三维四向编织复合材料t型梁模态性能的研究 91页

万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：Z叉乏签字日期：知牌1月巧目学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权丢洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：互又欠签字日期：如／砗J月巧日导师签名：韶辞签字日期：加／歹年／月彩日 万方数据学位论文的主要创新点一、本论文采用Vib’SYS振动信号采集，处理和分析程序对不同编织结构参数(纤维体积含量、表面编织角)和不同自由端长度的碳纤维／环氧树脂基三维四向编织复合材料T型梁进行了单输入／单输出和单输入／多输出悬臂梁锤击振动试验模态分析，得到了试验件的固有频率和阻尼比与细观结构和自由端长度的关系和T型梁的阵型。二、在试验模态的基础上，通过对相同纤维体积含量不同表面编织角和相同表面编织角不同纤维体积含量的三维四向编织复合材料T型梁的固有频率，阻尼比进行分析，得到了不同结构下的参数变化规律、主要影响因素和影响原理。通过对得到的传递函数幅频曲线和加速度衰减曲线分析，获得了细观结构对三维四向编织复合材料T型梁的抵抗激振能力和减振能力方面的影响因素。三、用有限元方法计算模拟了三维四向编织复合材料T型梁的固有频率和阵型，并与实验结果进行了对比。计算了不同尺寸的T型梁的固有频率，分析了T型梁的固有频率与其肋板和腹板的尺寸之间的关系。 万方数据摘要采用三维编织技术织造的三维预成形件增强的复合材料称为三维编织复合材料。三维编织物结构的整体性，使三维编织复合材料克服了传统的层合复合材料层问性能差、损伤容限低和冲击韧性弱的缺点。三维编织复合材料在航空航天等高科技行业的广泛应用，使得对三维编织复合材料的动态力学性能的研究受到了高度的关注。因此，对于三维四向编织复合材料T型梁模态性能的研究与应用具有重要意义。本文首先采用悬臂梁自由衰减振动的实验方法研究了碳纤维三维四向编织复合材料T型梁的模态性能，分析了不同细观结构和不同自由端长度的三维四向编织复合材料T型梁试件的模态性能。由实验结果可知：相同表面编织角条件下，随着纤维体积含量的增大，三维四向编织复合材料T型梁的固有频率增大，阻尼比减小；纤维体积含量相同时，随着表面编织角的增大，三维四向编织复合材料T型梁的固有频率减小，阻尼比增大；三维四向编织复合材料T型梁的固有频率随着其自由端长度的增加而降低；其固有频率和其阻尼性能没有明显的相关关系。接着用有限元模拟的方法研究了碳纤维三维四向编织复合材料T型梁的模态性能。对比了实验的和有限元模拟的固有频率和阵型，实验结果与计算结果相一致；模拟了不同自由端长度的T型梁的固有频率；研究了不同尺寸的T型梁的固有频率。研究证明：T型梁的固有频率大小和它的外部尺寸密切相关。经本文研究证明通过细观结构参数以及外型尺寸的选取，可实现三维四向编织复合材料T型梁模态参数的可设计性，为T型梁的设计和应用提供了有力依据。关键词：三维四向编织复合材料；T型梁；模态分析；细观结构参数；外型尺寸 万方数据ABSTRACTThree-dimensionalbraidedcompositesarereinforcedbythree—dimensionalfabricpreform，whicharebraidedbythreedimensionalbraidingtechnology．Three-dimensionalbraidedfabricshaveadvantagesinstructuralintegrity,whichmakeitovercomethedisadvantagesoftraditionallaminatedcomposites，suchaspoorinterlaminarproperties，lowdamagetoleranceandtoughness．Three-dimensionalbraidingcompositeshavesignificantadvantagesinstructureandproperties．Ithasbeenwidelyusedbyaeronauticsandastronautics．Thatmakesthestudyofthedynamicmechanicalpropertiesofthree-dimensionalbraidedcompositesreceivedhi曲degreeofattention．Sotheworkofthisthesiswillhavesignificantmeaningsfortheresearchesandapplicationsofthreedimensional4-directionalbraidingcompositesT-beam．Inthispaper,Firstly,themodalbehaviorofcarbonfiberthree-dimensionandfour-directionbraidedcompositeT-beamsWasstudiedbythefreevibrationmethodofcantileverbeams．rnlemodaltestfordifferentmicrostructureanddifferentbeamfreelengthofthree—dimensionalandfour-directionalbraidedcompositeT-beamswasmade．Throughthemodeexperimental，someconclusionswerederivedasfollows：withthesamesurfacebraidedangle，thenaturalfrequencyofthree-dimensionalandfour-directionalbraidedcompositeT-beamWasincreasedanddampingratiowasdecreasedwiththeincreaseoffibervolumefraction．Withthesamefibervolumefraction,thenaturalfrequencyofthree．dimensionalandfour-directionalbraidedcompositeT-beamwasdecreasedanddampingratioWasincreasedwiththeincreaseofsurfacebraidingangle．Theexperimentalresultsshowedthatthenaturalfrequenciesofthethree-dimensionalandfour-directionalbraidedcompositeT-beamsweredecreasedwiththeincreasingoffreelengthofcantileverbeam．nenaturalfrequencyshowednegligibleinfluenceonthedampingproperties．Thenthemodalbehaviorofcarbonfiberthree．dimensionalandfour-directionalbraidedcompositeT-beamswerestudiedbysimulationoffiniteelementmethods．Thenaturalfrequenciesandmodeshapemeasuredandfiniteelementcalculatedwerecomparedandtheywerealmostsaine．ThenaturalfrequencyofdifferentfreelengthT-beamWassimulated．ThenaturalfrequencyofT-beamwithdifferentsizeWasstudied．ThenaturalfrequencyofT-beamiScloselyrelatedtoitsextemaldimensions．Theresearchresultindicatesthevibrationpropertyofthree．dimensionalandfour-directionalbraidedcompositeT-beamsiSdesignable．ThevibrationofcompositeT-beamCanbeimprovedbychoosingdifferentmicrostructureparametersanddifferentexternaldimensions，whicharesignificanttoitsdesignandapplication．Keywords：three—dimensionalandfour-directionalbraidedcomposite；T-beam；modalanalysis；microstructureparameters；externaldimensions 万方数据目录第一章概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一11．1三维编织复合材料及其特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11．2纤维增强复合材料模态分析的研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．31．2．1不同种类增强体的复合材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．31．2．1．1短纤维增强复合材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．41．2．1．2二维单向带增强复合材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．41．2．1．3层合复合材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一41．2．1．4编织复合材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．61．2．2不同形状复合材料制件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．71．2．3模态的主要研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．91．2．3．1有限元模拟法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯91．2．3．2理论分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯91．2．3．3试验测试法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．101．3课题的研究背景、内容和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯111．3．1研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．111．3．2研究内容和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一11第二章振动系统模态分析的实验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯132．1振动的认识⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯132．2实验模态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯142．2．1振动测试实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．142．2．2模态参数辨识⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯152．3三维四向编织复合材料T型梁的实验模态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯172．3．1实验测试目的及测试方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．172．