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玻璃纤维织物增强复合材料以其优异的性能广泛用在航空、航天、机械、汽车、建筑、桥梁等工业,具体应用如涡轮发动机的转子、叶片;飞机机翼;汽车外壳、罩、支撑件等;建筑上的梁、板、蓬、盖等结构件及结构增强件。此类部件经常处在各种激励(地震、风振、低速冲击等)的作用下,不可避免地产生振动响应。形状记忆合金(Shape Memory Alloys,SMA)是一种新型智能材料,Ni-Ti合金作为其主流产品,具有很强的阻尼与相变驱动性能,植入复合材料结构中能够实现对结构的振动控制。
本课题讨论了将Ni-Ti SMA丝以纱线形式织入玻璃纤维织物中,形成整体的带有Ni-Ti SMA丝的织物复合材料结构,研究了Ni-Ti SMA丝的基本物理特性及其织入对织物复合材料机械性能调节和振动性能的控制作用,基于织物复合材料的单胞结构刚度及应变能理论,对织入Ni-Ti SMA丝的织物复合材料结构振动性能进行预测,实现振动控制的可设计性。
首先,研究了Ni-Ti合金丝的基本物理特性,通过一维本构关系的Brinson模型,对超弹丝的拉伸-回复过程的应力-应变曲线进行了线性化参数建模,推导出Ni-Ti超弹丝的能量损耗关系式以及Ni-Ti记忆丝的相变回复力关系式,并结合实验拟合出了模型中的参数值,包括相变温度、温度-力学转变常数、各相态弹性模量以及使用环境温度等,实现了对Ni-Ti超弹丝的耗能特性和记忆丝相变回复力的预测。
其次,对Ni-Ti合金丝织入复合材料的制备工艺进行研究,选用五种具有代表性的织物结构,采用静力学的拉伸试验以及动态热机械性能分析,研究了Ni-Ti超弹丝的织入对复合材料机械性能的调节作用。
然后,通过建立复合材料悬臂板振动测试装置,测得复合材料悬臂板的自由振动频率与阻尼,研究了五种织物复合材料悬臂板的振动性能,以及Ni-Ti合金丝的织入对其振动性能的影响。
最后,以平纹织物复合材料作为研究对象,基于Ni-Ti SMA丝在织物复合材料中的屈曲形态,建立了参数化的单胞几何模型,通过等效刚度法和应变能损耗理论,预测Ni-Ti合金丝织入前后复合材料的等效刚度矩阵和阻尼矩阵,将其作为材料参数输入有限元软件,实现织物复合材料振动控制的可设计性。最终,通过两个应用实例分析即平纹织物复合材料悬臂板的主动振动控制与四边固支的层合板的被动振动控制,对Ni-Ti SMA丝织入复合材料的振动性能进行建模分析与实验验证。这种设计方法对工程上的合理设计Ni-Ti合金丝的织入位置,对复合材料结构实施有效的减振设计具有实用价值。