Multi-objective Optimization of Co-cured Composite Laminates with Embedded Viscoelastic Damping Layer

Presented herein is a methodology for the multi-objective optimization of damping and bending stiffness of cocoured composite laminates with embedded viscoelastic damping layer. The embedded viscoelastic damping layer is perforated with a series of small holes, and the ratio of the perforation area to the total damping area is the design variable of the methodology. The multi-objective optimization is converted into a single-objective problem by an evaluation function which is a liner weigh sum of the two sub-objective functions. The proposed methodology was carried out to determine the optimal perforation area ratios of two viscoelstic layers with different perforation distance embedded in two composite plates. Both the optimal perforation area ratios are approximate to 2.2%. However, the objective value of the plate with greater perforation distance in embedded viscoelatic layer is much greater.

嵌入式共固化缝合阻尼复合材料梁的自由振动分析

嵌入式共固化缝合阻尼复合材料(embedded co-cured stitched damping composite, ECSDC)相对于传统的复合材料具有高比刚度、高比强度,高层间结合性能及三向力学可设计性等优点。运用Hamilton原理、结合能量法和复刚度法,推导出ECSDC梁结构的动力学微分方程表达式,通过将该偏微分方程转化为线性齐次方程组的方式,代入对边简支的边界条件,进而得到该模型的理论解。作为算例,通过进行模态试验、运用ANSYS有限元模拟和MATLAB数值计算研究了ECSDC梁的典型结构,三者所得的结果吻合较好,验证了该理论模型和方法的准确性。在此基础上,用验证的理论模型研究了设计参数对ECSDC梁结构固有振动特性的影响。结果表征了嵌入式共固化缝合阻尼复合材料梁结构比连续阻尼夹嵌复合材料梁结构具有更高的抗弯刚度,为缝合阻尼复合材料动态特性研究提供了理论层面的新思路。

嵌入式共固化缝合阻尼复合材料面内弹性参数

嵌入式共固化缝合阻尼复合材料(embedded co-cured stitched damping composite, ECSDC)相对于传统的复合材料具有高比刚度、高比强度,高层间结合性能及三向力学可设计性等优点。ECSDC在共固化时蒙皮中的树脂处于熔融态后沿缝线贯通整个层合结构形成“复合钉”,复合钉的引入会导致纤维增强阻尼薄膜的面内力学性能分布不均,对ECSDC结构的理论分析造成困难。针对该问题,应用复合钉贯通的面内纤维折线变形模型,将变形区域进行划定,分别建立经、纬纱变形区,富树脂区,缝线等各区域的面内等效弹性参数理论模型,由此过渡到ECSDC结构。采用一个算例,运用ANSYS有限元模拟和Matlab数值计算研究了ECSDC典型结构,并与文献值进行对比,三者所得的结果吻合较好,验证了该理论模型和方法的准确性。在此基础上,用验证的理论模型研究了设计参数对ECSDC面内等效弹性参数的影响。该解析模型建模方法为研究胞元结构复合材料的力学性能提供了参考,为ECSDC结构的动力学与几何非线性研究提供基础。

嵌入式共固化缝合阻尼复合材料面内力学性能

为了提高复合材料的面内力学性能,提出了正交对称嵌入式共固化缝合阻尼复合材料结构,建立该结构面内等效弹性参数的数值模拟模型,通过热压罐的中温共固化工艺制备出嵌入式共固化缝合阻尼复合材料试件,利用万能试验机的拉伸测试验证本文数值模拟方法的有效性。使用有效的ANSYS有限元模型进一步分析出面内等效弹性参数Ex、Ey、Gxy、νxy随针距、行距和阻尼层厚度的变化规律,为嵌入式共固化缝合阻尼复合材料结构力学性能研究奠定了基础。

共固化缝合阻尼复合材料的动力学性能

为了研究共固化缝合阻尼复合材料(co-cured stitched damping composite,简称CSDC)动力学性能,建立了CSDC方形板的有限元模型,用有限元数值模拟方法研究了CSDC的动力学性能,通过试验与模拟数据的对比验证了模拟方法的有效性。在验证有限元模拟模型基础上,得出结论:随着针距或行距的增大CSDC方形板的1阶模态频率减小,一阶损耗因子增大;阻尼层厚度增加,CSDC方形板的1阶模态频率与模态损耗因子增大;CSDC方形板中的总阻尼层厚度相同,增加结构中的阻尼层数目,可以有效增大结构的模态损耗因子。该结果的实际意义在于可以通过改变共固化缝合阻尼复合材料结构的参数来避免共振现象,为CSDC广泛应用奠定基础。

共固化阻尼薄膜夹芯缝合复合材料的动力学性能

为增强阻尼复合材料的层间结合性能,提出了共固化阻尼薄膜夹芯缝合复合材料结构(Cocuring Damping Film Sandwich Suture Composite Structure,简称"CDFSSCS")。通过ANSYS软件创建该结构板的有限元分析模型,并运用修改的模态应变能法研究CDFSSCS方形板的动力学性能。用涂刷法制备CDFSSCS方形板,将制作完成的CDFSSCS方形板进行模态实验测试,验证了模拟方法的有效性。通过验证ANSYS模型获得CDFSSCS方形板的一阶模态频率和一阶损耗因子随不同参数(针距、行距、阻尼层分布)下的变化规律。结果表明,调整阻尼夹芯层的位置分布和缝线参数可以改变结构的一阶模态频率和一阶损耗因子,对共固化阻尼薄膜夹芯缝合复合材料的理论设计和工程实际应用具有指导意义。