3．2试件制备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．182．4．2．1振动测试试样的形状、尺寸与参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯182．3．2．1复合材料T型梁预成型件的制备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯192．3．2．2复合固化工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯192．3．3测试系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一212．3．4注意事项⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．21第三章三维四向编织复合材料T型梁实验模态分析结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯233．1不同激振点的测试对T型梁模态实验结果的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯233．2纤维体积含量对三维四向编织复合材料T型梁振动性能的影响⋯⋯⋯243．2．1不同纤维体积含量三维四向编织复合材料T型梁的模态参数⋯．24 万方数据3．2．1．1纤维体积含量对三维四向编织复合材料T型梁固有频率的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．j⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．243．2．1．2纤维体积含量对三维四向编织复合材料T型梁阻尼性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．283．2．2不同纤维体积含量三维四向编织复合材料T型梁的抗冲击性⋯．333．2．3不同纤维体积含量三维四向编织复合材料T型梁的减震特性⋯．343．3表面编织角对三维四向编织复合材料T型梁的振动性能的影响⋯⋯⋯363．3．1不同表面编织角的三维四向编织复合材料T型梁的模态参数⋯．363．3．1．1．表面编织角对三维四向编织复合材料T型梁固有频率的影响⋯⋯⋯．⋯⋯．．⋯．⋯．．⋯⋯．⋯．⋯．⋯．．⋯．⋯．⋯．⋯．．⋯．．⋯⋯⋯．．⋯．⋯．⋯．⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯．：；63．3．1．2．表面编织角对三维四向编织复合材料T型梁阻尼比的影响⋯．．⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯．．⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．．⋯．．403．3．2不同表面编织角三维四向编织复合材料T型梁的抗冲击性⋯⋯．453．3．3不同表面编织角三维四向编织复合材料T型梁的减振特性⋯⋯．463．4自由端长度对三维四向编织复合材料T型梁的振动性能的影响⋯⋯⋯473．4．1自由端长度对三维四向编织复合材料T型梁固有频率的影响⋯．．483．4．2长度与固有频率对三维四向编织复合材料T型梁阻尼的影响⋯．．513．5三维四向编织复合材料T型梁的阵型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯533．6小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．53第四章T型梁的有限元计算与模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯554．1对同一参数T型梁模态的模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯554．2对不同自由端长度T型梁模态的模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯564．3T型梁尺寸对其固有频率的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．574．3．1肋板宽度对T型梁固有频率的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．584．3．2肋板厚度对T型梁固有频率的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．594．3．3腹板宽度对T型梁固有频率的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．614．3．4腹板厚度对T型梁固有频率的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．624．4小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．63第五章全文总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯655．1本文的主要工作总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．655．2对今后研究工作的展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．67发表论文和参加科研情况说明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．75附表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯77II 万方数据附表1试验所用试件设计参数要求及编号列表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一77附表2不同纤维体积含量的复合材料T型梁试件种类及实际细观结构参数值列表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯77附表3不同表面编织角的复合材料T型梁试件种类及实际细观结构参数值列表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯78附表4自由端长为255的三维四向编织复合材料T型梁试件振动性能数值列据(平均值)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯78附表5自由端长为245的三维四向编织复合材料T型梁试件振动性能数值列据(平均值)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯79附表6自由端长为235的三维四向编织复合材料T型梁试件振动性能数值列据(平均值)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯79附表7自由端长为225的三维四向编织复合材料T型梁试件振动性能数值列据(平均值)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯80附表8自由端长为215的三维四向编织复合材料T型梁试件振动性能数值列据(平均值)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯81致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．83 万方数据IV 万方数据第一章概述人类对复合材料的使用历史已久，可以追溯到古代。从公元前2000年用泥土和稻草制作的砖坯到现代的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。近代，复合材料的发展始于20世纪40年代，第二次世界大战中，玻璃纤维增强聚酯树脂复合材料被美国空军用于制造飞机构件，从此出现了复合材料这一名称。此后又陆续发展了各种的复合材料，如今从日常民用产品到军工航天等尖端科技领域，复合材料的应用随处可见。复合材料是由增强相、基体相和填加剂，通过人工复合工艺制造的具有多相细观结构的有特殊性能的新型固体材料系统，组份材料除了界面有弱化学反应外，基本是物理结合。它既保持了增强体和基体材料本身的材料特性，又通过两种材料的相互补充和关联，获得了两种组分材料所不具备的新的材料特性。如果复合材料的组分中含有纤维纱线或织物，则称之为纺织复合材料。现代高科技的发展离不开复合材料，复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模，己成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。振动是指一个物体围绕它的平衡位置所作的往复运动，模态是结构的固有振动特性，它与结构共振是相联系的。随着复合材料的应用越来越多，尤其是航空航天等高科技领域的应用，研究复合材料的振动特性，避免其在应用过程中出现故障，更显示出极为重要的实际意义。1．1三维编织复合材料及其特点为克服二维层合板的制造和力学性能中的问题．过去几十年国外学者结合传统的复合材料的制造经验，利用纺织工艺、通过力学性能分析，研制出了三维纺织复合材料。它在复杂几何形状构件的制造上，工艺简便、费用低，且力学性能优于二维的层合板结构uJ。因此，在许多结构上三维纺织复合材料成功地取代了二维层合板结构。纺织复合材料按照预成型体的加工方法可以分为编织(Braiding)、机织(weaving)、针织(蹦锄g)和缝纫(Stitcl血g)等【2】。编织复合材料就是由编织物作为增强体的复合材料，属于纺织复合材料的一种。由于三维编织复合材料采用三维编织技术，其纤维增强结构在空间上呈网状分布，可以设计增强体的形状，制成的材料不但浑然一体，而且不存在二次加工造成的损伤，因此这种材料既具备了传统复合材料所具有的高比模量、高比强度等优点，还具有高的断裂韧性和损伤 万方数据天津工业大学硕士学位论文容限及抗冲击、耐疲劳和不分层等特点。这些新优点完全克服了传统纤维增强复合材料的缺点，又具有成本优势，因此迅速成为高脾12T-厶匕1a116合金的替代材料[3】。按编织的织物厚度可分为二维和三维编织。织物厚度低于编织纱线或纤维束直径三倍的称为二维编织；若超过直径的三倍，且纱线或纤维束在厚度方向上相互交织就称为三维编织。复合材料三维整体编织技术是国外八十年代由二维编织技术发展起来的高新纺织技术。其中，三维编织又可分为二步法、四步法、多步法三维编织等【4J。目前最常用的三维编织技术为四步法三维编织工艺。1982年R．A．Floren．tine发明了四步法编织工艺【5J。此编织工艺发明之初，所有纱线均参加编织运动，且所有编织纱线都在空间3个方向内发生相对运动，因此这种编织方法是一种真正的三维编织工艺。四步法三维编织中，所有的纱线均参与编织，编织纱沿织物成型的方向排列。在一个编织循环中，沿着正交的两个方向，编织纱依次做往复运动，携纱器需要完成4个动作，才能完成一个完整的编织周期，因此被称为四步法。基本四步法编织物的内部纱线取向都与成型方向之间夹有一个角度，共有四个方向，因此又称为三维四向结构。如果在不同方向加入轴纱，就可以形成三维五向、三维六向、三维七向等结构。四步法编织，可以生产出各种异型构件，除了可以编织T型梁、工字梁等复杂截面梁，还可以编织任何实体或空心的，圆型及方型组合三维结构预制件。四步法三维编织中，编织角、纱线排列、花节长短、纤维体积含量等参数的设置，都会影响材料的性能。通过调整结构参数，可以满足不同外形尺寸和性能的要求，具有很强的性能可设计性。三维编织结构复合材料的增强体是纤维与纤维之间连续交织形成的有机整体．消除了“层’’的概念，克服了层合复合材料层间刚度、强度过低的缺陷，使它具有比层合复合材料更优越的一些力学性能。它更为突出的特点是能够按照制件的尺寸和形状直接编织出所需的预制件，即近净型编织。可通过改变基本单元体的形状以适应异形零件形状的变化，并保证织物结构的整体性。另外，三维编织预制件还能预留孔洞，为后续工艺带来方便，同时可以避免机械加工带来的损伤，使零件具有最高的性能。如与铺层的T型梁相比，三维编织结构的T型梁就避免了连接处剪切区域的出现，是具有多轴纤维取向的高度整体化的连续纤维集合体，具有广阔的应用前景。