濕熱膨脹碩士論文答辯ppt

1、纖維復(fù)合材料濕熱脹縮細(xì)觀力學(xué)模型指導(dǎo)老師答辯者答辯提綱3.復(fù)合材料動(dòng)態(tài)性能的細(xì)觀理論分析 2.復(fù)合材料粘彈性試驗(yàn)研究 1. 緒論4.復(fù)合材料粘彈性動(dòng)態(tài)性能的有限元模擬 5. 總結(jié)與展望一 緒論近半個(gè)世紀(jì)以來，樹脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為新材料領(lǐng)域中的后起之秀得到了長足的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)、化工、紡織、機(jī)械制造、醫(yī)學(xué)、體育運(yùn)動(dòng)器件和建筑材料等領(lǐng)域。樹脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有很高的增強(qiáng)效率，是應(yīng)用領(lǐng)域最廣、用量最大的一類復(fù)合材料。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料取得了長足的發(fā)展，應(yīng)用很廣復(fù)合材料的粘彈性粘彈性靜態(tài)特性粘彈性動(dòng)態(tài)特性蠕變應(yīng)力松弛阻尼能量耗散材料和結(jié)構(gòu)的阻尼在結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析與振動(dòng)控制中起

2、著重要作用。衡量粘彈性阻尼性能的指標(biāo)通常，在振動(dòng)的環(huán)境下，彈性模量可以用復(fù)模量 來表征: 其中， 和 分別是儲(chǔ)能模量和耗散模量. 損耗因子 作為衡量阻尼性能的指標(biāo)： 是復(fù)模量虛部與實(shí)部的比值。 EEi EtanEEEE工程應(yīng)用中往往要求材料擁有較高的損耗因子來抑制振動(dòng)和噪聲，復(fù)合材料則有這種特性。tan三維紡織復(fù)合材料紡織復(fù)合材料的粘彈性動(dòng)特性還鮮有研究，如何建立紡織復(fù)合材料粘彈性靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性之間的聯(lián)系，預(yù)測有效阻尼性能，在振動(dòng)控制中有著重要的研究價(jià)值和實(shí)際意義。紡織復(fù)合材料的粘彈性動(dòng)態(tài)性能還鮮有研究二 實(shí)驗(yàn)研究 測出了幾種材料的靜態(tài)拉伸模量復(fù)合材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn) 由于材料本身質(zhì)量較輕，所以選

3、擇自由衰減法，對上述材料進(jìn)行了自由振動(dòng)試驗(yàn)，下圖為實(shí)驗(yàn)原理圖 力錘敲擊產(chǎn)生加速度信號響應(yīng) 由加速度傳感器將信號傳遞到分析儀中分析儀收集信號然后進(jìn)行分析復(fù)合材料梁的自由振動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置圖 力錘柔性懸掛試件動(dòng)態(tài)分析儀實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了幾種材料的前三階復(fù)頻率和阻尼比振動(dòng)衰減特性研究 本次實(shí)驗(yàn)不僅得到了復(fù)合材料干燥和吸濕后的振動(dòng)衰減特性，并且得到了復(fù)合材料完整時(shí)間歷程和較短時(shí)間歷程下的振動(dòng)衰減情況。在濾波振動(dòng)衰減實(shí)驗(yàn)中可以得到復(fù)合材料完整的時(shí)間歷程曲線，再取較短的時(shí)間歷程可以清楚的觀察復(fù)合材料的振動(dòng)衰減曲線。完整時(shí)間歷程較短時(shí)間歷程玻纖紡織復(fù)合材料的自由衰減曲線 針對本次復(fù)合材料的振動(dòng)衰減曲線，由實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)

4、據(jù)，用matlab繪制了玻纖紡織復(fù)合材料干燥和吸濕后的自由衰減曲線， 由以上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出復(fù)合材料的第一階自由振動(dòng)曲線呈現(xiàn)指數(shù)衰減的趨勢，吸濕后的復(fù)合材料的質(zhì)量增加，于是第一階振幅增大，相對于干燥的試件，復(fù)合材料的振動(dòng)衰減更快，意味著阻尼增大。三 復(fù)合材料動(dòng)態(tài)特性的理論分析 結(jié)構(gòu)在振動(dòng)過程中會(huì)有能量的耗散和損失，本文在頻域中用粘彈性來描述這種動(dòng)態(tài)能量損失。 用prony級數(shù)表示材料的松弛模量如下： 用三項(xiàng)簡化表示為: 12mm12( )ttEtEEeE e 為瞬態(tài)項(xiàng)，描述材料在較小時(shí)間尺度內(nèi)材料松弛模量的變化 為松弛項(xiàng)，可用來描述較長時(shí)間尺度內(nèi)材料松弛模量的變化 為完全松弛項(xiàng) mm1rkt

