【摘 要】
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在复合材料中,纤维增强复合材料是一种被广泛认可且应用于各领域的新型材料,与传统材料相比有很高的比强度和比刚度,耐高温、耐疲劳、热稳定性好,并且已广泛应用在船舶、建筑、车辆以及航空航天领域。目前,在实际工程中,存在大量通过该类型材料制成的纤维增强复合材料结构件,由于它们服役的环境越来越多样化,由此带来的振动及疲劳破坏问题越来越复杂和严峻,尤其是在热环境中最为常见。为了能够深入研究并抑制由振动引发的结
【基金项目】
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国家自然科学基金(编号:51505070); 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(编号:N170302001,N180302004,N180703018,N180312012,N180313006); 装备预研重点实验室基金项目(编号:6142905192512); 东北大学航空动
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在复合材料中,纤维增强复合材料是一种被广泛认可且应用于各领域的新型材料,与传统材料相比有很高的比强度和比刚度,耐高温、耐疲劳、热稳定性好,并且已广泛应用在船舶、建筑、车辆以及航空航天领域。目前,在实际工程中,存在大量通过该类型材料制成的纤维增强复合材料结构件,由于它们服役的环境越来越多样化,由此带来的振动及疲劳破坏问题越来越复杂和严峻,尤其是在热环境中最为常见。为了能够深入研究并抑制由振动引发的结构疲劳及破坏问题,首先需要准确获得该类型复合材料的材料参数,包括纤维横向弹性模量、纵向弹性模量、剪切模量、损耗因子等,且上述参数对于响应预估、疲劳寿命预测、动态性能优化等多个环节都有着有重要的工程及学术意义。此外,对于不同环境下纤维增强复合材料的材料参数辨识的研究,也为复合材料的材料参数辨识问题提供了一种新的解决思路和方法。为此,有必要对常温与热环境下纤维增强复合材料的材料参数辨识方法进行研究。具体研究内容如下:(1)在常温环境下,研究和开发了一套常温环境下基于激光扫描的纤维增强复合材料参数测试仪,并将对其进行了应用研究。首先,完成了测试仪硬件结构的搭建,并对基于LabVIEW编写的软件及其各个模块的功能和测控优势进行了说明。然后,建立了材料参数测试仪的理论模型。接下来,选取合适的步长来构造材料参数的迭代向量,并详细介绍了辨识材料参数的理论原理。最后,利用该仪器辨识获得了两个TC500碳纤维/树脂基复合梁试件在不同纤维方向对应的材料参数,并与厂家所给的相关结果进行了对比,证明了所开发的材料参数测试仪的可靠性及其算法的有效性。(2)在常温环境下,对基于平面声波激振的纤维增强复合材料参数辨识方法进行了研究。首先,建立了纤维增强复合薄板在平面声波激励下的理论模型,通过公式推导,可实现时域振动响应的理论求解。然后,利用粒子群优化算法,构造了纤维增强复合材料参数辨识方法,并对其原理进行了说明。接下来,基于测试系统,通过VMD法获得了复合薄板测试的固有频率和振动响应。最后,在理论结合实测数据的基础上,基于通过粒子群迭代辨识计算,可成功辨识得到了 CF140碳纤维/环氧树脂材料的各项材料参数,并进行了验证分析。(3)在热环境下,对纤维增强复合材料具有温度和振幅依赖性的材料参数辨识方法进行了研究。首先,为了验证温度和振幅依赖性的现象,对热环境下两个不同类型的PRD-YG-03碳纤维/环氧树脂复合薄板进行了一系列非线性动态特性实验。然后,从材料非线性的角度,引入了与温度和振幅相关的拟合系数,假设了复合材料的复弹性模量的表达式。在此基础上,阐述了非线性弹性模量和损耗因子的迭代辨识原理,并将计算得到的固有频率和阻尼数据与另一个复合薄板的测试对应值进行了对比分析,间接验证了该方法的辨识结果。此外,还讨论了种群规模、变异因子、交叉因子的影响,来更好地利用差分进化算法,让其具有较高的精度和效率。本文是对常温与热环境下纤维增强复合材料参数辨识的方法进行了研究,所提出的辨识方法为纤维增强复合材料的材料参数辨识问题提供了一种新的解决思路和方法,也为纤维增强复合材料振动特性的分析方法与研究体系提供了理论和实测参考。
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