作为结构复合材料，三维编织复合材料不仅能够满足材料结构、工艺要求，而且质量轻、比强度高、比模量高，材料的整体刚度和强度高，具有优良的抗冲击损伤性能和抗层间剪切。在力学性能方面，还可以通过调节编织参数实现编织复合材料产品的优化设计。如：变化编织结构(三维四向、三维五向等)、纤维体积含量、花节的长度与宽度、纱线种类与排列、编织角等，根据需要设计三维 万方数据第一章概述编织复合材料的力学性能。综上，三维编织复合材料的综合性能指标良好，有利于实现材料的总体优化设计。1．2纤维增强复合材料模态分析的研究进展模态是结构的固有振动特性，每个模态都有着特定的固有频率、阻尼比以及模态振型。固有频率是系统本身所具有的振动性质。在系统作固有振动的时候，它的振动频率就是“固有频率”。系统的内部弹性、质量分布等决定了它的模态特性。随着纤维增强复合材料越来越广泛地用于新型民用飞机、高速列车、汽车等高科技领域，其振动性能日益受到复合材料研究工作者的关注和重视，针对振动性能的模态分析研究也显示出极为重要的实际意义。系统之所以会产生振动是由于自身具有质量和弹性，而阻尼则是使振动受到抑制。从能量关系看，质量可以储存动能，弹性可以储存势能，而阻尼则消耗能量(动能和势能)。对于纤维增强先进复合材料的模态特性，阻尼比和固有频率是两个重要的动力学参数，主要依赖于增强纤维与基体的模态性能、增强纤维的组成结构、纤维体积百分数以及纤维与基体的相互作用。纤维增强复合材料具有优异的减振性。较大的固有频率，表明其在冲击脉冲载荷作用下具有较高的变形抵抗能力，即抗弯刚度大，变形系数小，性能稳定；此外，较高的各阶模态固有频率，可以使复合材料在实际应用中更易避免共振效应。较高的阻尼比，说明其在外力载荷作用下，在传递过程中能量的耗散能力较大，材料变形时所吸收的弹性应变能较大，材料内部能量储存较多，能量释放率相对较小，对冲击力具有较强的减幅作用，因此有效降低了冲击载荷下复合材料的变形程度。材料的固有频率除了与它本身的结构有关以外，还与材料模量的平方根成正比。由于复合材料的比模量大，所以它的固有频率很高。与此同时，复合材料还是一种非均质的多相体系，基体与纤维之间存在着大量的界面。因为界面对振动有吸收和反射作用，因此复合材料的振动阻尼性强，可以使激起得振动很快衰减。对相同形状和尺寸的梁进行振动试验的结果表明，对同一振动，轻质合金梁需要9s才能停止，而碳纤维复合材料梁只需2—3s。纤维增强复合材料的阻尼机理与普通金属或合金材料明显不同，表现为：纤维／基体间的中间相阻尼、基体和纤维的粘弹性阻尼、复合材料微结构损伤(基体裂纹处、断裂纤维、脱胶区)的滑动摩擦阻尼等t6]。不同类型的纤维增强复合材料的阻尼机理不同，不同材料结构参数对振动特性的影响也不相同。目前，已经有一些关于复合材料模态性能的研究。1．2．1不同种类增强体的复合材料 万方数据天津工业大学硕士学位论文1．2．1．1短纤维增强复合材料Qing．QingNi【』7J利用复合材料梁理论、悬臂梁一阶振动模态分析和Halpin．Tsai等式的理论预测，对Ni．Ti合金短纤维增强环氧树脂复合材料进行了研究。其结果表明，材料的动态力学特性和温度振动性能跟形状记忆合金短纤维的加入有很大的关系；适量形状记忆合金短纤维的加入，可使得复合材料随温度变化的振动特性得到改善；复合材料的衰减系数会随着加入短纤维数量的增多而增大；环氧树脂复合材料的储能模量和固有频率增加最大(分别达到环氧材料的6倍和1．26倍)，在加入的形状记忆短纤维为3．5％时。1．2．1．2二维单向带增强复合材料F．Minghini[8】等对玻璃纤维拉挤复合材料薄壁梁以及框架结构进行了分析。并分析了不均匀弯曲对剪应变的影响，考虑了几何非线性集中或分散的外部载荷。还指出了主振动形式突然改变模式，对集合框架简变形的影响。ChandrasekharV．Nori等【9】基于振动脉冲频率响应的技术，计算了石墨／环氧、玻璃／环氧以及混杂纤维拉挤成型的复合材料圆柱棒，和不同壁厚的复合材料圆管的剪切模量。并将在低拉应力水平下利用扭转振动获得的动态剪切模量和有限元方法得到的静态剪切模量进行了对比。得出了，当界面内纤维在基体中的分布己知的情况下，可以利用有限元分析准确预测拉挤成型复合材料的剪切弹性行为。复合材料的剪切模量和其它力学性能与纤维几何排列有关，这一结论能够用于区分单一纤维和混杂纤维增强复合材料。P．RajuMantena[1o】等用超声波和频率响应振动技术，对单向纤维增强玻璃／环氧拉挤复合材料的表征做了测试。缠绕复合材料板壳结构动态固有特性的研究是飞行结构和空间飞行器动态分析、结构推进系统稳定性(POG0)分析、气动弹性稳定性计算的基础，是保证飞行器可靠飞行性、设备可靠工作性的关键之一。余旭东【ll】用九节点等参数单元对缠绕复合材料壳结构的动态固有特性进行了分析。其模型考虑了复合材料板壳的剪切变形，并进行了剪切修正。计算结果表明此方法对于复合材料板壳的动态特性分析的精度良好，并且能适应各种边界条件和几何形状，既适合于常规材料，又适合于复合材料；既适合于薄板壳，又适合于厚板壳。它建立的分层模型可应用于工程实践中，直接求解复合材料的层裂破坏问题。AltanKayranU2]等通过运用多段数值积分法与修订频率实验法研究了长丝缠绕各向异性旋转壳的自由振动特性。把多段积分方法的适应性通过有限指数傅里叶变换的基本壳体方程扩大到了解决各向异性复合材料模态问题的方法上。1．2．1．3层合复合材料 万方数据第一章概述Jean．MarieBerthelot[13J对玻璃纤维单向增强复合材料的阻尼性能进行了研究，在该复合材料的不同位置含有黏弹性层。研究中采用含有黏弹性夹层的，正交各向异性复合材料阻尼模型。文章中对中间层两侧分别有一层黏弹性夹层的以及中间层是黏弹性层的玻璃纤维层合板材料进行了研究分析。结果表明：由于黏弹性层，层合板的阻尼性能明显提高；内置黏弹性层层合板的阻尼性能比外层为黏弹性层的层合板的阻尼性能高。JongHeeYim【14J基于弹性黏弹性经典层合板理论，对层合板复合材料梁的阻尼性能进行了预测。对不同铺层顺序的层合复合材料进行了实验。实验数据表明，纤维方向及增强体的体积分数对层合复合材料的振动平衡有很大的影响。卿光辉【15J视厚度不连续梁为层合板，应用Hamilton正则方程半解析的方法建立了每一层的线性方程。模型借助“分离合并”的方法，对厚度方向不对称的不连续层合板进行了处理，且方程未知量不会随着层数的增加而增加，因此该模型对不连续层合板的厚度并没有限制。RajamohanGanesan[16J用经典层合板论高阶有限元的方法，对无阻尼自由振动响应的层合楔型梁进行了研究。对不同楔形结构的复合材料梁进行无阻尼自由振动分析，研究了楔形的种类、楔形角大小、板的结构、边界条件等对无阻尼振动固有频率的影响。戴新进u7J等应用虚拟激励法，分析了敷设粘弹性阻尼层复合材料层合结构的平稳随机响应。考虑了粘弹性材料的损耗因子以及层合结构自身的阻尼和弹性模量随频率变化的影响。从文章中复杂的计算以及结论可以看出，该文所提的方法可以有效的分析复合材料的随机振动。吉桂秀【18】等建立了含多个分层损伤的复合材料层合板的自由振动分析有限元模型以及分析方法，采用线性接触模型模拟分层区域上、下子板的相互作用。讨论了板的边界条件及分层数目、位置对其模态特性的影响。MustafaY锄aIl【19J研究了“三明治”结构的层合复合材料梁的模态动力学行为。通过有限元分析法确定了不同的物理几何参数和共振频率，得出了层合板性质及规模比率会对这两个参数产生限制的结论。Crawley和Adams[20]对分层损伤对固有频率的影响做了研究，研究表明：由于复合材料层合板存在高度各向异性，使损伤对固有频率的影响较为有限。PedroRibeiro[21】对几何非线性周期振动的剪切变形的复合材料层合板进行了研究，在研究中发现了模态耦合。然后分析了纤维方向受到模态耦合运动的影响而产生强迫震动，并验证了这种方法的准确性。邱劲波[221等用双重Fourier级数展开法求得了，在预加面内荷载作用下自由振动及在横向动荷载共同作用下的弹性基础上四边简支对称正交铺设和反对称 万方数据天津工业大学硕士学位论文斜交铺设层合剪切板动力响应的解析解，研究证明了，基础弹性常数及预加面内载荷对层合板的动力响应有显著影响。王飞【23】等通过对三种铺层的复合材料层合板进行振动试验及理论分析，研究了复合材料层合板振动特性受损伤的影响。经研究得到了材料、铺层方式与振动特性的关系。并进一步研究了含有分层、穿孔损伤的层合板的模态特性。杨和振124】等通过在不同温度条件下利用锤击和激振器实验方法测定了复合材料层合板的动力响应，对温度变化下复合材料层合板的试验模态进行了分析。并采用随机子空间法识别了其固有频率、阻尼以及模态振型。经研究，复合材料层合板结构的固有频率和阻尼比与温度存在着逆相关关系，而模态振型的变化则没有非常清晰的相关关系。LuccioIli【25】基于一阶剪切变形理论和经典层合板理论，对矩形层合板的稳定性和自由振动进行了有限元分析。ju[26】基于Mindlin板理论，对含多处分层损伤的层合板的自由振动进行了分析。Ferreira[27】应用伪谱方法和径向基函数相结合，分析预测了对称复合材料板的固有频率。Park[2翻和Ramakrishnat29】基于高阶剪切变形理论，分析研究了中间开孔的层合复合材料平行四边形板的自由振动。马静敏【30】基于大型通用有限元软件ANSYS，计算了薄壁变截面旋转悬臂梁的固有频率，并且与迦辽金法的求解结果进行了对比。分析了复合材料的弹性耦合、铺层角度、截面变化和旋转速度对薄壁梁的自由振动的影响。1．2．1．4编织复合材料姚学锋【3l】对碳纤维／环氧树脂编织结构复合材料的动态力学特性进行了实验研究，确定了二维编织结构复合材料梁、管的振动模态参数(固有频率、阻尼比、阵型)与传递函数，并与钢质梁、管的动态性能进行了此较。结果表明：编织结构复合材料不但减振效果好，且在稳定性、刚度等方面具有良好的性能。蔡敢为【32彤】采用层合板类推法、一阶剪切位移假设和能量耗散原理，分析了两步法三维编织复合材料矩形截面梁，以及四步法三维编织复合材料杆件的比阻尼容量。研究中，约束条件为梁的刚度要求和工艺要求等，设计变量为轴向纤维的百分比、梁的截面尺度和纤维编织角等，最大优化目标函数为梁的阻尼。文章的研究对含此类构件的机构的动态仿真、振动分析以及优化设计等工作有比较大意义。黄小林[34】基于Reddy高阶剪切变形板理论，用双重Fourier级数法，研究了四边简支条件下的三维四向编织复合材料剪切板自由振动的解析解，并且讨论了纤维体积含量和编织角对剪切板固有频率的影响。计算结果表明：编织角的变化对材料各阶固有频率有影响；固有频率随纤维体积含量的增加而增大。 万方数据第一章概述李典森135J采用悬臂梁自由振动衰减实验方法，对进行三维编织复合材料的振动阻尼特性了研究，并分析了纤维体积含量、编织角以及编织结构对三维编织复合材料振动阻尼特性的影响。实验结果表明：随编织角的增大、纤维体积含量的降低，三维编织复合材料的阻尼性能提高；且与三维四向编织结构材料的阻尼性能相比，三维五向编织结构材料的阻尼性能更加优异。孙雨果【36】提出了一种可满足现代卫星结构轻质化、大型化的新型三维碳／环氧编织复合材料等网格承力筒结构，通过建立有限元模型，对该结构的力学性能、模态、稳定性以及局部损伤情况下的力学性能进行了分析，得到了该结构的固有频率以及模态振型。结果表明：该文章中提出的新型三维编织复合材料等网格结构具有结构稳定、应力分布均匀、对局部毁伤不敏感等优点，这对未来我国卫星承力平台的设计具有一定的意义。1．2．2不同形状复合材料制件T．H．Ooijevaarr371将振动试验与模态应变能损伤算法相结合，对铺层T型梁的损伤位置做出了准确的定位。通过利用模态实验中获得的频率发现了损伤的存在，并由试验获得的阵型准确的做出了损伤定位。文章最后还研究了测试点个数对实验的影响，得出了8个测量点即可准确预测损伤位置。JaehongLee[381研究了工字形截面复合材料薄壁梁的振动，它基于经典的层和理论，研究了不同铺层顺序、对称与非对称铺层、边界条件对弯曲和扭转模态的影响。并用1维的有限元模型预测了梁的固有频率和响应的阵型。最终得出了纤维取向、模量比、重量与厚度之比、边界条件对复合材料固有频率和阵型影响的数据结果。SenLiang[391将转换矩阵法和振动理论相结合，详细的分析了顶端带圆环的正交铺层结构圆锥壳的振动特性。由微分方程矩阵、系数矩阵和连接矩阵得出了振动系统的控制方程。在系数矩阵和转换矩阵的关系己知的情况下，利用四阶Runge．Kutta方法解出该矩阵方程。得转换矩阵后，每个连接矩阵和组成矩阵可组成整个结构的矩阵，最后由3D有限元模型的数学解，得到该壳体的固有频率及模态振型。肖汉林【40】根据Rayleigh．Ritz能量法以及lover’S壳体理论，对加筋层合壳结构的自由振动频率进行了分析。