5、rrEtEE e 研究內(nèi)容及方法將時(shí)域中的松弛模量進(jìn)行拉普拉斯變換可以得到頻域中的松弛模量表達(dá)式： 1( )krrrE sEsE ssEs 儲(chǔ)存模量 損耗模量 損耗因子 阻尼比()/(ta)nnnnE sE s222tan22nnnnnnnn 221()krnnrrrnnEsE 22221( )()knnrnnrrrnnEsEE 儲(chǔ)存模量為頻域中松弛模量的實(shí)儲(chǔ)存模量為頻域中松弛模量的實(shí)部，損耗模量為虛部，而阻尼比部，損耗模量為虛部，而阻尼比是兩者的比值是兩者的比值阻尼比可通過實(shí)驗(yàn)得到，損耗因子阻尼比可通過實(shí)驗(yàn)得到，損耗因子可用理論計(jì)算得到，而可用理論計(jì)算得到，而 損耗因損耗因子是阻尼比的子是阻

6、尼比的2倍，這樣可以用實(shí)驗(yàn)倍，這樣可以用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證理論的正確性來驗(yàn)證理論的正確性松弛模量 研究中發(fā)現(xiàn)松弛模量不僅和較大時(shí)間尺度的松弛模量有關(guān)，還與較短時(shí)間尺度內(nèi)材料的松弛有關(guān)。也就是下式的最后兩項(xiàng)。材料的較大時(shí)間尺度內(nèi)的松弛模量可以由蠕變松弛實(shí)驗(yàn)得到，較小時(shí)間尺度內(nèi)的松弛模量可以由應(yīng)力波理論得到 12mm12( )ttEtEEeE e 下面介紹用應(yīng)力波理論推導(dǎo)瞬態(tài)松弛模量中的參數(shù)應(yīng)力波理論推導(dǎo)瞬態(tài)松弛模量 樹脂基體制成的桿件在沖量作用下，在一段很短的時(shí)間內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生一列向左傳播的拉伸波，波速為 1/20(0)/vE單軸粘彈性沖擊波的傳播速度是由單軸松弛函數(shù)的初值和密度來確定的，而波面行進(jìn)中的速度

7、和軸力的突變值都隨x的增大而衰減 確定瞬態(tài)參數(shù)11&E線性粘彈性材料中一維縱波傳播時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程及本構(gòu)關(guān)系分別為：2222,x tx txt( , )( , )Px tQx t最終可以得到瞬態(tài)項(xiàng)的參數(shù)2221122212fEf31222222022ffEEf通過傅里葉變換最終就可以推導(dǎo)出瞬態(tài)項(xiàng)參數(shù)樹脂的彈性波波速是2600m/s,且彈性波波速是經(jīng)過衰減的，所以初始速度應(yīng)該大于這個(gè)速度，這樣可以得到初始的彈性模量大于6.76Gpa。由本文模型計(jì)算可得E(0)=7.65Gpa，說明了樹脂材料的初始彈性模量是靜態(tài)彈性常數(shù)的兩倍還多。1/20(0)/vE單向、層合板、紡織復(fù)合材料松弛模量推導(dǎo) 利用材料應(yīng)

8、力應(yīng)變的變形協(xié)調(diào)可以分別推出不同材料的松弛模量，然后利用拉普拉斯變換就可以得到不同材料的阻尼比，動(dòng)態(tài)儲(chǔ)存模量和損耗模量。首先介紹單向復(fù)合材料單向復(fù)合材料的細(xì)觀模型單向復(fù)合材料松弛模量的推導(dǎo) 考慮各組分之間的變形協(xié)調(diào)，建立如圖所示的單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料松弛模量的細(xì)觀力學(xué)模型。在單向復(fù)合材料的細(xì)觀模型中將每一部分變形協(xié)調(diào)用應(yīng)力協(xié)調(diào)和應(yīng)變協(xié)調(diào)來表示，可得：單向復(fù)合材料松弛模量的推導(dǎo)應(yīng)力協(xié)調(diào)方程m1fm1 m1ffm2 m2m1fm2yyzzzxxxlllm1fm1m1m2m2m1m1ffm2m2ududm1m1ffm2m200zzzxyzxyxyzxyzxyzxyzyxzyxzyxzSSSSSSSS

