陶瓷基复合材料阻尼性能研究

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陶瓷基复合材料(CMC)具有优良的高温性能,是发展高性能航空航天飞行器的理想备选材料。结构振动是导致结构破坏的重要因素,而提高材料本身阻尼是抑制结构振动最有效的方法之一。因此,开展CMC阻尼性能定量理论与方法的研究,具有重要的现实意义。本文采用细观力学方法,推导了CMC在加-卸载过程中正向、反向滑移段长度,进而得到了材料的摩擦耗散能及最大应变能计算公式。将材料阻尼与相应能量计算公式相结合发展了单向陶瓷基复合材料能量耗散系数的计算方法,并通过与文献的计算结果相对比,证明了本文计算方法的有效性。在此基础上,讨论了主要材料参数对材料阻尼性能的影响,结果表明,减小界面剪应力和纤维体积含量可以明显提高材料的阻尼性能。由于剪滞模型代表体元只包含单根纤维,难以描述相邻纤维间的相互影响。为了研究材料复杂细观结构对阻尼的影响,本文建立了CMC三维代表性体元模型,发展了基于有限元法的材料能量耗散系数计算方法。通过与理论计算的结果对比,验证了采用有限元法计算材料能量耗散系数的可行性。在此基础上,对材料在不同纤维排列方式下表现出的阻尼性能进行了分析,结果表明,纤维对角排列材料具有最好的阻尼性能。在上述工作的基础上,将单向陶瓷基复合材料阻尼计算方法与杆的纵向振动相结合,研究了CMC结构阻尼的分析方法。推导了CMC杆在发生纵向振动时的结构能量耗散系数的计算公式,计算结果与文献结果较为接近。在此基础上,分析了加载频率对材料阻尼性能的影响。
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