研究表明：加筋尺寸、加筋的位置、壳体长度与半径之比和壳厚与壳体半径的比值均对其模态频率影响显著。项晨【4l】计算了玻璃／环氧船体悬臂板和加筋板结构的自由振动以及动力响应的问题。文章中将流体边界元与结构有限元相结合，并采用了阻尼单元刚度阵。在文章中还对一复合材料舱段进行了水下爆炸当量载荷的振动及响应计算。由于研究中采用了 万方数据天津工业大学硕士学位论文Newmark直接积分法和修正的RITZ向量法求解振动及动力响应问题，从而避免了因附连水质量阵的质量阵不对称而引起的求解困难。这对复合材料舰船结构分析研究领域内复合材料舰船的动力响应分析及流固耦合振动是具有重要理论和工程意义的。刘兵山等【42J对机翼的复合材料盒段结构进行了实验分析。依据结构相似方法对盒段进行缩比，进行了机翼盒段结构的模态分析和试验。通过复合材料整体成型技术制造了盒段模型，该模型同时实现了传力相似和结构动力学相似。对模型进行的模态分析和试验的结果吻合较好。文章中所建立的的研究方法，为高速飞机机翼颤振试验在低速风洞中的实现奠定了基础。王军等[431在没有对复杂结构进行简化的情况下，针对某直升机复合材料旋翼桨叶，建立完整的有限元模型。该模型考虑了主承力结构和次承力结构。并通过该模型计算出了，在额定转速下桨叶的前5阶固有模态和频率。分析结果表明了，前5阶模态并不存在振动耦合，满足桨叶固有特性设计的要求；在此基础上，还计算了不同转速下各阶的频率，经分析，桨叶低阶固有频率与其旋转频率在工作转速范围内没有相交，满足固有频率的设计要求。蔡敢为M介绍了一种可分析三维编织增强的复合材料连杆机构固有频率、模态阻尼和振型的方法。文章中建立了它的有限元模型，该模型是依据这种各向异性复合材料细观结构特点来建立的。将梁单元视为3个部分，建立了梁的单元刚度矩阵，应变势能通过梁单元节点位移与各部分的应变分布状况的关系计算出。在研究中还导出了复合材料的细观力学结构与该机构动态力学性能参数之间的内在关系。三维编织纤维增强复合材料不仅明显地提高了材料的整体刚度以及强度，也使其具有良好的抗损伤性能，纤维增强复合材料构件的比刚度和阻尼特性显著高于金属材料，在高速机构中使用可有效改善其动态性能。唐晓峰【45】对某种铺层方式的复合材料连杆机构建立了有限元模型，按层叠复合材料计算方法获得材料弹性模量初始值，利用模态分析得到的结构频率范围一与振型指导模态试验。通过单独构件的模态试验确定动弹性模量，对连杆机构的模态试验确定结构的连接面刚度，修正有限元模型后再次进行模态分析，最终获得连杆机构的频率、振型、模态阻尼、模态质量。刘建杰[46】采用了UGNX6．0高级动力响应仿真模块及复合材料模块，正弦振动分析了某型号拟采用的初始复合材料天线罩，还由位移等效原则进行了响应应力分析，并找出了初始设计的缺陷。在最后仿真验证了改进方案的正弦振动，结果表明了改进后天线罩的刚度不仅得到了很大的提高，而且没有增加结构的重量，同时相应位移也大大减小，满足了结构设计的要求。李建华【47J在abaqus环境下，建立了复合材料叶片，划分了网格，施加了约束，采用了有限元方法进行 万方数据第一章概述模态分析。得到了六阶振动固有频率、振型等参数值，同时还讨论了复合材料叶片动力刚化效应对振动的影响。王靳然和王永峰H81建立了某型导弹全结构有限元计算模型，其中包含复合材料舱段，在其上分布多处孔洞。基于地面模态实验数据对该有限元模型进行了优化，给出了该复合材料结构建模及模型修正方法。1．2．3模态的主要研究方法1．2．3．1有限元模拟法有限元方法在用于求解复合材料梁的运动方程中，主要用于解决非线性且几何形状复杂的系统【491。例如涡轮螺旋桨发动机【501、螺旋形缠绕的对称管【5l】、锥形梁【52J、圆锥管子等【53J。王轩【54】等在MSC．Patran中建立了复合材料层合板的有限元分析模型，用MSC．Nas缸an计算得到模态的固有频率和基本振型。从理论上讨论了一端固支弹性矩形薄板自由振动频率的求解问题，理论结果与试验数据经对比，吻合很好，这说明在工程设计计算中可用该文采取的数值仿真方法。Lee等155J基于多层理论，提出了用来分析复合材料层合梁的应力和振动的有限元。他们的理论说明了层间剪切应力的连续性。冯振宇156】等研究了复合材料层合板固有特性受多处分层损伤对的影响，并找出了其规律，这些研究室基于层合板一阶剪切变形理论的。分层区域上、下子板的相互作用是根据一般分层模型，在采用线性接触模型的基础上进行模拟的，并建立了平面编织层合板的自由振动分析有限元模型，模型中平面编织层合板含多个椭圆内埋型分层损伤。文章中还讨论了试件纵向与椭圆分层区域长轴夹角对平面编织层合板模态的影响。晁爱芳【57】等基于有限元分析方法和一阶剪切变形理论，通过ANSYS软件建立模型，研究了各向异性复合材料层合结构的线性和非线性自由振动问题。经验证，此文章计算出来的数值结果与其他文献的结果非常接近，这对将来复合材料结构的动力响应及疲劳寿命的求解有着积极的意义。HenriqueSantos[Ss]等基于semi—analytical有限元模型，对正交异性复合弹性材料旋转壳体的自由振动进行了分析。试验认为，忽略耦合条件最大径向位移为46％，层合复合材料结构耦合条件的很重要。经分析，在考虑耦合的情况下要比Sheinman和Weissmanl59]忽略耦合，获得的自由振动结果要小。1．2．3．2理论分析方法瞿叶高等【60】提出了一种用来分析任意边界条件的复合材料层合旋转壳自由振动的半解析区域分解法。并以不同边界条件的层合圆锥壳、球壳及圆柱壳为例，采用区域分解法分析了其自由振动。Krishnaswamyl61】对层合复合材料梁的自由振 万方数据天津工业大学硕士学位论文动响应进行了分析。Hodgeseta1．【62】对在不同边界条件下一般层合复合材料梁的自由振动响应进行了研究。KhedeirandReddyl63】对层合复合材料的自由振动响应进行了推倒分析。Abramovich和Livshits[641研究了非对称复合材料的自由振动。Hajela和Teboub【65J把自由振动的复合材料梁使用符号法计算进行了处理。Eisenberge和Reddy[66】通过一阶阶剪切变形理论，对复合材料梁的振动情况进行了分析。邱志平【67J等人采用区间数学，对不确定结构参数的复合材料层合梁进行了建模。提出的区间分析法可用于求解具有不确定结构参数的复合材料层合梁的自由振动问题。通过把概率分析方法与数值算例相比较，结果表明，概率分析方法的结果包含在区间分析的结果范围内，也证明了区间分析方法的可行性。白建方【68】等提出了一种可分析复合材料包覆钢筋混凝土梁振动特性的近似方法。该文采用了里兹函数，它是基于摄动法的思想形成的。在模态摄动法中，避免了因求解非线性方程组而产生的繁琐工作。特别是在分段加固的状态下，该文大大简化了生成系数矩阵时的计算。经分析表明，该文所提的方法不仅可以节省计算时间、降低工作量，且计算结果具有较高的精度。1．2．3．3试验测试法目前通过试验获得结构模态参数主要有两种方法№9J：一是为直观的物理识别方法，即纯模态试验技术，它是基于相位共振法的【70、711。这种方法的基本思想是：围绕着系统的某阶固有频率来调节激励频率，使得系统依照它的某阶固有模态方式来进行振动，进而得到纯模态，最终通过物理测量，便可直接获得结构的模态参数；另一种是基于相位分离的模态参数识别法，即在宽频激励下，同时激发出多个模态，随后通过数学方法进行分解，进而得到整个频带内的所有模态。这两种方法各有优缺点，纯模态试验技术，要求试验人员具有熟练的试验技能，试验周期长，但精度高。模态参数识别法，可以同时得到各个频率，试验周期短，但精度较差。由于很多情形下需要较高精度的结构模态参数，则在实验模态的基础上进行有限元模型修正【721，此时更值得推荐的是纯模态方法。目前基于相位分离的模态参数识别法应用较多。余建新和陈立平L73J采用冲击力锤测量完整和含损伤复合材料悬臂梁阻尼值，结果表明损伤位置影响模态参数。RezaAhmadianandP．RajuMantena／74】采用力锤法调查分析和比较了通过拉挤工艺生产的各向异性复合材料框架的动态行为，实验结果表明，制成的拉挤成型混合复合材料的结构适用性和动态的优越性。W．F．HaoandT．Y．Kam[751采用正弦扫描振动测试几个不同弹性支撑位置的复合材料层合板的固有频率。M．Abo．Elkhier等【76】采用激振器等设备，探讨了实验模态分析作为一种非破环工具用来描述和量化悬臂式不同取向层合复合材料梁疲劳性能的能力。 万方数据第一章概述孟霞等针对复合材料平面板架结构，分别采用了模态参数识别法和纯模态法进行实验模态研究，给出了对应的频率、振型及阻尼。并得出，模态参数识别法会给出一些虚假的模态，而采用纯模态试验技术则可以给出比较准确的模态参数结果。郭家骅【77】采用纯模态试验运用激振器，对悬臂梁的作动器／传感器优化布置进行了研究。1。3课题的研究背景、内容和意义1．3．1研究背景现代科学技术的发展，使得对振动、冲击、噪声的控制变得越发重要。越来越多的人变得重视减振降噪技术及其相关的材料。对于纤维增强复合材料，影响其振动性能的因素有：纤维体积含量、增强纤维与基体的性能、纤维与基体的相互作用以及增强纤维的组成结构。另外，不仅材料的自身结构与其自振频率有关，材料模量的平方根还与其自振频率成正比。即比模量越大，自振频率越高。同时，在复合材料的纤维与基体之间存在着大量的界面，由于界面对振动的吸收以及反射作用，因此复合材料振动阻尼性强，即使激起振动也能很快衰减。三维编织复合材料是近年来发展的一种高性能复合材料，它克服了二维层合板复合材料层间刚度、强度过低的缺陷，显著地提高了材料的整体刚度和强度，且具有减振性好、抗疲劳性好、材料性能可设计等特点。随着它在航空、航天等领域的广泛应用，其力学性能的研究越来越受到重视。研究三维编织复合材料的振动性能，提高其在振动和噪声环境下的可靠性是复合材料结构安全服役的重要保障。目前，已经有一些关于三维编织复合材料模态性能的研究，但对碳纤维三维四向编织复合材料T型梁的模态性能还没有系统的研究。1．3．2研究内容和意义本课题要研究三维四向编织复合材料T型梁的模态性能，主要研究内容有：1．三维编织结构参数对模态性能影响的分析通过实验考查四步法三维四向编织复合材料T型梁的编织角和纤维体积含量对制件模态特性的影响。2．不同试件长度的复合材料T型梁模态性能的对比分析对自由端长度为255mm、245mm、235mm、225mm、215mm的不同参数的复合材料T型梁进行模态试验研究，分析不同试件长度下制件的模态性能，及不同试件长度对模态参数的影响。3．三维四向编织复合材料T型梁的阵型 万方数据天津工业大学硕士学位论文测量分析三维四向编织复合材料T型梁在其固有频率下的振动形态，即阵型。4．三维四向编织复合材料T型梁模态的有限元分析用有限元的方法计算、模拟了三维四向编织复合材料T型梁的固有频率和阵型。并对不同自由端长度的T型梁和不同尺寸的T型梁的固有频率进行了研究。本课题主要通过试验方法对四步法三维四向编织复合材料T型梁的模态特性进行研究，旨在得到不同结构参数(纤维编织角、纤维体积含量、长度)对模态的影响。这些研究对此类材料的模态分析、优化设计等工作有较大意义。另外损伤引起的复合材料结构中物理参数(质量、刚度等)的改变会反应在结构的模态参数(模态频率、模态振型、模态阻尼等)的变化中，这使得模态特性研究对结构使用过程的监测和故障诊断具有重要意义。 万方数据第二章振动系统模态分析的实验方法振动是指物体经过它的平衡位置所作的往复运动或系统的物理量在其平均值(或平衡值)附近的来回变动。一般地，以模态参数为目标、以振动理论为基础的分析方法，就称为模态分析。确切地说，研究系统物理参数模型、模态参数模型与非参数模型的关系，且通过一定手段明确这些系统模型的理论以及应用的一门学科就是模态分析。狭义地讲，模态分析是系统的模态参数识别。振动结构的模态分析是指，对一般结构所做的模态分析。2．1振动的认识振动法是测试实验中常用的一种方法，不仅能够测试工作状下工业机械或结构存在的振动，如振动的加速度、速度、位移、频率等；且能够对机械设备或结构施加某种激励，以测量其受迫振动，可求得被测对象的动态性能或振动力学参量，如响应、刚度、固有频率、阻尼等。可以从不同的角度考虑对振动进行分类。按照振动形式分类和按照振动系统分类是常用的两种分类方法【78】。其中按照振动形式又可以分为两种：按激励性质分类和按激励控制方式分类，其中前者包括定则振动和随机振动；后者包括自由振动、强迫振动、自激振动和参激振动。按照振动系统分类可分为六种：随机系统、定则系统、连续系统、离散系统、线性系统和非线性系统。目前主要有两种研究结构动态特性的方法，理论分析方法和实验分析方法，这两种研究方法具有一定的互补性。在进行模态参数识别时，无论是理论分析方法或实验分析方法，都可以在频域或时域中进行。