9、S應(yīng)變協(xié)調(diào)方程單向復(fù)合材料松弛模量的推導(dǎo)udududxllE縱向松弛模量表達(dá)式：類似的可以推導(dǎo)出橫向松弛模量的表達(dá)式：m2udm1fm1m2m2ytyyEVV層合板松弛模量的推導(dǎo)可以將層合板分為兩個(gè)部分進(jìn)行分析，如圖所示：層合板細(xì)觀模型層合板松弛模量的推導(dǎo) 分割后層合板的細(xì)觀模型層合板松弛模量的推導(dǎo)應(yīng)力協(xié)調(diào)方程12121212120zzxxcryyyhhhh12121212yycrzzzxxhhcr1crylyE應(yīng)變協(xié)調(diào)方程層合板松弛模量的表達(dá)式紡織復(fù)合材料細(xì)觀模型 如圖所示為三維紡織復(fù)合材料的理論細(xì)觀模型。其中白色部分為緯紗，灰色部分為經(jīng)紗，填充部分為基體，取紅線部分所示的對稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

10、緯紗基體經(jīng)紗對稱結(jié)構(gòu)紡織復(fù)合材料細(xì)觀模型如圖所示為細(xì)觀對稱結(jié)構(gòu)各組分的應(yīng)力分布 。利用對稱結(jié)構(gòu)的細(xì)觀變形協(xié)調(diào)得到紡織復(fù)合材料的理論細(xì)觀模型塊1為經(jīng)紗和緯紗的組合塊2為基體和緯紗的組合塊3為斜經(jīng)紗和基體的組合紡織復(fù)合材料分析12113311223311223300zzzxyzxyxyzxyzxyzyxzyxzyxzSSSSSSSS121 12 23 3123yyzzzxxxlll3c12133ylyyEVV應(yīng)力平衡方程應(yīng)變平衡方程縱向松弛模量算例-單向帶和層合板動(dòng)模量從表中可以看出正交鋪層復(fù)合材料的靜態(tài)理論模量較試驗(yàn)動(dòng)態(tài)模量略高，這是由于正交鋪層復(fù)合材料中由于經(jīng)、緯向纖維之間的相互擠壓會(huì)有一定的

11、曲度波動(dòng)。算例-正交層合板的阻尼比從表中可以看出，正交鋪層復(fù)合材料的儲(chǔ)存模量與靜態(tài)理論模量接近，隨頻率階數(shù)的增高只略有增大，接近為常數(shù)，這與復(fù)合材料的動(dòng)模量不隨頻率的增加有明顯的變化的結(jié)論58吻合。損耗因子的理論值先增大后減小，變化幅度不大。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到的阻尼比與理論計(jì)算出的理論阻尼比相吻合 算例-兩種紡織復(fù)合材料的動(dòng)模量從表中可以看出兩種紡織復(fù)合材料的靜態(tài)理論模量較試驗(yàn)動(dòng)態(tài)模量基本吻合，驗(yàn)證了本文模型的合理性算例-兩種紡織復(fù)合材料的阻尼比玻璃纖維 石英纖維紡織復(fù)合材料的儲(chǔ)存模量隨頻率階數(shù)的增高只略有增大，接近為常數(shù)，這與復(fù)合材料的動(dòng)模量不隨頻率的增加有明顯的變化的結(jié)論吻合58。損耗因子的

12、理論值遞減，變化幅度不大。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到的阻尼比與理論計(jì)算出的理論阻尼比相吻合。四 復(fù)合材料粘彈性動(dòng)態(tài)性能的有限元模擬 因?yàn)閱蜗蚶w維復(fù)合材料中的纖維是隨機(jī)排列的，所以可以視為橫觀各項(xiàng)同性，在ABAQUS有限元軟件中建立了單向纖維復(fù)合材料的周期性模型，本文假設(shè)纖維在基體中呈正六邊形周期排列，如圖所示，選取框出的周期部分作為單向復(fù)合材料的細(xì)觀分析胞元，由于結(jié)構(gòu)的對稱性，所以可以取單胞的一半進(jìn)行分析，其中灰色部分為纖維，白色部分為基體.單向復(fù)合材料正交層合板的有限元模型由于層合板為正交布 0/90/0/90/0/90S，考慮到可以代表層合板周期性的對稱模型，建立了如圖所示的有限元模型，其中白色部分

13、是0度單向帶，灰色部分是90度單向帶：紡織復(fù)合材料的有限元模型 建立了如圖所示的紡織復(fù)合材料模型，其中白色部分為基體，黑色部分為緯紗，而灰色部分為經(jīng)紗。算例和分析-單向纖維復(fù)合材料縱向松弛模量1E-30.010.111010010001000010000034.535.035.536.036.537.0El/GPat/s FEM Theoretical用有限元得到的單向纖維復(fù)合材料的縱向松弛模量，與用理論分析得到的結(jié)果比較如圖所示，結(jié)果有較好的一致性算例和分析-單向纖維復(fù)合材料橫向松弛模量1E-30.010.111010010001000010000081012141618Et /GPat/s

