涂覆不同阻尼材料的纤维增强复合薄壳振动特性研究

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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、汽车工业、船舶、体育器械与兵器工业等重要领域。目前,工程实际中存在大量复合材料制成的复合薄壁圆柱壳结构件,纤维增强复合薄壳相对于金属薄壳,具有质量轻、耐腐蚀、绝缘性等特点,正在被越来越多地应用于多种重要领域。它们通常处于一端约束的悬臂边界条件下,如航空发动机的机匣、复合鼓筒、复合雷达罩等。随着它们的结构越来越复杂、工作环境越来越苛刻,其振动问题也越来越突出,容易产生共振、疲劳和损伤等故障。因此,研究涂覆不同阻尼材料的纤维增强复合薄壳(Fiber-reinforced composite thin shell,FRCS)的振动特性有着重要的工程及学术意义。另一方面,纤维增强复合材料虽然具有一定的阻尼减振能力,但其相对于金属材料的圆柱壳并不具备很强的耐磨性,因此,经常对其进行涂覆阻尼材料处理,在增加其使用寿命的同时也还能起到进一步减小其振动响应的作用。当对其表面涂覆约束层阻尼时,同时会产生非线性现象。为了解决上述问题,本文以碳纤维增强树脂基复合薄壳为研究对象,对该类型复合薄壳的振动特性进行了研究,具体研究内容如下:(1)将悬臂边界条件下的纤维增强复合薄壁圆柱壳(FCTS)作为研究对象,基于板壳理论,采用正交多项式法和梁函数法分别求解获得了纤维增强复合薄壁圆柱壳的固有特性,并且分别给出了以上两种理论方法计算纤维增强复合薄壁圆柱壳固有特性的具体流程。在完成理论求解之后,搭建了纤维增强复合薄壁圆柱壳的固有特性测试系统,并以T300碳纤维/树脂基复合薄壁圆柱壳为研究对象,通过搭建的测试系统,获得了纤维增强复合薄壁圆柱壳的固有频率以及模态振型,最后将两种理论计算获得的数值结果进行了对比,并且通过实验测试结果进行了验证。(2)研究了基础激励下纤维增强复合薄壁圆柱壳的频域响应特性和脉冲激励下纤维增强复合薄壁圆柱壳的动刚度问题。将悬臂边界条件下的纤维增强复合薄壁圆柱壳作为研究对象,基于多层次迭代修正技术,求解了基础激励下纤维增强复合薄壁圆柱壳的频域振动响应。同时,采用半个周期的正弦信号来模拟脉冲激励载荷,并通过多层次修正技术,求解了脉冲激励下纤维增强复合薄壁圆柱壳的频域响应以及动刚度。随后,通过对锤击信号模拟脉冲激励,求解了脉冲激励下纤维增强复合薄壁圆柱壳的频域振动响应和动刚度,并分别提出了各自的振动响应预测流程。最后,分别搭建了纤维增强复合薄壁圆柱壳的振动响应测试系统,以T300碳纤维/树脂基复合薄壁圆柱壳为研究对象,分别测试获得了复合薄壁圆柱壳在基础激励的振动响应和脉冲激励下的动刚度,并将理论预测结果与实验测试结果进行了对比验证。(3)对涂覆硬涂层阻尼材料纤维增强复合薄壁圆柱壳的振动特性进行了研究,将悬臂边界条件下的涂覆硬涂层阻尼材料纤维增强复合薄壁圆柱壳作为研究对象,基于板桥理论,采用梁函数法求解获得了涂覆硬涂层阻尼材料的纤维增强复合薄壁圆柱壳的固有频率、基础激励下的振动响应以及模态损耗因子。并采用自编有限元程序,对以上数学解析结果进行了验证,结果表明,该数学模型的准确性符合要求。随后,讨论了硬涂层的弹性模量、损耗因子以及厚度,对整体机构的振动特性的影响,发现了采用硬涂层对结构进行减振的规律。(4)采用应变能密度函数法和最大总应变法建立了具有应变依赖性的涂覆约束层阻尼的纤维增强复合薄壳的非线性振动模型。此外,结合实验测试的固有频率和阻尼结果,采用幂函数拟合技术辨识了非线性振动模型中非线性拟合参数。然后,提出了具体的非线性固有频率和振动响应的分析流程,并采用自编MATLAB程序求解获得了涂覆约束层阻尼的纤维增强复合薄壳的非线性固有频率和振动响应。最后,以涂覆约束层阻尼的T300碳纤维/树脂基复合薄壳为研究对象,测试获得了其非线性固有频率和振动响应结果,并将理论计算结果与测试结果进行了对比验证。本文的研究工作进一步揭示了纤维增强复合薄壁圆柱壳的结构以及带有涂层的结构的振动特性,对于复合材料结构件的振动破坏以及疲劳损伤有着重要的预示作用,且对于结构系统的动态设计、响应预估、性能优化等多个环节都有着重要的工程及学术意义,相关研究成果可以为复合圆柱壳在工程实践中的应用提供重要的技术支持。
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