频域法是基于结构传递函数或频响函数，在频域内识别模态参数的方法；时域法则是利用激励作用下结构响应的时间历程，在时域内识别模态参数的方法。复合材料悬臂梁的模态性能测试实验主要包括固有频率、模态阻尼比和阵型等的测量。一般的振动问题由激励(输入)、振动结构(系统)和响应(输出)三部分构成，根据研究的目的不同，一般可将振动问题分为以下几个基本类型：1．系统动力响应分析，这是振动的正问题。即己知激励和振动结构，求系统响应。2．系统识{JfJ(辨识)，这是振动问题的一类反问题。即己知激励和响应，求系统参数。3．另外一种振动反问题，即已知系统和响应，求激励。11 万方数据天津工业大学硕士学位论文根据研究模态分析手段和方法的不同，模态分析可分为：理论模态分析、实验模态分析。理论模态分析，研究的是激励、系统、响应这三者之间的关系，它是以线性振动理论为基础的。在结构的材料特性、几何形状和边界条件已知的前提下，分别用质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵把结构的质量分布、阻尼分布和刚度分布表示出来，以确定系统的模态参数。由于基体和纤维材料的固有粘弹性，使得复合材料在振动过程中呈现出明显的粘弹性特性(粘弹性系统的阻尼与速度成正比)。其振动微分方程可表示为：[M】{错误l未找到引用源。)+[c】{错误l未找到引用源。)+【K]{x)=f．(t)2．1其中：[M]为系统质量矩阵；[C]为系统阻尼矩阵；[K]为系统刚度矩阵；f(t)为系统所受激励的时间函数；{错误l未找到引用源。)，{错误l未找到引用源。)，{x)分别为系统的加速度矩阵，速度矩阵和位移矩阵。2．2实验模态分析模态参数识别是实验模态分析的核心。难以用分析方法建立准确模型的，可以通过振动试验，记录输入输出数据，从而求出系统的有关参数和特性。系统识别中估计系统振动固有特性的叫模态参数识别或试验模态分析，估计物理参数的叫做物理参数识别。实验模态分析由建立实验装置、数据采集和系统识别组成。由于模态试验技术可用于系统的模态参数识别，运用模态实验还可以验证和修正理论模型，并对系统进行结构优化，激励力识别等。2．2．1振动测试实验振动测试是通过测振传感器、信号采集分析设备和计算机等，获得某一时间段内系统输入(即激励)、系统结构动力参数或系统输出(即响应)等数据。建立模态分析的试验，要求试件本身应当满足时线性动态特性、不变性以及可观性。另外，在模态分析试验中还应注意以下要点：(1)边界条件实验的目的决定了进行实验时试件与环境之间的连接方式。当与有限元模型进行对比时，有限元模型边界条件应与实验边界条件相一致。对于常规条件下试 万方数据第二章振动系统模态分析的实验方法件动态特性的测量或者是在限定边界条件下的实验研究，应尽可能模拟实际工作条件，常见有自由边界条件、固支、铰接边界条件等。(2)激励系统任一振动实验系统都需要激励装置使试件产生振动，由于属于非连接激励，锤击激励具有设置简单且不影响试件动态特性(如无附加质量的影响)的优点，适用于质轻、刚硬的试件。理想的输入力，持续时间为零，冲量为—个固定值，幅度无限大，所获得的基带频可展达到很高的频率。力谱的频率含量由锤激脉冲的幅值、形状和宽度决定。其中力谱的量级由脉冲的形状和幅值决定，而定基带频宽由脉冲的宽度决定11791。锤头的硬度、锤子的重量、锤击作用力的大小等决定了冲激脉冲的特性。由于冲击相应频谱除以冲击力的频率是频率函数，因此，假如冲击力波形宽度太大，频谱下降太快，那么得到的频响函数就不可靠。敲击有规律，每一次敲击量级相当，且不连击，才能获得准确的结果。由于试件不同，所使用得力锤重量的限定值也不相同，如果大于该限定值则会产生连击，这种情况下可改变敲击位置、减轻锤体重量或更换锤头材料。(3)响应系统模态分析实验中，通常是以位移、速度或加速度来表示响应，若在高频情况下则比较关注加速度值。通过积分电路积分，加速度信号可以转化为速度或位移量。加速度计的质量越小，对结构的影响就越小，测量也就越精确，其使用频率上限为其共振频率的30％。另外，安装位置与安装方法对测量范围和精度也有着很大的影响。2．2．2模态参数辨识选定试验测量系统后，便可进行响应数据的测量和频域转换。计算频响函数，完成模态参数估计。按照使用激励和响应的数目可分为单入单出(SISO)识别法、单入多出(SIMO)识别法和多入多g岜(MIMO)识别法。单输入／单输出识别法可进行简化的单模态分析，若进行多模态分析，则主要有两种方法：一种是用分式将传递函数展开，并用非线性最小二乘法迭代求解的方法；另一种是用有理多项式将传递函数展开，并用线性最小二乘法直接求解的方法。多自由度结构模态参数若采SISO法识别，那么至少要重复m(m为测量点数)次，这样不单单是计算量大，而且不同测点识别结果的一致性差，固发展处了同时采用全部测试数据的SIMO法。不过SIMO法可能会将有些模态遗漏，因而由于实现了多点激振频响函数测试技术，便出现了MIMO模态识别方法。目前在航空、航天工程中，主要用SIMO 万方数据天津工业大学硕士学位论文法；不过由于多点激振的困难性，在土木工程结构方面，主要采用SISO法和SIMO法。现代测试技术的发展大大简化了数据的处理、转换工作，可借助相关振动测量软件获得所需的函数。系统振动特性的分析，需要几类函数的综合利用，其中有频率信号也有时间信号。在时域中有脉冲响应函数、自相关函数和互相关函数；在频域中有频响函数、自功率谱、互功率谱以及相干函数。进行分析图谱时每个函数又可分别绘制幅值图、实部图、虚部图、相位图等。(1)传递函数传递函数又称频响函数，通常用X强=i2．2表示。2．2定义为i，j之间的传递函数，其物理意义为‘当．j点作用单位力时，在i点所引起的响应”。关系式中X、F分别代表响应信号x(O与激励信号f(t)的频谱(即其傅立叶变换)。实验模态分析中，系统的固有频率可由虚频曲线的峰值所对应的频率来确定，也可以通过频响函数实频曲线与剩余柔度线的交点来确定，其中更容易确定的明显是虚频曲线峰值。(2)自功率谱和自相干函数白功率谱与自相关函数构成一个傅立叶变换。自功率谱是指信号中的平均功率是如何按频率分布的。实验模态分析中，平均频响函数是用自功率谱计算的。由于假如响应函数是直接利用激励和响应频谱计算的话，可能会遇到分母为零的情况，因此频响函数的获得经常是通过自功率谱和互功率谱的，并且该方法能够有效降低噪声的影响。在所需频域范围内激励力的自功率谱应当较为平滑，即自功率谱还可以用于激励信号的评判。如果在某些频率自功率谱降为零，这就表明在该频率范围内激励能量为零，这时就要另选激励点。如果白功率谱出现剧烈的波动，这时可能是出现了连击现象，这样的结果会产生误差。锤击实验中的双击可以采用自功率谱和自相关函数检测出来。如果激励和响应的自功率谱中出现周期纹波，则表示出现了双击，并且两次连击时间间隔的倒数就是纹波周期。相关函数代表的是频域的相关系数，主要用于检验信号之间的线性关系。它的值可以反映测量质量的好坏，如判断吸声大小、泄漏程度等。相关函数的值在0～1，当其值为1时，激励信号与响应信号之间的线性关系最优。另外，由相干函数还可以得出模型的正确性等。(3)互功率谱和互相干函数 万方数据第二章振动系统模态分析的实验方法互功率谱和互相关函数包含相移或时移信息，这是“互”量与“自”量之间的主要区别，前者可检测延迟。互功率谱和互相关函数也构成一对傅立叶变换，其中互功率谱常用于计算两个信号之间的平均频响函数。两个信号中各个频率上联合功率的量度就是互功率谱的幅值大小，联合功率在各频率上的相对出现时间则是相位。2．3三维四向编织复合材料T型梁的实验模态分析本论文主要研究的是三维四向编织复合材料T型梁的模态性能。对树脂基三维四向编织复合材料T型梁实验模态分析是分析其振动性能的首要步骤。振动性能是复合材料T型梁最基本的动力学性能之一，能直接反映复合材料T型梁在脉冲载荷下抵抗变形的能力，以及在实际使用环境中产生共振的难易程度和对外界冲击力的减幅作用。对三维编织复合材料T型梁的振动性能进行实验研究，不仅可以确定它的振动性能指标参数，还可以深入探究振动性能与材料细观参数之间的关系，为该材料振动性能的预测和设计提供理论依据，以提高其在实际应用中的保障。2．3．1实验测试目的及测试方案通过对在冲击脉冲载荷作用下不同结构参数(表面编织角，纤维体积含量)的碳纤维／环氧树脂三维四向编织结构复合材料T型悬臂梁进行实验模态分析，得到了它们的模态参数与传递函数，以及编织结构对这些性能的影响规律，并进一步分析了它们在冲击脉冲载荷作用下的动力学响应特性。研究三维四向编织复合材料T型梁的振动性能，描述其变化规律，为材料的参数选择、性能设计、结构优化、失效防范等提供了参考，为建立合理的动力学模型奠定了基础。同时，对不同自由端长度的碳纤维／环氧树脂三维四向编织结构复合材料T型悬臂梁进行了测试，对比了其固有频率以及阻尼性能的变化。影响复合材料振动性能的因素很多，也很复杂。本论文重点研究不同表面编织角、不同纤维体积含量以及不同自由端长度对三维四向编织复合材料T型梁振动性能的影响。表面编织角和纤维体积含量是三维编织预成型件结构设计的重要参数，改变表面编织角的大小，可以控制结构中纤维的取向；纤维体积含量的变化对复合材料的性能影响显著。研究采用单点激励／单点响应(加速度响应)以及单点激励／多点响应悬臂梁锤击振动测试方法，测量不同结构参数三维四向编织复合材料T型梁的振动特性(如表2．1)： 万方数据天津工业大学硕士学位论文I．测试纤维体积含量对T型梁振动性能的影响。当表面编织角相同(A2)的条件下，对纤维体积含量分别为：V1，V2，V3的三维四向编织复合材料T型梁试件进行测试。II．测试表面编织角对T型梁振动性能的影响。当纤维体积含量相同(V2)的条件下，对表面编织角分别为：A1，A2，A3的三维四向编织复合材料T型梁试件进行测试。III．不同自由端长度对T型梁振动性能的影响。在三维四向编织复合材料T型梁试件的纤维体积含量和表面编织角相同的前提下测量不同自由端长度的T型梁振动性能。表2．1实验所用试件的设计参数要求及分类列表2．3．2试件制备2．4．2．1振动测试试样的形状、尺寸与参数在测试前，首先应确定测试试样的形状结构及其它条件。振动测试试验要求试件具有明显“根部”，以用来夹持固定试件。为保证三维四向编织复合材料T型梁的整体性和连续性，选择了RTM固化成型方法。与此同时，RTM复合工艺无需胶衣涂层即可获得表面光滑的试件，利于实验中加速度计的粘贴。根据试验方案的设计，试样的尺寸及形状如图2．1。 万方数据第二章振动系统模态分析的实验方法夹持区l蓑图2-1T型梁试件尺寸图2．3．2．1复合材料T型梁预成型件的制备本课题所采用的三维编织复合材料T型梁为三维四向编织结构，预成型件均采用四步法三维1×1方型编织工艺，在天津工业大学复合材料研究所的三维编织机上编织完成。编织所选用的纤维为T700．12K的碳纤维，密度为1．76g／cm3，线密度为O．8g／m。根据测试方案设计，三维四向编织复合材料T型梁的预成型件共5组，每组3个(具体见附表1)。在所需结构参数(表面编织角、纤维体积含量等)的基础上，其它编织工艺参数的计算参考三维四向编织物的基本工艺设计方法[80】。2．3．2．2复合固化工艺在进行复合固化之前，要先将下机后的预成型件平放，以使预成型件完全干燥且达到应力平衡。本实验的预制件成型工艺采用RTM(ResinTransferMolding)工艺，即树脂传递模塑法。其方法是先将按制品形状制成的预制件，放入模腔内，然后加压注入树脂，使其完全浸渍纤维预制件后固化成型，最后脱模得到制品。RTM工艺有利于降低复合材料的空隙率(一般在1％以下)，它是纤维增强复合材料成型的主要工艺之一。真空辅助RTM工艺可提高浸渍速度和浸渍速率，这是因为采用此工艺有利于树脂及织物中空气的逸出，可为树脂的浸渍提供空间。复合固化工艺的具体流程如图2．2所示。 万方数据天津工业大学硕士学位论文预制件干燥卜——_颈剿俘裁剪卜—一损制件称重量垂垂基]————压亟垂亘一豢荔器蓑’卜——虹垂重驻配树脂卜———一树脂称重|横具真空处理固化图2-2RTM工艺流程图RTM工艺对树脂的要求：黏度相对较低，树脂粘度范围在O．1～1．0Pa·S，一般为0．12"～0．5Pa·S；固化放热峰低，以免损伤模具；凝胶时间和固化时间短，并可以有较大幅度的调节，这样可以缩短固化周期，提高生产效率；树脂固化时收缩率小，以保证产品精度；不含溶剂。RTM工艺要求树脂黏度低、中温固化、固化放热峰值低、高反应活性，浸渍过程中黏度较小，注射完毕后能很快凝胶，实际应用中普遍使用不饱和聚酯树脂，根据制品的性能要求，也可使用环氧树脂或酚醛树脂。RTM成型工艺对增强材料的要求是：具有良好的耐树脂流动冲刷性；重量均匀性好；容积压缩系数大；耐冲击性好；与树脂浸渍性好且均匀；机械强度高。