热环境下复合材料壁板的振动特性分析

针对飞行器中常见的壁板结构,运用能量原理和变分方法,建立了定常温度场下复合材料壁板振动的控制方程以及相应的有限元分析模型。分析了热环境对壁板振动特性影响的机理,同时提出了一种针对热环境下复合材料壁板振动特性分析的线性化计算方法。采用这种方法,热环境的影响以一个热刚度项和一个热载荷项的形式出现在常温下的振动运动方程中,由此可以较准确地模拟热效应对结构振动特性的影响。通过对热环境下复合材料壁板振动固有特性数值分析结果的对比,验证了本文方法的可行性和计算精度。同时分析结果表明,热效应产生的诱导应力对结构刚度的影响是导致壁板固有振动频率降低的主要原因。

湿热环境对挖补修理后复合材料层合板振动特性的影响

通过对湿热环境下阶梯挖补胶接修理后碳纤维/双马树脂(T300/QY8911)层合板振动特性的分析,探究了挖补修理后碳纤维/双马树脂层合板在不同湿热效应下的振动特性。基于Mindlin-Reissner板理论与最小势能变分原理,在考虑湿热效应前提下,推导了正交各向异性复合材料层合板的本构关系及四边简支条件下的自由振动控制方程;其次,利用ABAQUS软件建立了三维黏弹性有限元挖补修理模型,应用Fortran语言将湿热耦合下的应力-应变本构关系编入UMAT二次开发文件中,采用三维八节点五自由度等参单元进行了离散。通过与参考文献对照,验证了胶接修理后T300/QY8911层合板有限元模型和编译的湿热环境下UMAT子程序的合理性与有效性。算例结果表明:湿热环境对挖补修理后层合板固有频率的影响比对完整层合板严重;温度对材料性能的影响大于湿度;相比于材料性能变化对振动特性的影响,湿热残余应力对胶接修理后层合板振动特性的影响占主导;参考环境下,胶接修理后层合板的固有频率增大;湿应力对层合板固有频率的影响大于热应力。

热振环境下纤维增强悬臂复合薄板的固有特性

基于哈密顿原理建立了纤维增强悬壁复合薄板的动力学方程,并利用双向梁函数法对其固有频率进行求解.然后,编写了Matlab计算程序,并给出了热振环境下分析其固有特性的具体流程,最后,搭建了该类悬臂复合薄板结构在热振环境下的固有特性测试系统.并以TC500碳纤维/树脂复合薄板为研究对象,对其固有频率进行了测试.结果表明,热振环境下纤维增强悬臂复合薄板固有频率计算结果与实验结果的误差在15%以内,且振型结果也与测试振型结果一致,进而验证了所提出的理论分析方法的正确性.

SMA铺设构型对贴补修理层合板的热振动特性研究

在复合材料中嵌入形状记忆合金制成的纤维增强材料具有高强度与自修复性等优点,可明显提高修理结构刚度及抗剥离性。基于一阶剪切变形理论(FSDT)与Hamilton原理,推导了SMA复合材料的本构方程与振动控制方程。使用ABAQUS软件建立内嵌多种铺设构型的SMA补片单面贴补修理层合板模型,通过数值仿真与试验验证,探究不同温度下SMA铺设构型对修理玻璃纤维层合板振动特性的影响。结果表明:相较于单线型(D)与垂直交叉型(C),斜铺交叉型(X)SMA修理板的前三阶振型更接近传统修理板(Q0)前三阶振型,其修理结构的整体刚度及抗剥离性最优。高温作用下,四种构型修理板的固有频率下降率排序为Q0>D6>C6>X6,即内嵌不同铺设方式的SMA可不同程度减小温度对固有频率产生的影响,其中X6型下降率最低,可达1.24%。SMA铺设数量与IQR值、固有频率的下降率关系为6根>12根>24根,即随板中内嵌SMA数量增加,热效应对固有频率影响减小,其中X24型修理结构热稳定性与修理效果最好。SMA修理板的高阶固有频率对温度更敏感,更易受温度影响而改变。

热环境对飞行器壁板结构动特性的影响

高超声速飞行器在巡航或再入过程中面临着严酷的气动力/热/噪声等复合环境,对热防护系统结构的完整性和耐久性提出了严峻挑战。热环境下的动特性是进行结构动态响应分析和优化设计的基础,本文对四周简支的飞行器热防护系统金属加筋壁板热动特性进行了分析,使用有限元软件NASTRAN建立分析模型,基于理论和有限元方法获得了壁板结构热屈曲临界温度,研究了热环境对固有振动频率和固有振型的影响,对比分析了均匀和非均匀温度场对结构模态的影响。结果表明,壁板结构在热环境下易发生屈曲,热模态分析中需考虑热屈曲、大位移变形等因素。同时证实热环境对壁板结构动特性影响较大,结构的固有振动频率随热环境下弹性模量的降低而减小,热应力对结构的固有振动频率和振型都有影响,当温度场分布改变时,固有振动频率的变化规律基本相同,固有振型则不同。

热环境对基础激励作用下纤维增强树脂基复合薄板振动特性的影响

采用理论与实际相结合的方式,研究了热环境对纤维增强树脂基复合薄板振动特性的影响。首先,建立了基础激励作用下纤维增强树脂基复合薄板在热环境中的解析模型,推导获得了固有频率、模态振型、振动响应及阻尼比的解析表达式,并给出了热环境下复合薄板振动特性的求解流程。然后,搭建了热环境下该类型复合薄板结构的振动测试系统,并以TC500碳纤维/树脂薄板为研究对象进行了实际测试。以相应的测试结果为例,研究发现,当温度从20℃上升到200℃时,复合薄板的模态振型基本不发生改变,固有频率降低幅度在2.3%～36.6%之间,振动响应幅值增大范围约为15.3%～58.4%,且阻尼性能也呈现增大的趋势,例如相对于常温下的阻尼结果,当温度上升到200℃时,其前6阶模态阻尼比的增大程度在13.9%～56.4%之间。另外,经过对比理论和测试获得的不同温度下的固有频率、模态振型、振动响应及阻尼结果可知,两者吻合较好,进而验证了解析分析方法及其结果的正确性。

考虑热环境的复合材料层合板振动响应相似设计方法及试验研究

针对高温环境下的复合材料层合板动力学试验开展困难、耗时、成本和危险性高等问题,提出了热环境下层合板试验模型的相似设计方法(Similarity method of laminates in thermal environment,SMLTE)。首先建立热环境下悬臂层合薄板振动的理论模型,利用最小势能原理结合Ritz法求解获得其固有频率和振型,通过与文献计算结果、ANSYS仿真结果对比验证数值求解方法的正确性。然后,推导了复合材料层合薄板固有频率、加速度响应和温度的相似关系。分别以精确相似和考虑铺层畸变的层合板为数值案例,验证了推导得到的相似关系的正确性。最后,搭建热环境下的层合板振动响应测试系统,对提出的相似方法进行试验验证。结果显示,通过所提出的SMLTE方法建立的动力学相似关系能够复现原型结构的固有特性和振动响应,为热环境下层合板的模型试验提供了有力支撑。