14、 FEMTheoretical用有限元得到的單向纖維復(fù)合材料的橫向松弛模量，與用理論分析得到的結(jié)果比較如圖所示，縱向松弛模量的計(jì)算相對精確些算例和分析-單向纖維復(fù)合材料縱向松弛模量1E-30.010.1110100100010000100000212223242526272829Ecr /GPat/s FEM Theoretical用有限元得到的正交層合板的縱向松弛模量，與用理論分析得到的結(jié)果比較如圖所示，結(jié)果有較好的一致性。算例和分析-玻纖紡織復(fù)合材料縱向松弛模量1E-30.010.111010010001000012131415161718192021El /GPat /s FEM) Th

15、eoretical用有限元得到的玻纖紡織復(fù)合材料的縱向松弛模量，與用理論分析得到的結(jié)果比較如圖所示，結(jié)果有較好的一致性。復(fù)合材料的宏觀振動(dòng)模型為了得到復(fù)合材料的宏觀振動(dòng)特性，所以需要建立完整的動(dòng)態(tài)模型。由于材料厚度較小，所以采用殼單元，模型如圖所示 算例-三種復(fù)合材料的工程彈性常數(shù)其中U代表單向帶，O代表層合板，W代表紡織復(fù)合材料算例-兩種紡織復(fù)合材料的動(dòng)模量利用上表的基本參數(shù)，在ABAQUS中運(yùn)用頻率提取功能，本文計(jì)算了單向帶，層合板和紡織復(fù)合材料彎曲振動(dòng)的固有頻率，ABAQUS中的有限元結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值比較見下表從表中可以看出，本文的有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值基本一致，驗(yàn)證了本文所建立的單向帶，層

16、合板和紡織復(fù)合材料宏觀有限元模型的正確性 紡織復(fù)合材料的前三階振型由圖可以看出，紡織復(fù)合材料的前三階彎曲固有振動(dòng)第一階和第二階為繞y軸的彎曲振動(dòng)，第三階為繞x軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。 第一階振型第二階振型第三階振型總結(jié)本文研究的主要內(nèi)容和結(jié)論總結(jié)如下：（1）進(jìn)行了樹脂基體、單向纖維復(fù)合材料、正交層合板和紡織復(fù)合材料的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，得到了復(fù)合材料的基本靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)；對復(fù)合材料吸濕后的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，與干燥的環(huán)境相比，吸濕后的復(fù)合材料的衰減更加顯著；（2）建立了樹脂基體的應(yīng)力波模型，分析了樹脂基體中粘彈性波的瞬態(tài)衰減；建立了單向纖維復(fù)合材料、層合板、紡織復(fù)合材料的細(xì)觀理論模型，分析了復(fù)合材料的松

17、弛模量；提出了一種分析粘彈性材料動(dòng)態(tài)參數(shù)的方法，并且得到了復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)模量和阻尼比，理論模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合總結(jié)（3）建立了單向纖維復(fù)合材料、層合板和紡織復(fù)合材料的宏觀和細(xì)觀有限元模型，其中細(xì)觀模型分析了復(fù)合材料的松弛模量，有限元的計(jì)算結(jié)果與第三章的理論結(jié)果有著較好的一致性；宏觀模型則分析了復(fù)合材料的模態(tài)固有頻率，有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值基本一致。有限元結(jié)果很好的驗(yàn)證了本文理論和實(shí)驗(yàn)的正確性。 本文對復(fù)合材料粘彈性動(dòng)態(tài)特性的研究提供了一種思路，首次用應(yīng)力波理論描述復(fù)合材料的粘彈性動(dòng)態(tài)特性，對紡織復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)特性研究進(jìn)行了開創(chuàng)性工作。展望 由于時(shí)間及研究條件等的限制，本文的研究仍顯不足，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面，這些也將是今后研究的主要方向：一、對紡織復(fù)合材料的研究 由于紡織復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以本文對三維紡織復(fù)合材料的分析稍顯粗糙，如何建立普適的三維紡織復(fù)合材料粘彈性動(dòng)態(tài)性能的細(xì)觀模型是進(jìn)一步的研究補(bǔ)充和發(fā)展。二、對復(fù)合材料的濕熱動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究 本文進(jìn)行了一些復(fù)合材料濕熱動(dòng)態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)研究，但許多參數(shù)的影響規(guī)律尚不清楚，沒有對復(fù)合材料的濕熱特性進(jìn)行理論和有限元分析，這也是一個(gè)值得研究的方向。展望三、未考慮界面和損傷等復(fù)雜問題 復(fù)合材料的阻尼相對復(fù)雜，本文尚未考慮到復(fù)合材料的細(xì)觀損傷和界面問題