采用RTM成型工艺能制造具有良好表面质量、高尺寸精度的复杂部件，在大型部件的制造方面优势更为明显；RTM成型工艺属于一种闭模操作工艺，工作环境清洁；RTM成型工艺容易灵活地调整增强材料的类型、结构设计；RTM成型过程中苯乙烯排放量小，有利于环保；RTM成型工艺的纤维含量最高可达60％；RTM成型工艺易实现局部增强、夹芯结构；RTM成型工艺属于低压注射，注射压力一般小与30psi，可采用铝模具、玻璃钢模具等，不仅模具设计的自由度高且成本较低。本实验采用TDE．86型环氧树脂，学名：4，5．环氧环己烷．1，2．二甲酸缩水甘油酯。实验中采用的固化剂为HK．021酸酐，催化剂为二甲基苄氨苯氨。环氧树脂与碳纤维的结合具有粘结强度高、工艺性好、化学稳定性好、成型收缩率低等优点。环氧树脂作为一种热固性树脂，由于具有多官能团结构，它热稳定性好、粘度低，固化后的浇注体性能优异，因而应用广泛。图2．3是固化后的T型梁图片。20 万方数据第二章振动系统模态分析的实验方法图2．3三维四向编织复合材料T型梁试件实物图2．3．3测试系统振动测试方法有很多种，但都由激振系统、测量系统、分析系统三部分组成，各种方法的区别也在于各个部分的不同。图2-4是本试验的测试系统连接图，包括：悬臂梁固定装置，力锤激励与加速度响应系统，数据处理系统。图中A点和B点为本实验选取的不同的激振点，其中A点位于远离腹板一侧的肋板平面上，B点位于腹板外侧沿Z轴的中心线上，且它们都距T型梁的顶端245mm。2．3。4注意事项图2-4实验模态测试系统连接图抟怒嚣VZ由于振动性能参数对温度、噪音这种外界因素反映灵敏，易造成试验误差明显，因此测试对实验环境要求较高。为了保证试验仪器的安全使用以及测量结果■ 万方数据天津工业大学硕士学位论文的准确度，要严格控制试验时外界温度的变化和噪音干扰。试验全过程要保持室温恒定，必要时可用仪器短接来测量环境噪音的干扰。为了得到精确可靠的振动测量结果，还必须保证传感器的正确安装。安装加速度传感器时，必须使其灵敏度主轴与测量方向相一致。此外应使传感器与被测体之间有刚性传递，以保证传感器正确感受被测体的振动。正确连接安装加速度传感器与被测物体，安装加速度传感器时还应注意到导线的固定，防止由于电缆振动产生摩擦面引起“电效应”，造成电噪声。为消除接地回路电噪声，方法之一是整个测试系统在同一点接地。 万方数据第三章三维四向编织复合材料T型梁实验模态分析结果关于复合材料T型梁的动态特性，固有频率与阻尼比是两个重要的动力学参数。它们主要与纤维的体积百分数、增强纤维的组成结构、增强纤维与基体的动态性能以及纤维与基体的相互作用有关。在实施了单点激励／单点响应和单点激励／多点响应的悬臂梁锤击振动测试实验的基础上，以实验数据为基础，通过模态参数识别获得了表征T型梁振动性能特点的固有频率、阻尼比和频响函数。本章将通过各方面比较分析确定不同表面编织角、不同纤维体积含量、不同自由端长度的三维四向编织复合材料T型梁之间模态参数的变化规律。采用上述图2_4中设计的锤击振动测试方案，对三维四向碳纤维／环氧树脂编织结构复合材料T型悬臂梁(试验试件分组情况和细观结构参数值见附表2、3)的动态力学特性进行实验模态分析。其中每组都有三个相同结构的试件，并都进行了实验，而且在对每个试件进行实验时，都使用力锤敲击3次，取平均值。实验中分别获得了不同细观结构参数与它们的动态特性参数(阻尼比、固有频率，参见附表4—8)及冲击脉冲信号与响应信号之间的关系。3．1不同激振点的测试对T型梁模态实验结果的影响——ADi；嚣li歹l＼处—／。≥≤＼～鼍捷譬渊|t-Iz图3-1T型梁在A、B点激励后频率响应函数图的对比本实验选择了A、B两个不同的激振点对三维四向编织复合材料T型梁的模态性能进行了测试。图3．1是对编号为A2．V3．1的T型梁上的A、B两点分别进褥∞锻{；；{：；勰兹憾”5upl蕙曩糟蝌‘ 万方数据天津工业大学硕士学位论文行激振，得到的频率响应函数图。这两条曲线的吻合性非常好。得到的峰值中最大的相对标准偏差为O．12％。由于所有的相对标准偏差都不超过1％，所以实验中得到的固有频率值有很好的重复性，这也与T．H．Ooijevaar等【37】得到的结果相一致。可以得出激振点位置的选择对三维四向编织复合材料T型梁模态实验的结果几乎没有影响，因此在之后的试验中就选取B点为激振点。3．2纤维体积含量对三维四向编织复合材料T型梁振动性能的影响3．2．1不同纤维体积含量三维四向编织复合材料T型梁的模态参数3．2．1．1纤维体积含量对三维四向编织复合材料T型梁固有频率的影响表3．1是相同表面编织角、不同纤维体积含量的三维四向编织复合材料T型梁试件的前两阶固有频率的平均值和变异系数。表中分别列出了自由端长度为255、245、235的T型梁的3个相同参数试件的固有频率平均值及其变异系数。由表3．1可以看出固有频率的变异系数值均不超过6％，所以同组的三个试件所得到的固有频率的一致性比较好，这证明所编织的预制件以及最终制作的试件的均匀性比较好。表3．1表面编织角相同的试件的固有频率值图3．2是相同表面编织角、不同纤维体积含量的三维四向编织复合材料T型梁试件的前两阶固有频率的对比，图a、b、C分别是自由端长度为255、245、235的T型梁的平均固有频率，从图中可以看出纤维体积含量对三维四向编织复合材料T型梁的固有频率有显著影响。每个图中的两条线，分别代表表面编织角相同(A2)的情况下，三维四向编织复合材料T型梁的第一阶、第二阶固有频率随纤维体积含量变化的规律。根据图像可知，相同表面编织角条件下，三维四向编织复合材料T型梁的前两阶固有频率都随着纤维体积含量的增加而增大。 万方数据第三章三维四向编织复合材料T型梁实验模态分析结果N工’、斟爨忙围N工’、斛爨忙囤(a)自由端长度255纤维体积含量／％(b)自由端长度24,5N工’、料爨忙回N工、、斟爨忙囤 万方数据天津工业大学硕士学位论文N工、、斟葵忙囤纤维体积含量，％(c)自由端长度235图3-2不同纤维体积含量T型梁固有频率的对比根据梁的振动理论，悬臂梁的一阶振动频率服从以下关系[8I】：3-1N工-、-斟爨怔画式中，Kl为对应一阶频率的系数(取1．875)；，为梁的长度，单位illin；E为梁的弹性模量，单位GPa；h为平行于梁振动方向的高度，单位l"ilnl；p为梁的质量密度，单位eCmm3。由公式(3．1)可见，当梁的外部尺寸相同时，梁的一阶振动固有频率正比于梁的比模量的平方根。由于三维四向编织复合材料T型梁的纤维刚度远远大于基体的刚度，所以纤维体积含量的增大就意味着整体刚度的增大，即梁的弹性模量增大。因此当材料的编织结构、编织角相同时，T型梁试件的固有频率随纤维体积含量Vf的增大而升高。从以上的分析可以得出，纤维体积含量是三维四向编织复合材料T型梁固有频率的重要影响因素。固有频率是由系统本身的质量、形状和刚度所决定的，碳纤维三维四向编织结构复合材料T型梁的固有频率越大，表明其在脉冲载荷作用下的抵抗变形能力越强；较高的各阶模态固有频率，也会使碳纤维三维四向编织结构复合材料T型梁在实际使用中更容易避免共振效应。所以固有频率作为材料振动性能的主要参数指标，合理的选择纤维体积含量对提高三维四向编织复合材’6矗一广碍磊ll∥ 万方数据第三章三维四向编织复合材料T型梁实验模态分析结果料T型梁的振动性能有着十分重要的意义。在材料设计时，为提高三维四向编织复合材料T型梁的固有频率，应尽可能的提高其纤维体积含量值。1．051．000．950．900．850．800．750．7035401．000．950．900．850．80O_750_704550556065纤维体积含量，％(a)自由端长度25535404550556065纤维体积含量／％(b)自由端长度245 万方数据天津工业大学硕士学位论文1．000．950．900．850．80O．7535404550556065纤维体积含量／％(c)自由端长度9．35图3-3相同表面编织角(A2)T型梁的前两阶固有频率归一化曲线图为了便于研究对比三维四向编织复合材料T型梁的前两阶固有频率随纤维体积含量变化的规律，把图3．2进行了最大值归一化处理。数据归一化可使各条曲线间的对比关系更加直观。即用Origin软件把之前分析中获得的数据通过其中的数据归一化功能进行处理，这里的归一化采用的是：对于同阶的固有频率，用每个试件的固有频率值除以这组试件固有频率的最大值，便可获得相同表面编织角(A2)的三维四向编织复合材料T型梁前两阶固有频率归一化曲线图。图3．3中a、b、C分别为经过数据归一化处理得到的，随纤维体积含量变化的自由端长度为255、245、235的相同表面编织角(A2)复合材料T型梁的前两阶固有频率曲线图。把图中前两阶固有频率归一化曲线增幅变化关系进行对比可知，对于三维四向编织复合材料T型梁来说，在表面编织角为A2的情况下，三维四向编织复合材料T型梁的前两阶固有频率均随纤维体积含量的增加而增大，但是曲线增幅的规律不明显。3．2．1．2纤维体积含量对三维四向编织复合材料T型梁阻尼性能的影响阻尼通常是指材料内部在经受振动变形过程中把机械振动能转变为热能耗散掉的能力。系统损耗的能量与输入能量之比称为阻尼比，它是无量纲参量。损耗因子随着材料的不同而各不相同，损耗能量是材料阻尼的基本原理。三维四向编织复合材料的结构设计中需要考虑把受激振动能转化为其他形式的能(如热28 万方数据第三章三维四向编织复合材料T型梁实验模态分析结果能、变形能等)，从而使系统尽快恢复到受激前的状态。因此在复合材料设计时，不仅应保证复合材料的强度，同时也需要适当增大其本身的阻尼性能。表3-2是相同表面编织角、不同纤维体积含量的三维四向编织复合材料T型梁试件的前两阶阻尼比的平均值和变异系数。表中分别列出了自由端长度为255、245、235的T型梁的3个相同参数试件的阻尼比平均值及其变异系数。由表3．2可以看出阻尼比的变异系数值最大不超过34％，这比固有频率的变异系数值要大，其原因在于阻尼比的绝对值远远小于固有频率的绝对值。从同组的三个试件所得到的阻尼比的绝对值可以看出所得到的阻尼比的一致性还是比较好的，这证明所编织的预制件以及最终制作的试件的均匀性比较好。表3—2表面编织角相同的试件的阻尼比1．41．21。0琴、、jo奁o·8圜0．6O．435404550556065纤维体积含量／％(a)自由端长度25529 万方数据天津工业大学硕士学位论文35404550556065纤维体积含量／％(b)自由端长度24535404550556065纤维体积含量／％(c)自由端长度235图3．4阻尼比随纤维体积含量变化曲线图图3．4是相同表面编织角(A2)、不同纤维体积含量的三维四向编织复合材料T型梁阻尼比的对比。图a、b、c分别是自由端长度为255、245、235的T208642O86421O0零立u哩区42O864210O0O零≥山哩盟 万方数据第三章三维四向编织复合材料T型梁实验模态分析结果rim(1一■)+≠·77，·■玑2———{}—一3-21-■+≠·■ 万方数据天津工业大学硕士学位论文1．00．90．80．70．60．50．41．11．00．90．80．70．60．50．40．335404550556065纤维体积含量／％(a)自由端长度25535404550556065纤维体积含量／％(b)自由端长度245 万方数据第三章三维四向编织复合材料T型梁实验模态分析结果1．0O．80．60．40．235404550556065纤维体积含量，％(c)自由端长度235图3．5相同表面编织角(A2)T型梁前两阶阻尼比归一化曲线图通过上述分析可知，三维四向编织复合材料T型梁的振动性能受到纤维体积含量的很大影响。纤维体积含量，对三维四向编织复合材料T型梁的性能设计方面起着重要的作用。由于随着纤维体积含量的增加，T型梁的固有频率增大，但与此同时它的阻尼比减小。它们之间相互联系制约的关系，就要求充分考虑各种因素，选择恰当的纤维体积含量，以设计良好的三维四向编织复合材料T型梁结构，最终使T型梁达到最佳综合振动性能，符合实际应用的要求。3．2．2不同纤维体积含量三维四向编织复合材料T型梁的抗冲击性三维四向编织结构复合材料T型梁的传递函数幅频图可通过力激励信号和加速度响应信号获得，图3．6为自由端长度为255mm的T型梁在相同表面编织角(A2)条件下，不同纤维体积含量材料传递函数幅值图。传递函数幅值图，可以帮助我们直观有效地判断材料振动性能的优劣。图中幅值曲线各个峰值所对应的横坐标即为T型梁的固有频率值，固有频率较高，在冲击脉冲载荷作用下具有较高的抵抗冲击能力，T型梁在实际使用中不易发生共振。幅值曲线的峰值越小，对应的频带越宽，T型梁的阻尼性能越好。阻尼比较大的T型梁在外载作用下，能量在传递过程中的耗散大，释放率相对减小，T型 万方数据天津工业大学硕士学位论文梁对冲击力的减幅作用较强，能够有效地降低冲击载荷下的变形程度，减震性能更优。图3．