考虑温度影响的纤维增强复合材料结构损伤定位及演化研究

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纤维增强复合材料结构具有比重量轻、比强度高、比模量大、可设计性强等优点,因此被广泛应用于航空、航天等重要领域。由于纤维增强复合材料结构容易出现制造缺陷,且其服役环境复杂,可能长期处于高温、高压、高幅振动、腐蚀、冲击等恶劣工况下,因此容易产生纤维断裂、基体裂纹、脱粘、疲劳、分层损伤等。而复合材料结构的损伤检测难点是由于材料的各向异性、碳纤维的导电性、声衰减严重以及许多损伤常常发生在表面之下,使其在无损检测方面与传统金属材料存在区别,因此很难被检测,故复合材料结构的损伤检测比金属结构更为困难。本文以纤维增强复合材料梁、板结构为研究对象,搭建了面向高温测振需求的二维激光扫描测振系统,并对该类型复合材料梁、板结构在常温下的损伤定位方法和热环境下的损伤演化规律进行了深入研究。具体研究内容可分为以下几部分:(1)设计并开发了一套面向高温测振需求的二维激光扫描测振装置。首先,详细介绍了该装置的硬件组配、扫描方式的选择、扫描方向的选择、扫描坐标原点的设定、当前位置的显示、运动轨迹设置、扫描速度的控制方法以及模态振型的获取原理。然后,以HF10碳纤维/树脂基复合材料板为研究对象,搭建了悬臂边界条件下复合材料板的振动测试系统,并总结、概括出一套规范的测试流程。最后,在常温和热环境下分别对其进行试验测试,在常温下研究了不同拧紧力矩对其固有频率的影响,验证了其模态振型结果的准确性,并在热环境下研究了不同温度对其固有频率和模态振型的影响规律。(2)提出了基于幂指数逼近-集中质量法来准确辨识纤维增强复合材料梁、板结构损伤位置的损伤定位方法。首先,分别以该类型复合材料梁、板结构为例,建立了对应的集中质量模型,通过理论与试验相结合,获得损伤后的残差力向量,并将最大残差力元素值作为损伤关键定位指标。接着,提出了损伤逼近判定准则,阐明损伤定位理论原理,总结、概括出一套规范的定位流程。最后,利用所提出的方法对带有不同纤维断裂损伤的T300碳纤维/树脂基复合材料梁、板结构的损伤位置进行了实例研究。研究发现所提出的定位方法可有效辨识获得复合材料梁、板结构的损伤位置。(3)提出了考虑温度影响的热环境下带损伤纤维增强复合材料板的损伤定位方法及损伤演化规律假设。首先,建立了热环境下纤维增强复合材料板结构的集中质量模型,并结合第3章提出的复合材料板的损伤定位方法,进一步提出热环境下复合材料板的损伤演化程度及损伤演化面积规律假设。然后,以悬臂边界条件下纤维增强复合材料板为研究对象,在某温度T下研究其在不同加热时间下的损伤演化程度和损伤演化面积规律,得出损伤演化程度与损伤演化面积函数。最后,将理论预测结果与试验测试结果进行对比,验证了该损伤演化程度函数与损伤演化面积函数的正确性。
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