热环境下纤维增强复合薄板非线性振动特性研究

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纤维增强复合材料比强度高、比模量高、热稳定性好,还有一定的阻尼减振能力,因此被广泛应用于航空、航天等重要领域。目前,工程实际中存在大量通过该类型材料制成的复合薄板结构件,它们通常会处于悬臂边界条件约束下,且随着它们的结构越来越复杂、工作环境越来越苛刻,其振动问题也越来越突出,而且大多数构件通常处于几百摄氏度乃至上千摄氏度的热环境下,热环境不仅会影响复合材料及其结构的力学特性、承载能力以及强度极限,而且会影响振动特性,近年来,由于振动超标而引发的分层损伤、基体开裂等问题也越来越受到人们的关注。同时,纤维增强复合材料与金属材料相比具有明显的各向异性,其宏观薄板结构件还表现出非线性刚度及阻尼等振动特点。因此,研究热环境下复合薄板结构的振动特性问题具有重要的工程及学术意义。本文以TC500碳纤维增强树脂基复合薄板为研究对象,对该类型复合薄板在热环境下的振动特性进行了深入研究,具体研究内容如下:(1)基于经典层合板理论和Hamilton原理研究了热环境下纤维增强复合薄板的振动特性问题,首先,利用正交多项式法和双向梁函数法两种方法分别求解了热环境下纤维增强复合薄板的固有特性。接着,通过双向梁函数法求解了基础激励和脉冲激励两种激励形式下复合薄板在热环境下的频域和时域振动响应。然后,通过正交多项式法求解了热环境下复合薄板的阻尼特性。最后,在热环境下分别对复合薄板的固有频率、模态振型、振动响应以及阻尼特性进行了实例测试,验证了理论计算方法的正确性。(2)针对纤维增强复合材料参数的温度依赖性,建立了具有温度依赖性的纤维增强复合薄板非线性振动特性模型。然后,采用频响函数逼近法对纤维增强复合材料在热环境下的材料参数进行辨识,确定了该理论模型中的相关参数。最后,求解了具有温度依赖性的纤维增强复合薄板的固有特性、振动响应以及阻尼特性,并进行实例测试验证。(3)提出了应变能密度函数法,并利用该方法研究了热环境下具有振幅及温度依赖性的纤维增强复合薄板非线性振动问题。首先,基于Jones-Nelson非线性理论,将复合薄板的弹性模量表示成应变能密度和温度的函数,并采用Ritz能量法和Hamilton原理建立了热环境下具有振幅和温度依赖性的复合薄板理论模型,以便可以对复合薄板的非线性固有频率和振动响应进行迭代求解。然后,以TC500碳纤维/树脂基复合薄板为研究对象,进行实例测试,并将理论计算结果与测试结果进行了对比验证。本文的研究工作进一步揭示了热环境下纤维增强复合薄板结构的振动特性,对于热环境下复合材料结构件的振动破坏以及疲劳损伤有着重要的预示作用,且对于结构系统的动态设计、响应预估、性能优化等多个环节都有着重要的意义,相关研究成果可以为复合材料板件在工程实践中的应用提供重要的技术支持。
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