6表明，在相同冲击力作用下，随着纤维体积含量的增大，T型梁各阶峰值所对应的固有频率增大，各相邻峰值间频域间隔变大。同时，随着三维四向编织复合材料T型梁纤维体积含量的增加，传递函数幅值曲线的各阶峰值增大，且峰值对应的频带变窄。由瞬态载荷作用下的相同表面编织角的三维四向编织复合材料T型梁的传递函数幅值图可以看出，随着纤维体积含量的增加，材料的刚度特性及抗冲击能力增大。从图中可以看出，相同冲击载荷作用下，纤维体积含量较低的T型梁比纤维体积含量高的T型梁更易发生共振；纤维体积含量较高的T型梁对冲击的振荡响应程度比纤维体积含量低的T型梁更剧烈。即相同表面编织角条件下，纤维体积含量较高的T型梁抗冲击性能更好。另外，在图中随着纤维体积含量的增大，传递函数幅值曲线的各峰变得更尖锐，这就表明，纤维体积含量较高的T型梁的共振幅值较大，阻尼性能较差。因此在T型梁的设计过程中需充分考虑抗冲击性能和阻尼性能之间的相互关系，通过选择适当的纤维体积含量或通过改变表面编织角的大小来调节，以期获得最佳振动性能。560050404480蝠3920值33-602800224016801205T60——A2—V1～⋯A2—V2——A2_v3li’j!{；^mj／越／，足。乏《～＼陵#—z～、、～、m熊．0250500750110001250150017502．0002．2502．500频率／"HZ图3-6相同表面编织角(A2)三维四向编织复合材料T型梁传递函数幅值图3．2．3不同纤维体积含量三维四向编织复合材料T型梁的减震特性图3—7中a图是自由端长度为255的，表面编织角相同(A2)、纤维体积含量不同的，三维四向编织复合材料T型梁在激励脉冲载荷作用下的，加速度时域响 万方数据第三章三维四向编织复合材料T型梁实验模态分析结果应曲线。加速度时域响应曲线是非周期振荡曲线，在冲击力的作用下，它呈指数衰减，且不同纤维体积含量T型梁的响应曲线振荡程度也不相同。表面编织角相同，越小的纤维体积含量，那么加速度响应曲线的振荡程度越小，加速度响应曲线的幅值衰减速度越快。因此，三维四向编织结构复合材料T型梁的纤维体积含量越小，对冲击载荷的减幅作用越显著。——A2—VlA2—V2126如愿爱0．067g1"9力习速爱，’gA2一、，3l滚《l}k觚糍?漆越i!薹叁8．矗ii|ljlfrlrf．i黼{㈣羲孵lj鬈辫浮爨慧、季琴≈慧窀挚。、；‘≯汽％、≮胃》《{il——A2_vlA2—V2b譬忒3il}}。i‰№i，“⋯-l熏浦撇!㈣黼j蠢{≤漉^靛藉竣iK臻j．曩潜i}?l．16时阍’?S(b)图3—7相同表面编织角(A2)三维四向编织复合材料T型梁加速度衰减曲线图图3—7中的b图是图a加速度随时间衰减曲线的局部放大图，便于更好地分析气气蜘㈤ 万方数据天津工业大学硕士学位论文三维四向编织复合材料T型梁加速度响应的衰减情况。相同表面编织角条件下，纤维体积含量较小的三维四向编织复合材料T型梁加速度响应曲线衰减幅度大，衰减速度快、衰减趋势明显。由以上分析可知，纤维体积含量较小的三维四向编织结构复合材料T型梁，其减幅、吸震、耗能的性能好，即纤维体积含量较低时，T型梁制件的阻尼减震特性较优。3．3表面编织角对三维四向编织复合材料T型梁的振动性能的影响3．3．1不同表面编织角的三维四向编织复合材料T型梁的模态参数由此实验方案，对不同编织角的三维四向编织复合材料T型梁试件进行了振动测试(试验试件分组情况和细观结构参数值见附表3)，对比了不同表面编织角对三维四向编织复合材料T型梁振动性能的影响。所得实验数据进行模态参数识别，得到了不同细观结构参数的三维四向编织复合材料T型梁的前两阶固有频率和阻尼比。3．3．1．1．表面编织角对三维四向编织复合材料T型梁固有频率的影响表3．3是相同纤维体积含量、不同表面编织角的三维四向编织复合材料T型梁试件的前两阶固有频率的平均值和变异系数。表中分别列出了自由端长度为255、245、235的T型梁的3个相同参数试件的固有频率平均值及其变异系数。由表3．3可以看出固有频率的变异系数值最大不超过6％，所以同组的三个试件所得到的固有频率值的一致性比较好，这证明所编织的预制件以及最终制作的试件的均匀性比较好。表3—3纤维体积含量相同的试件的固有频率值 万方数据第三章三维四向编织复合材料T型梁实验模态分析结果N工、、斛爨忙围N工、、斟骚捉画表面编织角／。(a)自由端长度255表面编织角／。(b)自由端长度245N工、、斟爨杯回N工’、锵爨忙囤 万方数据天津工业大学硕士学位论文N工、、斟爨忙囤表面编织角／。NSIS、、斟爨忙国(c)自由端长度235图3-8不同表面编织角T型梁固有频率的对比如图3．8所示，表面编织角对三维四向编织复合材料T型梁的第一阶以及第二阶固有频率影响显著。图a、b、C分别是自由端长度为255、245、235的T型梁在相同纤维体积含量(V2)下，其第一阶和第二阶固有频率随表面编织角变化的规律。根据曲线可知，相同纤维体积含量条件下，曲线的变化规律基本一致，即三维四向编织复合材料T型梁的第一阶和第二阶固有频率都随着表面编织角的增加而降低。根据公式(3．1)可知当梁的外部尺寸相同时，梁的一阶振动固有频率正比于梁的比模量的平方根，编织角大的T型梁的模量比编织角小的T型梁的模量低，因此，编织角大的T型梁的一阶振动固有频率比编织角小的T型梁的一阶振动固有频率要小。从以上的分析可以看出，表面编织角是三维四向编织复合材料T型梁固有频率的重要影响因素，固有频率作为T型梁振动性能的主要参数指标，合理的选择表面编织角对提高三维四向编织复合材料T型梁的振动性能有着十分重要的意义。在材料设计时，为了获得较高三维四向编织复合材料T型梁的固有频率，应尽可能的减小表面编织角值。相同纤维体积含量情况下，把三维四向编织复合材料T型梁的前两阶固有频率随表面编织角的变化数据进行与上述相同的最大值归一化处理。得到前两阶固 万方数据第三章三维四向编织复合材料T型梁实验模态分析结果有频率变化率与表面编织角的关系曲线图，使曲线变化率更为明显。1．051．000．950．900．850．800．750_700．650．601．051．000．950．900．850．800．750．700．650．60202224262830323436表面编织角／。(a)自由端长度255202224262830323436表面编织角／。(b)自由端长度245 万方数据天津工业大学硕士学位论文1．051．000．950．900．850．800．750．700．650．60202224262830323436表面编织角／。(c)自由端长度235图3-9相同纤维体积含量(V2)T型梁前两阶固有频率归一化曲线图图3-9中a、b、c分别为经过数据归一化处理得到的，自由端长度为255、245、235的相同纤维体积含量(V2)三维四向编织复合材料T型梁前两阶固有频率随表面编织角变化的曲线图。对比图中前两阶固有频率归一化曲线增幅变化关系可知，对于三维四向编织复合材料T型梁来说，纤维体积含量为V2的情况下，随表面编织角的增加，三维四向编织复合材料T型梁的前两阶固有频率均增大，但曲线增幅的规律不明显。3．3．1．2．表面编织角对三维四向编织复合材料T型梁阻尼比的影响表3—4是相同纤维体积含量、不同表面编织角的三维四向编织复合材料T型梁试件的前两阶阻尼比的平均值和变异系数。表中分别列出了自由端长度为255、245、235的T型梁的3个相同参数试件的阻尼比平均值及其变异系数。由表3—4可以看出阻尼比的变异系数值最大不超过34％，这比固有频率的变异系数值要大，其原因在于阻尼比的绝对值远远小于固有频率的绝对值。从同组的三个试件所得到的阻尼比的绝对值可以看出所得到的阻尼比的一致性还是比较好的，同组的三个试件所得到的阻尼比值的一致性比较好，这证明所编织的预制件以及最终制作的试件的均匀性比较好。 万方数据第三章三维四向编织复合材料T型梁实验模态分析结果如图3．10所示，表面编织角对三维四向编织复合材料T型梁的前两阶阻尼比影响显著。图a、b、c分别代表自由端长度为255、245、235的T型梁在相同纤维体积含量(V2)下，其第一阶和第二阶阻尼比随表面编织角变化的规律。表3-4纤维体积含量相同的试件的阻尼比0．4O．2202224262830323436表面编织角，。(a)自由端长度25564208610零≥山哩盟 万方数据天津工业大学硕士学位论文1．61．41．2零1．0’、jj菡0．8-‘、Ⅱd匠0．60．40．2202224262830323436表面编织角／。(b)自由端长度245202224262830323436表面编织角／。(c)自由端长度235图3—10不同表面编织角T型梁阻尼比的对比由图可知，在相同纤维体积含量条件下，曲线的变化规律基本一致，即三维四向编织复合材料T型梁的第一阶和第二阶阻尼比都随着表面编织角的增加而6420864210零≥“哩区 万方数据第三章三维四向编织复合材料T型梁实验模态分析结果增大。这说明纤维体积含量不变的情况下，随着表面编织角的增加，编织复合材料T型梁的阻尼比值明显增大。这主要是由于当编织角变大时，T型梁振动能向热能转换的途径发生了改变，内耗是一种原因；此外，对复合材料T型梁的振动能量耗散起着较大作用的，还有诸如复合材料T型梁的粘弹性行为、树脂与纤维之间界面的改变、复合材料T型梁的不均匀性引起的应力改变、出现的损伤和微缺陷等。而且有文献也表明，编织角增大，材料的微裂纹、孔隙等缺陷也会变多，不仅大量纤维束会产生弯曲，而且与编织角较小的材料相比，编织角大的材料其纤维与基体之间的界面粘结较为弱化；另外，材料的蠕变效应也会随着编织角的增大而变得更加明显。以上这些都将造成编织角大的材料的振动能量更加容易耗散，所以，编织角大的T型梁比编织角小的T型梁的振动衰减性能优异。从图中还可以看出相同表面编织角的T型梁第二阶阻尼比都比其第一阶阻尼比低，这可能是由于在梁在二阶振动时，接近梁的中心存在很大的振动幅值。由以上分析可知，表面编织角是影响三维四向编织复合材料T型梁阻尼比的重要因素，阻尼比作为衡量T型梁振动性能的主要参数指标，选择适当的表面编织角对提高三维四向编织复合材料T型梁的振动性能有着十分重要的意义。在T型梁设计时，为了提高三维四向编织复合材料T型梁的阻尼比，应尽可能选择较大的表面编织角值。1．11．O0．90．80．70．60．50．4O．30．2202224262830323436表面编织角／。(a)自由端长度25543 万方数据天津工业大学硕士学位论文1．11．00．9O．8O．70．60．50．40．30．21．11．00．90．80．70．60．50．40．30．2202224262830323436表面编织角／。(b)自由端长度245202224262830323436表面编织角／o(C)自由端长度235图3—11相同纤维体积含量(V2)T型梁前两阶阻尼比归一化曲线图 万方数据第三章三维四向编织复合材料T型梁实验模态分析结果相同纤维体积含量情况下，把三维四向编织复合材料T型梁的前两阶阻尼比随表面编织角的变化数据进行与上述相同的最大值归一化处理。得到前两阶阻尼比变化率与表面编织角之间的关系曲线图。图3．11中a、b、C分别为经过数据最大值归一化处理获得的，自由端长度为255、245、235的相同纤维体积含量(V2)三维四向编织复合材料T型梁前两阶阻尼比随表面编织角变化的曲线图。对比图中前两阶阻尼比归一化曲线增幅变化关系可知，相同纤维体积含量情况下，三维四向编织复合材料T型梁的前两阶阻尼比随表面编织角的增加而增大，呈明显正比关系，但曲线增幅的规律不明显。由以上分析可知，三维四向编织复合材料T型梁的表面编织角对振动性能的影响明显。作为固有频率和阻尼比的重要影响因素，结构参数表面编织角对三维四向复合材料T型梁的性能至关重要。由于随着表面编织角的增大，固有频率减小，而同时阻尼比增大。因此，在三维四向编织复合材料T型梁的结构设计过程中应充分考虑各种因素，选择适当的表面编织角参数值，获得最佳振动性能的复合材料T型梁。3．3．2不同表面编织角三维四向编织复合材料T型梁的抗冲击性图3．12为相同纤维体积含量(V2)条件下，不同表面编织角的自由端长度为255mm的三维四向编织复合材料T型梁的传递函数幅值图。图3．12表明，在相同冲击力作用下，随着表面编织角的增大，各阶峰值所对应的固有频率减小，各相邻峰值间频域间隔变小。同时，随着三维四向编织复合材料T型梁表面编织角的增大，传递函数幅值曲线的各阶峰值减小，并且峰值对应的频带变窄。相同纤维体积含量的三维四向编织结构复合材料T型梁的传递函数幅值图3．12表明了，瞬态载荷作用下，T型梁的刚度特性以及抗冲击能力均随着表面编织角的增大而减小。经分析表明，冲击载荷作用下，表面编织角较大的三维四向编织复合材料T型梁比表面编织角小的T型梁更易发生共振；表面编织角较小的三维四向编织复合材料T型梁对冲击的振荡响应程度比表面编织角大的T型梁更剧烈。