复合材料结构随机振动的虚拟激励法及在航空航天领域的应用_图文

1、大连理工大学博士学位论文复合材料结构随机振动的虚拟激励法及在航空航天领域的应用姓名:戴新进申请学位级别:博士专业:工程力学指导教师:林家浩;陈浩然20070601 大连理工大学博士学位论文1绪论先迸的复合材料和结构的基础及其应用领域的研究是当今材料学界、力学界和工程界研究的热点,也是高新技术研究领域的重要分支。纤维增强树脂基复合材料层合结构具有比强度高、比刚度大、阻尼特性好、疲劳寿命长、结构可设计性等优点,目前,在航空、航天及运载工具上的工程结构中被广泛使用“卅。然而,复合材料的各向异性,非均匀性等特点给复合材料结构的力学分析带来了一系列的挑战。尤其在航空航天领域,飞行器在运行过程中所处的环境

2、菲常复杂(如;温度、气候、飞行高度、鲍面环境等,所受到的载荷也非常复杂(如:气动力、发动机推力、控制力、干扰力等,除了考虑飞行器在这些复杂环境下的自振特性、确定性动力响应外,考虑载荷的随机性也是一个不容忽视的重要方面。因此,研究复合材料结构在复杂随机环境下的动力响应问题对于结构设计、优化和使用的安全性都具有重要的意义。1”。1.1研究背景及意义航空航天的结构体常常把轻量化放在第一位,特别是从20世纪60年代后期开始开发了碳纤维复合材料后,其优异的比强度、比刚度对飞行器的设计和应用带来了革命性的变化,被广泛应用于军事及民用工业的各个领域,在航空航天领域的光辉业绩,尤为世人瞩目. 图1.1美国F一

3、22军用飞机Fig.1.1F-22Military Aireraft of U.S.图1.2美国B一2隐身轰炸机Fig.1.2B-2Stealth Bomber of U.S.复合材料结构随机振动的虚拟激励法及在航空航天领域的应用美国在歼击机和战斗机上大量使用复合材料,F一22(图1.1的结构重量系数为27.8%,先进复合材料的用量已经达到25%以上,军用直升机用量达到50%以上。由于碳纤维增强复合材料不但是轻质高强度的结构材料,还具有隐身的重要功能,美国已经用来制造最新型的隐形轰炸机,如B一2隐形轰炸机(图1.2的机身基材采用了碳纤维改进的高分子吸波材料。我国大量采用碳纤维复合材料为部件的新

4、型号的军机“飞豹”飞机总长约22.3米,翼展约12.7米,最大起飞重量28.4吨,最大外挂重量约6.5吨,最大马赫数I.70,转场航程约3600公里。该机的攻击威力己超过。美洲虎”、“旋风”、苏-24等飞机,具备了第三代战斗机的特点。碳纤维复合材料的发展也推动了航天整体技术的发展,先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化构件材料,在导弹、运载火箭和卫星飞行器上发挥着不可替代的作用,其应用水平和规模已关系到武器装备的跨越式提升和型号研制的成败。从1996年11月20日的“神州一号”升空开始到“神州六号”(图1.3上天,中国在八年多的时间里六次飞天。在飞船、卫星、返回舱中大量使用了碳纤维复合材

5、料,为这一举世瞩目的成就立下了汗马功劳。随着科学技术的进步,各种复合材料的产量不断增大,质量逐渐提高,而生产成本稳步下降,各种性能优异的复合材料将会越来越多的出现在航空航天领域,为世界航空航天技术的发展作出更大的贡献。 图1.3神州六号飞船Fig.1.3Shenzhou-6Manned Spaceship然而,一架飞行器从起飞、爬升、巡行直至着陆,无时无刻不在承受着各种载荷,决定这些载荷大小及分布的主要因素分为两个方面:一为大气环境,二为飞行器自身的特性。大气环境系指空气的温度、密度、压力、离散突风或连续湍流(晴空湍流或风暴 上面的算例可以看出本文采用的单元与各种高精度元计算自由振动频率的误差

6、都很小,从而验证了程序的可靠性。2.7自由振动模态1.单边固支的炭纤维/树脂复合材料板巨=138GPo,易=8.96GPo,G12=7.1GPo,嵋:=0.30,铺设层数为3层,铺设角度为零度,从图2.3的10阶的模态图可以看出,由于在垂直纤维铺设方向上的抗弯刚度要显著小于纤维铺设方向的抗弯刚度,因此高阶模态在垂直纤维方向的波数要更多。 图2.3单边固支层合板前lO阶模态图Fig.2.3The ten mode shapes for CFFF laminated plate一28大连理工大学博士学位论文2.四边简支层合板的10阶模态图如下图2.4。由于垂直于纤维方向抗弯刚度较小,所以第二和第三阶模态都表现在垂直纤维的方向。 复合材料结构随机振动的虚拟激励法及在航空航天领域的应用 图2.4四边简支层合板前10阶模态图Fig.2.4The tell mode shapes for SSSS laminated plate2.8小结本章建立了基于Mindlin一阶剪切变形板理论的复合材料层合板有限元分析模型,推导了位移和转角各自独立插值的八节点等参元的刚度距阵,计算了一端固支的复合材料层合板在静力载荷下的位移和应力,并与商业软件Ansys计算的结果进行比较分析,可以看出本章采用的方法是正确和可靠的。采用有限元法建立了自