纤维增强复合薄板的阻尼特性分析及其损耗因子辨识研究

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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、船舶、兵器工业等重要领域。目前,工程实际中存在大量通过该类型材料制成的典型复合薄板结构件,如太阳能帆板、航空发动机风扇叶片以及大型风力机叶片等。阻尼参数是该类型复合材料及其宏观结构件动态性能中的一个关键指标,但由于复合薄板微观结构及承受载荷的复杂性,例如,其阻尼不仅与纤维取向、纤维/基体的界面条件、材料制备工艺、环境温度等因素等密切相关,同时还与外界激励频率、激励幅度等密切相关,使得阻尼特性的分析具有很大程度的不确定性。另外,许多研究还发现该类型复合材料的阻尼还会呈现出非线性变化的特点,其与外界激励能量、激励频率等因素密切相关,称之为频率依赖性和振幅依赖性,这给传统的以线性等效为主的振动分析方法带来很大的挑战。到目前为止,学术界尚未建立一种完备而有效的阻尼特性分析方法。针对上述问题,本文研究了纤维增强复合薄板的阻尼特性及其损耗因子的辨识方法,主要分为以下三部分:(1)基于Ritz法与复模量法,考虑了纤维方向的影响,对由纤维增强复合材料构成的薄板结构的线性阻尼参数进行了分析与预测,并讨论了弹性模量、损耗因子、长宽比对其阻尼的影响。同时,编写了 Matlab程序,利用两种方法分别计算获得了复合薄板的阻尼比。为了验证方法的正确性,还进一步进行了实验测试,研究表明基于Ritz法获得的计算结果与测试结果的误差在18%之内,基于复模量法获得的计算结果与测试结果的误差在14%之内,进而验证了该分析方法的正确性。(2)提出了纤维增强复合薄板非线性阻尼的时域分析方法与频域分析方法。首先,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。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激励幅度及频率下复合结构的非线性阻尼特性。同时,还基于应变能密度函数法,从频域角度对具有振幅依赖的纤维增强复合薄板的阻尼特性进行了研究。研究表明,该方法获得理论与实验的结果与时域分析的一致,随着激励幅度的增加,纤维增强复合薄板的阻尼也逐渐增大。(3)从线性与非线性损耗因子辨识角度,研究了纤维增强复合材料阻尼特性的辨识方法并进行了实验验证。首先,以纤维增强复合薄板为例建立其阻尼模型,并利用最小二乘法辨识获得纤维增强复合材料的损耗因子值;进一步,提出了纤维增强复合薄板损耗因子的辨识流程,并以自由边界下TC300碳纤维/树脂基复合薄板为例,对其阻尼参数进行了实际测试,进而辨识获得其损耗因子。最后,将本文获得的测试阻尼结果与利用相同损耗因子的Adams-Bacom模型获得的阻尼计算结果进行了对比,两者误差在15%以内,进而证明了所提出的辨识方法的正确性。
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