湿热环境下SMA复合材料层合板的振动特性分析

来源 :中国民航大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:qjunp
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在航空应用领域,因为具有形状恢复、高强高模、抗环境和高应力破坏等特性,SMA已作为一个热门的智能材料而开始在航空领域有所运用,而SMA复合材料(SMARC)已成为了未来飞行器“智能化”的核心技术。在应用过程中通常会处在温度和湿度变动较大的环境中,故研究湿热环境的变化对复合材料的影响具有重要价值,也是智能材料结构设计的关键步骤。本文将SMA以增强体的形式铺设在玻璃纤维复合材料中制成SMA复合材料,并通过有限元计算与试验方式,探究了湿热环境下SMA丝的加入对复合材料的振动性能的影响,并对SMA复合材料在湿热振动特性进行预测,从而实现材料基于振动性能的可设计性。首先,在一维Brinson模型的基础上结合一阶剪切变形理论和哈密顿原理,推导出SMARC的湿热本构方程和固有频率的表达式,为后续有限元计算提供理论基础。然后进行了SMA性能参数测量试验,得到有限元数值计算的输入,通过编制相应的用户材料子程序(UMAT),建立了多种铺设形式的SMARC湿热振动模型。并制备了不同内部结构的SMA复合材料,在经过湿热处理后进行振动试验,并与有限元结果进行对比。得到了不同SMA铺设方式和体积含量的复合材料在热环境和湿环境下振动特性的变化趋势。最后引入分层损伤,探究分层损伤存在时,不同SMA体积含量和铺设方式的复合材料在湿热环境下的固有频率的变化规律。本论文在推导出形状记忆合金复合材料的湿热本构方程的基础上,通过试验探究与有限元数值计算的方式,探究了关于湿热环境下SMA复合材料的固有频率和阻尼比随着SMA的铺设方式的变化规律。由于SMA的嵌入,复合材料的固有频率与阻尼性能会有一定的程度的改善,但是SMA的体积含量过高会导致材料在湿热环境下的结构刚度与等效模量降低,因此体积含量存在一个最优值,并非越高越好;分层损伤的存在会影响SMA复合材料的动特性与屈曲状态发生的时机;SMA纤维的铺设位置与分层损伤区域的间距越小,其固有频率越接近无损伤板,且在材料的1/2层与9/10层之间嵌入SMA,可以有效地提高其发生屈曲状态时的温度与湿度。
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