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三维编织复合材料是纤维增强复合材料的一种,它可以制造复杂形状的构件。三维编织复合材料与传统层合复合材料相比,具有整体网状结构,高的比强度,比模量,优良的抗冲击性能和损伤容限等优点。三维编织复合材料在航天、航空等高科技行业被广泛用于各种构件中,因此对三维编织复合材料性能的研究具有积极的工程意义。 本论文以三维四向编织材料为研究对象,探讨细观结构参数对整体振动参数的影响规律。细观结构特性根据三维编织复合材料建立的单元模型进行刻画。从这个模型出发,由纤维束和树脂基体的弹性参数,以及编织参数,采用平均刚度法得到结构整体的材料常数和刚度矩阵。后者被用梁振动模型和连续体有限元模型得到结构的固有频率和振型,并与结构的模态试验结果相互参比。固有频率值的最大误差值为3.41%,最小误差值为0.65%,研究结果表明有限元模型和梁模型所获得动态参数与模态试验结果吻合良好,这一方面表明了我们研究方法的可靠性,也验证我们从微观结构参数到整体振动参数之间的理论的可信度。 本文采用了模态试验和有限元数值计算的方法对的碳纤维/环氧树脂基三维四向编织复合材料T型梁的损伤行了研究。分析了在不同位置,含有不同损伤直径孔洞的碳纤维/环氧树脂基三维四向编织复合材料T型梁的模态参数。实验表明,含有损伤的三维四向编织复合材料T型梁的模态响应发生了改变。损伤对T型梁的第三阶和第四阶模态振型有影响,使模态振型在损伤处发生偏移,但是第一阶和第二阶模态振型对损伤并不敏感。损伤对T型梁的模态曲率产生影响,通过模态曲率的变化可以判断损伤的位置。T型梁的有限元模型证明损伤会对T型梁的固有频率产生影响,但是不能说明损伤会对T型梁的模态振型产生影响。 主要研究结论有: (1)以三维四向编织复合材料的细观结构为基础,在悬臂梁约束条件下,建立了三维四向编织复合材料的梁模型,结合拉格朗日方程,计算得到了三维四向编织复合材料的刚度矩阵。 (2)结合材料振动力学和振动结构模态分析理论,建立了在悬臂梁边界约束条件下,三维四向编织复合材料的梁振动模型方程。推导出了三维四向编织复合材料在悬臂梁边界约束条件下的模态参数与编织工艺间的关系:纤维体积含量相同时,三维四向编织复合材料的低阶固有频率随着编织角的增大而减小;当编织角相同时,固有频率值都随纤维体积含量变化的增加而增加。 (3)在三维编织复合材料中,固有频率和振型是两个重要的模态参数。固有频率和振型课由梁离散模型和连续体的有限元模型来确定。模拟结果与实验模态分析进行了比较。研究表明,梁模型和有限元模型计算获得的固有频率和振型与实验符合很好。这些表明了我们研究方法的可靠性,也验证我们从微观结构参数到整体动态参数之间的理论的可信度。 (4)通过模态振动测试获得T型梁的固有频率和与之对应的模态振型,这对了解三维四向编织复合材料T型梁振动特性提供了帮助,为T型梁的结构设计与损伤检测提供了依据。 (5)损伤对T型梁的固有频率产生影响。有损伤T型梁所对应的固有频率小于与之对应的无损伤T型梁的固有频率。随着损伤程度的增加,频率的下降量也增加。固有频率的变化反应的是结构整体刚度的变化,根据固有频率的变化,只能检测材料是否发生了损伤,但不能确定损伤发生的位置。 (6)将试验得到的T型梁的模态位移利用中心差分法转换成模态曲率。实验表明,损伤前后T型梁模态曲率发生了变化,在损伤的位置,模态曲率会出现一个峰值,随着损伤严重性的增加,峰值变大。 (7)通过ANSYS软件中的模态分析功能,模拟分析了不同损伤情况下,三维四向编织复合材料T型梁固有频率和振型。T型梁的固有频率随着损伤程度的增加而不断减小,但是在有限元模拟中,损伤对模态位移振型的影响并不明显。