因此，相同纤维体积含量条件下，表面编织角较小的三维四向编织结构复合材料T型梁的抗冲击性能更好。在图中还显示了，随着表面编织角的减小，传递函数幅值曲线的各峰变得更加尖锐，这表明，三维四向编织复合材料T型梁的表面编织角越小，它的共振幅值越大，阻尼性能越差，在T型梁制件的设计过程中要充分考虑其抗冲击性能和阻尼性能之间的相互关系，以便获得最佳的振动性能。 万方数据天津工业大学硕士学位论文480043203840幅3360擅2880240019201440960480000——A1—V2——A2—V2⋯⋯⋯⋯⋯一A3—V2i{E，l／＼／．，／÷弘∑边。?∥’“、一频率?疆Z图3．12相同纤维体积含量(V2)三维四向编织复合材料T型梁传递函数幅值图3．3．3不同表面编织角三维四向编织复合材料T型梁的减振特性给不同表面编织角相同纤维体积含量(V2)的三维四向编织复合材料T型梁一个较小的瞬态激励让其自由振动，记录三维四向编织复合材料根部的振动情况，由于结构阻尼的作用，振动逐渐衰减。图3．13中a图为纤维体积含量相同(V2)，不同表面编织角的自由端长度为255mm的三维四向编织复合材料T型梁在激励脉冲载荷作用下的加速度时域响应曲线。从图中可以看出，不同表面编织角的T型梁的响应曲线振荡程度不同。纤维体积含量相同，越大的表面编织角，加速度响应曲线振荡激烈程度越差，幅值衰减速度越快。因此，三维四向编织结构复合材料T型梁的表面编织角越大，对冲击载荷的减幅作用越显著。为了更清楚的分析三维四向编织复合材料T型梁加速度响应的衰减的情况，图3．13中b图给出了加速度随时间衰减曲线(a图)的局部放大图。相同纤维体积含量下，表面编织角较大的三维四向编织结构复合材料T型梁加速度响应曲线衰减幅度大，衰减速度快、衰减趋势更加明显，即，编织角大的T型梁比编织角小的T型梁的振动衰减性能优异。这是因为，纤维增强树脂基复合材料T型梁的阻尼性能主要是由聚合物基体的粘弹性、增强材料与基体间的相互作用贡献的。由上述分析可知，表面编织角较大的三维四向编织结构复合材料T型梁，其减幅、吸振、耗能的性能好，即表面编织角较大时，T型梁的阻尼减振特性较优。 万方数据第三章三维四向编织复合材料T型梁实验模态分析结果麴速璧，g69A1—V2A2—V2A3—V2‰。删觚舭㈧麓。^，饥烈负“剥朔纠F州V。鞍7姒，Ⅷ’V甜p∞’、7”}1‘。扩027029O31O32034036O38时闻,／s026O(a)——A1叫2——A2—V2点罗一}?l泓。心慧蔓Il重㈣li哥酬斗f‘l凇jA㈧幺啦瓜，黜埔瓜佘j心A；A?爨露篱s(b)图3-13相同纤维体积含量(V2)三维四向编织复合材料T型梁加速度衰减曲线3．4自由端长度对三维四向编织复合材料T型梁的振动性能的影响由此实验方案，对不同自由端长度的三维四向编织复合材料T型梁试件进行了振动测试(试验试件的自由端长度见附表4．8)，对比了不同自由端长度的三维∞”0O加速度绝． 万方数据天津工业大学硕士学位论文四向编织复合材料T型梁振动性能的固有频率和阻尼比。对所得实验数据进行模态参数识别，得到了不同自由端长度的三维四向编织复合材料T型梁的前两阶固有频率和阻尼比。3．4．1自由端长度对三维四向编织复合材料T型梁固有频率的影响表3．5是不同自由端长度的三维四向编织复合材料T型梁试件的前两阶固有频率的平均值和变异系数。表中分别列出了自由端长度为255、245、235、225、215的T型梁的3个相同参数试件的固有频率平均值及其变异系数。由表3．5可以看出固有频率的变异系数值最大不超过6％，所以同组的三个试件所得到的固有频率值的一致性比较好，这证明所编织的预制件以及最终制作的试件的均匀性比较好。表3．5中没有显示215长的二阶固有频率是由于测量设备的限制，附表中的A1．V2组中没有写出的二阶模态参数也是因为同样的原因。由图3．14可以看出，自由端长度对三维四向编织复合材料T型梁的第一阶以及第二阶固有频率影响显著。图中a、b、C图分别为A2．V1、A2．V2、A2．V3这三组试件的平均前两阶固有频率，从图中可以看出前两阶固有频率都随着自由端长度的增加而减小。根据曲线可知，相同编织角及相同纤维体积含量条件下，曲线的变化规律基本一致，即三维四向编织复合材料T型梁的第一阶和第二阶固有频率都随着T型悬臂梁自由端长度的增加而降低。当然剩余的两组由附表4．8中的数据也可以看出，它们的固有频率也都随着T型悬臂梁自由端长度的增加而降低，这里就不一一列出。表3．5自由端长度不同试件的固有频率值自由端长度试件编号固有频率A2-V1A2-V2A2-V3一阶二阶一阶二阶一阶二阶255平均值213·871408·28261·281616·06290·151773·00变异系数(％)2．171．694．095．481．082．09245平均值234．111487-25283．751751·45319·971980·73变异系数(％)1．182．852．451．421．212．33，、．，平均值258．351601．73306．701829．74342．452067．30⋯变异系数(％)3．533．362．321．510．742．34平均值282．081786．10352．182014．01385．812399．39⋯变异系数(％)0．501．211．460．501．431．09 万方数据第三章三维四向编织复合材料T型梁实验模态分析结果梁的自由端长度／mm(a)A2．V1梁的自由端长度／mm(b)A2．V2NH／解爨忙固NH／料爨忙国NH／斛爨忙圄NH，料爨忙圄 万方数据天津工业大学硕士学位论文N"1-、、斛爨忙回黛馥O鞭漪渤3鳓k渤i睡糖蛰l器瀚游梁的自由端长度／mm(C)A2．V3图3-14不同自由端长度的T型梁的固有频率N"1--、斛聪忙囤0．穆霸}目鼯"器臻．彝《黼嘻霉蠹。蓥a《目婚壤≯0．§《确漆孽霉0．0000t9霸．O臻国囊；臻0,00002t0．000022lil2图3—15T型梁的一阶固有频率和1／，2的关系 万方数据第三章三维四向编织复合材料T型梁实验模态分析结果根据公式(3．1)可知当梁的其它参数相同时，梁的一阶振动固有频率反比于梁自由端长度的平方。图3．15是A2．V2的平均一阶固有频率厂和l刀2之间的关系图，并在图中做了拟合直线。当拟合优度R2的值越接近于1时，说明直线的拟合程度越好，图3．15中直线的拟合优度R2为99．94％，说明该直线的拟合程度很好。因此可以看出本实验中三维四向编织复合材料T型梁的固有频率确实随着自由端长度的增大而减小，且与1／12呈线性关系，故实验结果是合理的。3．4．2长度与固有频率对三维四向编织复合材料T型梁阻尼的影响表3．6和3．7分别是编号为A2．V2的三维四向编织复合材料T型梁试件的第一阶和第二阶固有频率及阻尼比的平均值和变异系数。表中分别列出了自由端长度为255、245、235、225、215的T型梁的3个相同参数试件的固有频率及阻尼比平均值及其变异系数。由表3．6和表3．7可以看出固有频率的变异系数值最大不超过6％，阻尼比的变异系数值最大不超过25％，又因为阻尼比的绝对值比较小，所以同组的三个试件所得到的固有频率及阻尼比值的一致性都比较好，这证明所编织的预制件以及最终制作的试件的均匀性比较好。表3-6自由端长度不同试件的一阶固有频率和阻尼值图3·16中a图和b图分别展示了A2．V2的第一阶和第二阶的阻尼比与固有频率的关系，其中横坐标是固有频率，纵坐标是阻尼。从图中可以明显的看出，对于三维四向编织复合材料T型梁来说，它的固有频率和阻尼没有明显的相关关系，这个结论也和S蜥UllaJlKhantS：J彳导出的结论相类似。由于固有频率与自由端长度 万方数据天津工业大学硕士学位论文之间的关系是单调的，所以长度和阻尼也没有明显的相关关系。对于其余的四组三维四向编织复合材料T型梁试件也有与A2．V2相同的规律，在此就不一一列出。0．600．55零妥0．50噢删匠0．450．40260280300320340360380400固有频率／HZ(a)一阶16001700180019002000210022002300固有频率／HZ(b)二阶图3一16T型梁阻尼比与其固有频率的关系42O86421O0O1零§=1哩盟 万方数据第三章三维四向编织复合材料T型梁实验模态分析结果3．5三维四向编织复合材料T型梁的阵型振型是结构所固有的属性，它不取决于作用在结构上的力或者载荷。如果结构的材料属性(质量、刚度、阻尼)或者边界条件发生变化，阵型就会改变。阵型是指在共振时一个点相对于另一个点的运动情况，它是独一无二的。对应于频率而言，一个固有频率对应于一个振型。按照频率从低到高的排列，来说一阶振型，二阶振型等等。实际结构的振动形态并不是一个规则的形状，而是各阶振型相叠加的结果，然而在共振频率或者共振频率附近的振动形态是以一个单一的阵型为主的。在实际应用中，可以用阵型来断定损伤的位置。本实验采用单点激励多点响应的方法研究了三维四向编织复合材料T型梁的阵型，激振点有一个(B点)，响应点有5个，它们将T型梁的有效长度沿着Z轴的方向平均分成5份，如图3—17所示。图3．18中的a、b图分别是A2．V3．1这个T型梁试件的第一、二阶弯曲阵型图。通过测量三维四向编织复合材料T型梁的阵型，可以看出它的振动形态，也可以更加准确的断定其固有频率的阶数。由T型梁的阵型图可以断定前面频响图中的第一个峰值和第二个峰值确实对应着第一阶和第二阶固有频率。图3．17T型梁上的激振点和5个测量点静态结构3．6小结图3—18实验得到的弯曲阵型 万方数据天津工业大学硕士学位论文本章采用Vib’SYS振动信号采集、处理和分析程序对不同编织结构参数的三维四向编织复合材料T型梁进行了振动实验模态分析，得到了各试件的固有频率和阻尼比，并通过对得到的传递函数幅频图和加速度衰减曲线分析，得到了细观结构以及自由端长度对三维四向编织复合材料T型梁的抵抗激振力和减振能力方面的影响。在实验中还通过单点激励多点相应的方法研究了T型梁的阵型。通过对以上参数进行分析，从测试中主要得到以下结论：(1)激振点位置的选择对三维四向编织复合材料T型梁模态实验的结果几乎没有影响。(2)表面编织角不变时，随着纤维体积含量的增加，三维四向编织结构的碳纤维／J$氧树脂复合材料T型梁的固有频率值显著增大，阻尼比减小。(3)表面编织角相同时，随着纤维体积含量的增加，三维四向编织结构的碳纤维／环氧树脂复合材料T型梁的抗冲击性能增强，减振性能变差。(4)当纤维体积含量相同时，随着表面编织角的增大，三维四向编织结构的碳纤维／环氧树脂复合材料T型梁的固有频率减小，阻尼比增大。(5)当纤维体积含量相同时，随着表面编织角的增大，三维四向编织结构的碳纤维／环氧树脂复合材料T型梁的抗冲击性能变差，减振性能增强。(6)当除自由端长度以外的其它参数相同时，三维四向编织结构的碳纤维／环氧树脂复合材料T型梁的固有频率随着其自由端长度的增加而减小。(7)三维四向编织结构的碳纤维／环氧树脂复合材料T型梁的固有频率和其阻尼性能没有明显的相关关系。(8)通过观察三维四向编织结构的碳纤维／环氧树脂复合材料T型梁的阵型可以准确的判断其固有频率的阶数。 万方数据第四章T型梁的有限元计算与模拟4．1对同一参数T型梁模态的模拟运用ANSYSl4．0软件建立了T型梁的实体有限元模型，计算与模拟了T型梁的固有频率和阵型。按照复合材料的理论，三维四向编织复合材料是横观各向同性的，所以在模拟中选取的材料属性为orthotropic。采用六面体划分网格，共划分了52480个单元，129283个节点。对T型梁的端部固定约束，然后计算。计算中采用的弹性性能数据来自于李典森等【83】的有限元计算，并与实验测得的A2．V3这组T型梁试件进行对比，三维四向编织复合材料的弹性性能见表4—1。T型梁的前两阶弯曲阵型位移云图如图4．1所示，计算的频率结果与实验的频率结果对比如表4．1所示。表4—1三维四向编织复合材料的弹性性能博刘图4-1阵型位移云图表4-2固有频率对比在有限元计算时不仅可以得到弯曲阵型，还可以得到扭转阵型。但因本文只 万方数据天津工业大学硕士学位论文研究弯曲振动，所以只选取了有限元计算中弯曲振动的结果来研究。由于理论计算中采用的T型梁细观结构参数与试验中的并不相同，不过表面编织角大致一致，所以在计算中选取了两种纤维体积含量，以更准确的估计实际中T型梁的固有频率。图4．1为有限元模态计算得到的T型梁的第一阶和第二阶弯曲阵型。与实验模态分析得到的第一阶和第二阶阵型相比，有限元模拟得到的弯曲阵型更加的生动形象、直观，并可以观察到T型梁上任意点的位移的变化。但实验得到的弯曲阵型和有限元计算得到的弯曲阵型的振动方式是一致的。此外，与阵型对应的实验得到的和有限元计算的固有频率也有较好的一致性。表4．2中A2．V3是实验得到的固有频率，A2’．V3．、A2"-V3+是采用文献瞵纠的数据计算的结果，其纤维体积含量的关系是V3．