1、大連理工大學博士學位論文復(fù)合材料結(jié)構(gòu)隨機振動的虛擬激勵法及在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用姓名:戴新進申請學位級別:博士專業(yè):工程力學指導(dǎo)教師:林家浩;陳浩然20070601 大連理工大學博士學位論文1緒論先迸的復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)及其應(yīng)用領(lǐng)域的研究是當今材料學界、力學界和工程界研究的熱點,也是高新技術(shù)研究領(lǐng)域的重要分支。纖維增強樹脂基復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)具有比強度高、比剛度大、阻尼特性好、疲勞壽命長、結(jié)構(gòu)可設(shè)計性等優(yōu)點,目前,在航空、航天及運載工具上的工程結(jié)構(gòu)中被廣泛使用“卅。然而,復(fù)合材料的各向異性,非均勻性等特點給復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的力學分析帶來了一系列的挑戰(zhàn)。尤其在航空航天領(lǐng)域,飛行器在運行過程中所處的環(huán)境

2、菲常復(fù)雜(如;溫度、氣候、飛行高度、鮑面環(huán)境等,所受到的載荷也非常復(fù)雜(如:氣動力、發(fā)動機推力、控制力、干擾力等,除了考慮飛行器在這些復(fù)雜環(huán)境下的自振特性、確定性動力響應(yīng)外,考慮載荷的隨機性也是一個不容忽視的重要方面。因此,研究復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在復(fù)雜隨機環(huán)境下的動力響應(yīng)問題對于結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化和使用的安全性都具有重要的意義。1”。1.1研究背景及意義航空航天的結(jié)構(gòu)體常常把輕量化放在第一位,特別是從20世紀60年代后期開始開發(fā)了碳纖維復(fù)合材料后,其優(yōu)異的比強度、比剛度對飛行器的設(shè)計和應(yīng)用帶來了革命性的變化,被廣泛應(yīng)用于軍事及民用工業(yè)的各個領(lǐng)域,在航空航天領(lǐng)域的光輝業(yè)績,尤為世人矚目. 圖1.1美國F一

3、22軍用飛機Fig.1.1F-22Military Aireraft of U.S.圖1.2美國B一2隱身轟炸機Fig.1.2B-2Stealth Bomber of U.S.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)隨機振動的虛擬激勵法及在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用美國在殲擊機和戰(zhàn)斗機上大量使用復(fù)合材料,F一22(圖1.1的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)為27.8%,先進復(fù)合材料的用量已經(jīng)達到25%以上,軍用直升機用量達到50%以上。由于碳纖維增強復(fù)合材料不但是輕質(zhì)高強度的結(jié)構(gòu)材料,還具有隱身的重要功能,美國已經(jīng)用來制造最新型的隱形轟炸機,如B一2隱形轟炸機(圖1.2的機身基材采用了碳纖維改進的高分子吸波材料。我國大量采用碳纖維復(fù)合材料為部件的新

4、型號的軍機“飛豹”飛機總長約22.3米,翼展約12.7米,最大起飛重量28.4噸,最大外掛重量約6.5噸,最大馬赫數(shù)I.70,轉(zhuǎn)場航程約3600公里。該機的攻擊威力己超過。美洲虎”、“旋風”、蘇-24等飛機,具備了第三代戰(zhàn)斗機的特點。碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展也推動了航天整體技術(shù)的發(fā)展,先進復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)、功能或結(jié)構(gòu)/功能一體化構(gòu)件材料,在導(dǎo)彈、運載火箭和衛(wèi)星飛行器上發(fā)揮著不可替代的作用,其應(yīng)用水平和規(guī)模已關(guān)系到武器裝備的跨越式提升和型號研制的成敗。從1996年11月20日的“神州一號”升空開始到“神州六號”(圖1.3上天,中國在八年多的時間里六次飛天。在飛船、衛(wèi)星、返回艙中大量使用了碳纖維復(fù)合材

5、料,為這一舉世矚目的成就立下了汗馬功勞。隨著科學技術(shù)的進步,各種復(fù)合材料的產(chǎn)量不斷增大,質(zhì)量逐漸提高,而生產(chǎn)成本穩(wěn)步下降,各種性能優(yōu)異的復(fù)合材料將會越來越多的出現(xiàn)在航空航天領(lǐng)域,為世界航空航天技術(shù)的發(fā)展作出更大的貢獻。 圖1.3神州六號飛船F(xiàn)ig.1.3Shenzhou-6Manned Spaceship然而,一架飛行器從起飛、爬升、巡行直至著陸,無時無刻不在承受著各種載荷,決定這些載荷大小及分布的主要因素分為兩個方面:一為大氣環(huán)境,二為飛行器自身的特性。大氣環(huán)境系指空氣的溫度、密度、壓力、離散突風或連續(xù)湍流(晴空湍流或風暴 上面的算例可以看出本文采用的單元與各種高精度元計算自由振動頻率的誤差

6、都很小,從而驗證了程序的可靠性。2.7自由振動模態(tài)1.單邊固支的炭纖維/樹脂復(fù)合材料板巨=138GPo,易=8.96GPo,G12=7.1GPo,嵋:=0.30,鋪設(shè)層數(shù)為3層,鋪設(shè)角度為零度,從圖2.3的10階的模態(tài)圖可以看出,由于在垂直纖維鋪設(shè)方向上的抗彎剛度要顯著小于纖維鋪設(shè)方向的抗彎剛度,因此高階模態(tài)在垂直纖維方向的波數(shù)要更多。 圖2.3單邊固支層合板前l(fā)O階模態(tài)圖Fig.2.3The ten mode shapes for CFFF laminated plate一28大連理工大學博士學位論文2.四邊簡支層合板的10階模態(tài)圖如下圖2.4。由于垂直于纖維方向抗彎剛度較小,所以第二和第三階模態(tài)都表現(xiàn)在垂直纖維的方向。 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)隨機振動的虛擬激勵法及在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用 圖2.4四邊簡支層合板前10階模態(tài)圖Fig.2.4The tell mode shapes for SSSS laminated plate2.8小結(jié)本章建立了基于Mindlin一階剪切變形板理論的復(fù)合材料層合板有限元分析模型,推導(dǎo)了位移和轉(zhuǎn)角各自獨立插值的八節(jié)點等參元的剛度距陣,計算了一端固支的復(fù)合材料層合板在靜力載荷下的位移和應(yīng)力,并與商業(yè)軟件Ansys計算的結(jié)果進行比較分析,可以看出本章采用的方法是正確和可靠的。采用有限元法建立了自