三維四向紡織復(fù)合材料的振動模態(tài)分析及T型梁的損傷診斷.pdf

1、三維編織復(fù)合材料是纖維增強復(fù)合材料的一種，它可以制造復(fù)雜形狀的構(gòu)件。三維編織復(fù)合材料與傳統(tǒng)層合復(fù)合材料相比，具有整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，高的比強度，比模量，優(yōu)良的抗沖擊性能和損傷容限等優(yōu)點。三維編織復(fù)合材料在航天、航空等高科技行業(yè)被廣泛用于各種構(gòu)件中，因此對三維編織復(fù)合材料性能的研究具有積極的工程意義。
　　本論文以三維四向編織材料為研究對象，探討細觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對整體振動參數(shù)的影響規(guī)律。細觀結(jié)構(gòu)特性根據(jù)三維編織復(fù)合材料建立的單元模型進行刻畫。

2、從這個模型出發(fā)，由纖維束和樹脂基體的彈性參數(shù)，以及編織參數(shù)，采用平均剛度法得到結(jié)構(gòu)整體的材料常數(shù)和剛度矩陣。后者被用梁振動模型和連續(xù)體有限元模型得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，并與結(jié)構(gòu)的模態(tài)試驗結(jié)果相互參比。固有頻率值的最大誤差值為3.41％，最小誤差值為0.65％，研究結(jié)果表明有限元模型和梁模型所獲得動態(tài)參數(shù)與模態(tài)試驗結(jié)果吻合良好，這一方面表明了我們研究方法的可靠性，也驗證我們從微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)到整體振動參數(shù)之間的理論的可信度。
　　本文

3、采用了模態(tài)試驗和有限元數(shù)值計算的方法對的碳纖維/環(huán)氧樹脂基三維四向編織復(fù)合材料T型梁的損傷行了研究。分析了在不同位置，含有不同損傷直徑孔洞的碳纖維/環(huán)氧樹脂基三維四向編織復(fù)合材料T型梁的模態(tài)參數(shù)。實驗表明，含有損傷的三維四向編織復(fù)合材料T型梁的模態(tài)響應(yīng)發(fā)生了改變。損傷對T型梁的第三階和第四階模態(tài)振型有影響，使模態(tài)振型在損傷處發(fā)生偏移，但是第一階和第二階模態(tài)振型對損傷并不敏感。損傷對T型梁的模態(tài)曲率產(chǎn)生影響，通過模態(tài)曲率的變化可以判斷損傷

4、的位置。T型梁的有限元模型證明損傷會對T型梁的固有頻率產(chǎn)生影響，但是不能說明損傷會對T型梁的模態(tài)振型產(chǎn)生影響。
　　主要研究結(jié)論有:
　　(1)以三維四向編織復(fù)合材料的細觀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，在懸臂梁約束條件下，建立了三維四向編織復(fù)合材料的梁模型，結(jié)合拉格朗日方程，計算得到了三維四向編織復(fù)合材料的剛度矩陣。
　　(2)結(jié)合材料振動力學(xué)和振動結(jié)構(gòu)模態(tài)分析理論，建立了在懸臂梁邊界約束條件下，三維四向編織復(fù)合材料的梁振動模型方程。推

5、導(dǎo)出了三維四向編織復(fù)合材料在懸臂梁邊界約束條件下的模態(tài)參數(shù)與編織工藝間的關(guān)系:纖維體積含量相同時，三維四向編織復(fù)合材料的低階固有頻率隨著編織角的增大而減小;當(dāng)編織角相同時，固有頻率值都隨纖維體積含量變化的增加而增加。
　　(3)在三維編織復(fù)合材料中，固有頻率和振型是兩個重要的模態(tài)參數(shù)。固有頻率和振型課由梁離散模型和連續(xù)體的有限元模型來確定。模擬結(jié)果與實驗?zāi)B(tài)分析進行了比較。研究表明，梁模型和有限元模型計算獲得的固有頻率和振型與實驗

6、符合很好。這些表明了我們研究方法的可靠性，也驗證我們從微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)到整體動態(tài)參數(shù)之間的理論的可信度。
　　(4)通過模態(tài)振動測試獲得T型梁的固有頻率和與之對應(yīng)的模態(tài)振型，這對了解三維四向編織復(fù)合材料T型梁振動特性提供了幫助，為T型梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計與損傷檢測提供了依據(jù)。
　　(5)損傷對T型梁的固有頻率產(chǎn)生影響。有損傷T型梁所對應(yīng)的固有頻率小于與之對應(yīng)的無損傷T型梁的固有頻率。隨著損傷程度的增加，頻率的下降量也增加。固有頻率的變化

7、反應(yīng)的是結(jié)構(gòu)整體剛度的變化，根據(jù)固有頻率的變化，只能檢測材料是否發(fā)生了損傷，但不能確定損傷發(fā)生的位置。
　　(6)將試驗得到的T型梁的模態(tài)位移利用中心差分法轉(zhuǎn)換成模態(tài)曲率。實驗表明，損傷前后T型梁模態(tài)曲率發(fā)生了變化，在損傷的位置，模態(tài)曲率會出現(xiàn)一個峰值，隨著損傷嚴(yán)重性的增加，峰值變大。
　　(7)通過ANSYS軟件中的模態(tài)分析功能，模擬分析了不同損傷情況下，三維四向編織復(fù)合材料T型梁固有頻率和振型。T型梁的固有頻率隨著損傷程