆柱壳体模型,通过引入一系列人工弹簧,将圆柱壳边界载荷的转化为弹簧的弹性势能,实现了机匣任意边界支撑刚度的有效模拟。结果表明：增大边界刚度可以提高机匣的固有频率,机匣的阻尼特性对支承刚度的敏感性与固有频率相反。此外,在机匣工程设计过程中,可以通过加强支撑结构的环向和法向刚度,获得满意的结构动力学特性。     

嵌入式共固化耐高温阻尼复合材料制备及老化前后力学性能

嵌入式共固化阻尼复合材料的耐高温性能对其在极端环境下的应用至关重要。本文在正交实验的基础上提出一种具有优异耐高温性能的黏弹性材料组分,探索使用四氢呋喃溶剂将其溶解成胶浆,研究采用刷涂工艺在复合材料预浸料(T700/QY260)上制成阻尼薄膜,并与不带阻尼薄膜的复合材料预浸料一起根据设计要求铺设,利用预浸料的固化工艺曲线在热压罐中共固化成型,最终制成一种新型嵌入式共固化耐高温阻尼复合材料。通过测试其阻尼层与复合材料预浸料在老化前后的常温层间结合性能,验证这种复合材料的耐高温性能。结果表明,材料具有很好的耐高温性能,这就使嵌入式共固化大阻尼复合材料进入特种环境下的应用领域成为可能。     

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。     

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。     

几种基于组合方法的复合材料层合板壳单元

 为了方便合适地选取单元进行工程分析,本文基于开放式结构有限元分析系统SiPESC.FEMS,提出一种基于经典模型的复合材料层合板壳单元程序计算框架。此框架利用组合的方法,考虑平面壳单元中板、膜单元之间的关系以及程序编制过程中的重用性、灵活性等特点,采用了软件设计中的构造器(Builder)模式实现不同的复合材料层合板壳单元。本框架具有一定的通用性和可扩展性,能够处理复杂荷载、边界条件及三维空间不同材料铺设方向的层合板壳的结构分析问题。基于此方法实现了5种复合材料层合板壳单元,通过数值算例分析对比讨论各单元性能,显示了本框架具有简单实用等特点以及采用组合方法构造单元的优势。     

自由阻尼梁高频能量流响应的解析模型

针对自由阻尼梁的高频振动问题,基于波动理论提出了大阻尼复合结构的能量流解析模型。利用等效复刚度方法确定了完全自由阻尼梁结构的等效弯曲刚度和损耗因子,基于能量流分析方法构建了结构的能量密度控制方程,求解了结构的高频能量流响应。分析了弯曲波在阻尼结构耦合处的能量传递特性,构建了局部自由阻尼梁的高频能量流解析模型,预测了大阻尼耦合结构的高频振动特性。数值结果表明,提出的能量流解析解与经典的时空平均波动解一致逼近,因而能够精确地预测自由阻尼梁等大阻尼复合结构的高频能量流响应。     

Non-random vibration analysis for general viscous damping systems

The authors recently developed a kind of non-probabilistic analysis method, named as ‘non-random vibration analysis’, to deal with the important random vibration problems, in which the excitation and response are both given in the form of interval process rather than stochastic process. Since it has some attractive advantages such as easy to understand, convenient to use and small dependence on samples, the non-random vibration analysis method is expected to be an effective supplement of the traditional random vibration theory. In this paper, we further extend the non-random vibration analysis into the general viscous damping system, and formulate a method to calculate the dynamic response bounds of a viscous damping vibration system under uncertain excitations. Firstly, the unit impulse response matrix of the system is obtained by using a complex mode superposition method. Secondly, an analytic formulation of the system dynamic response middle point and radius under uncertain excitations is derived based on the Duhamel's integral, and thus the upper and lower response bounds of the system can be obtained. Finally, two numerical examples are investigated to demonstrate the effectiveness of the proposed method.     

基于非线性压缩变换的纤维增强复合薄板非线性阻尼的时域测试方法

提出了基于非线性压缩变换的纤维增强复合薄板非线性阻尼的时域测试方法。基于非线性压缩变换构造了理论分析信号,并推导获得了复合结构系统非线性阻尼的表达式,明确了从时域测试角度获取非线性阻尼参数的理论原理。编写了Matlab算法,并用数值算例证明了该算法的正确性。总结并概括出一套合理、规范的测试流程,并对TC500碳纤维/树脂基复合薄板进行了实际测试。实践证明,利用所提出的方法可以有效获得复合薄板在不同衰减时刻对应的阻尼参数,该方法可以用来定量评价不同振动幅值及频率下复合结构的非线性阻尼特性。      

Multi-objective optimization of frequency and damping of vertical stabilizer skin structure placed with variable-angle tows

The vibration characteristics of composite vertical stabilizer skin structures play a critical role in damping effects designed for overcoming the air disturbances experienced by aircraft structural components during flight. The first-order fundamental frequencies and their corresponding damping characteristics of the vertical stabilizer skin structure tow-steered by automatic fiber placement technique were optimized with the parameterized trajectories and plies as design variables. Firstly, the vibration and damping numerical models were derived based on Kirchhoff laminate theory, the Rayleigh-Ritz method, and the Strain Energy Method. Then the optimization model was developed by adopting the self-adaptive Differential Evolution Multi-objective optimization algorithm and incorporating the solution method of Pareto Front. The constraints of this optimization model considered the experimentally obtained minimum turning radius of prepregs tow-steered in automatic fiber placement process obtained from experimental tests. Finally, the comparison of numerical simulation results was conducted for the optimized trajectories and the conventional straight trajectories under various boundary conditions, and the numerical results were partially validated through damping and frequency tests. The results indicate the vibration characteristics of the composite vertical stabilizer skin structure can be enhanced to a large extent by optimizing fiber trajectories, and the enhancement percentage is affected by the boundary conditions of the actual structure.     

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。