热环境下纤维增强复合薄板振动测试及集中参数建模研究

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纤维增强复合材料及其薄板结构具有重量轻、比强度高、比模量大、可设计性强等优点。其良好的阻尼性能对结构起到振动抑制、提高承受循环和冲击载荷能力的作用。目前,该类型复合材料制成的薄壁构件广泛地应用于航空发动机、超音速飞机、先进飞行器、高速列车、风力发电等尖端科学技术领域。在工程实际中对于飞机及发动机中的复合材料结构件通常处于几百摄氏度乃至上千摄氏度的高温环境下工作,其高温工作环境不仅会影响复合结构的承载能力以及强度极限,而且会影响其振动特性,特别是高温环境使得材料参数发生变化,造成其刚度的变化并使阻尼耗能机理变得更加复杂。热环境对复合材料结构件振动特性的影响给传统的测试和建模分析方法带来很大的困难与挑战。因此,研究热环境下纤维增强复合薄板振动特性测试,并根据测试数据建立带有附加热刚度的集中参数模型具有非常重要的理论意义和实际应用价值,其对于热环境下复合结构振动特性预测分析,振动抑制及优化等环节提供了重要的实测数据及理论支持。本文具体研究分为以下三个部分:(1)以T300碳纤维/树脂基复合薄板为研究对象,对其在不同高温下的振动特性进行测试。搭建了考虑基础激励载荷的热环境下纤维增强复合薄板振动测试系统,通过激振器扫频和定频测试,观察复合薄板固有频率、模态阻尼及振动响应在不同温度环境下的变化。同时,基于激光扫描测试技术对其在对应高温环境下的模态振型进行扫描测试。另外,自行设计了一套气激小球装置,对复合薄板试件在热环境下受到脉冲激励的振动响应进行测试,并基于VMD方法对响应信号进行模态分解获得其在不同温度下的固有频率、模态阻尼及振动响应。测试结果表明T300碳纤维/树脂基复合薄板的固有频率随着温度的上升而下降,相反地,其模态阻尼和共振响应均有逐渐增大的趋势。进一步验证了高温环境对纤维增强复合薄板的振动特性产生了较大的影响。(2)根据“半波数自由度划分准则”将纤维增强复合薄板划分为一定自由度的弹簧-阻尼-质量块,并且考虑附加热刚度的影响建立其具有温度依赖性的集中参数模型。同时阐述了基于该模型对纤维增强复合薄板振动特性的求解过程。然后,根据热环境下复合薄板的振动测试结果,结合拉直及Kronecker运算,对模型中室温刚度集中参数、附加热刚度集中参数及不同温度下的阻尼集中参数进行辨识。并且提出了其相应的建模流程。最后,以T300碳纤维/树脂基复合薄板为研究对象进行实例建模研究,验证了其建模方法的正确性,并讨论了在建模过程中使用的模态数目及附加热刚度的迭代步长对模型精度及计算效率的影响。(3)以两种不同类型的CF120纤维增强复合薄板为研究对象,对其在不同温度及加热时间下的振动特性进行测试,测试结果证明了纤维增强复合薄板在一定的温度及加热时间下其振动特性确实具有退化现象。然后,在附加热刚度及阻尼参数中引入温度改变量ΔT和加热退化时间变量th,建立考虑动态性能退化影响的复合薄板的集中参数模型,同时阐述了基于该模型对复合薄板在不同加热退化时间下的振动特性的求解过程。其次,基于PSO粒子群算法并结合热退化实验结果来辨识其不同退化时间下的附加热刚度及阻尼集中参数。并且提出了其相应的建模流程。最后,通过建模实例验证了考虑动态性能退化的集中参数模型的正确性,并讨论了在建模过程中PSO算法粒子群数目和学习因子对模型精度及计算效率的影响。
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