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)合材料動態(tài)性能的細(xì)觀理論分析 2.復(fù)合材料粘彈性試驗研究 1. 緒論4.復(fù)合材料粘彈性動態(tài)性能的有限元模擬 5. 總結(jié)與展望一 緒論近半個世紀(jì)以來，樹脂基纖維增強復(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、機械制造、醫(yī)學(xué)、體育運動器件和建筑材料等領(lǐng)域。樹脂基纖維增強復(fù)合材料具有很高的增強效率，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)動態(tài)分析與振動控制中起

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)與動態(tài)特性之間的聯(lián)系，預(yù)測有效阻尼性能，在振動控制中有著重要的研究價值和實際意義。紡織復(fù)合材料的粘彈性動態(tài)性能還鮮有研究二 實驗研究 測出了幾種材料的靜態(tài)拉伸模量復(fù)合材料動態(tài)響應(yīng)實驗 由于材料本身質(zhì)量較輕，所以選

3、擇自由衰減法，對上述材料進行了自由振動試驗，下圖為實驗原理圖 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行分析復(fù)合材料梁的自由振動實驗裝置圖 力錘柔性懸掛試件動態(tài)分析儀實驗結(jié)果得到了幾種材料的前三階復(fù)頻率和阻尼比振動衰減特性研究 本次實驗不僅得到了復(fù)合材料干燥和吸濕后的振動衰減特性，并且得到了復(fù)合材料完整時間歷程和較短時間歷程下的振動衰減情況。在濾波振動衰減實驗中可以得到復(fù)合材料完整的時間歷程曲線，再取較短的時間歷程可以清楚的觀察復(fù)合材料的振動衰減曲線。完整時間歷程較短時間歷程玻纖紡織復(fù)合材料的自由衰減曲線 針對本次復(fù)合材料的振動衰減曲線，由實驗測得的數(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， 由以上的實驗數(shù)據(jù)可以看出復(fù)合材料的第一階自由振動曲線呈現(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)合材料的振動衰減更快，意味著阻尼增大。三 復(fù)合材料動態(tài)特性的理論分析 結(jié)構(gòu)在振動過程中會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： 用三項簡化表示為: 12mm12( )ttEtEEeE e 為瞬態(tài)項，描述材料在較小時間尺度內(nèi)材料松弛模量的變化 為松弛項，可用來描述較長時間尺度內(nèi)材料松弛模量的變化 為完全松弛項 mm1rkt

5、rrEtEE e 研究內(nèi)容及方法將時域中的松弛模量進行拉普拉斯變換可以得到頻域中的松弛模量表達式： 1( )krrrE sEsE ssEs 儲存模量 損耗模量 損耗因子 阻尼比()/(ta)nnnnE sE s222tan22nnnnnnnn 221()krnnrrrnnEsE 22221( )()knnrnnrrrnnEsEE 儲存模量為頻域中松弛模量的實儲存模量為頻域中松弛模量的實部，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驗得到，損耗因子阻尼比可通過實驗得到，損耗因子可用理論計算得到，而可用理論計算得到，而 損耗因損耗因子是阻尼比的子是阻

6、尼比的2倍，這樣可以用實驗倍，這樣可以用實驗來驗證理論的正確性來驗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間尺度的松弛模量有關(guān)，還與較短時間尺度內(nèi)材料的松弛有關(guān)。也就是下式的最后兩項。材料的較大時間尺度內(nèi)的松弛模量可以由蠕變松弛實驗得到，較小時間尺度內(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，在一段很短的時間內(nèi)，會產(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的運動方程及本構(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，動態(tài)儲存模量和損耗模量。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縱向松弛模量表達式：類似的可以推導(dǎo)出橫向松弛模量的表達式：m2udm1fm1m2m2ytyyEVV層合板松弛模量的推導(dǎo)可以將層合板分為兩個部分進行分析，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)理論模量較試驗動態(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有一定的

11、曲度波動。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)試驗結(jié)果得到的阻尼比與理論計算出的理論阻尼比相吻合 算例-兩種紡織復(fù)合材料的動模量從表中可以看出兩種紡織復(fù)合材料的靜態(tài)理論模量較試驗動態(tài)模量基本吻合，驗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)試驗結(jié)果得到的阻尼比與理論計算出的理論阻尼比相吻合。四 復(fù)合材料粘彈性動態(tài)性能的有限元模擬 因為單向纖維復(fù)合材料中的纖維是隨機排列的，所以可以視為橫觀各項同性，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)合材料的宏觀振動模型為了得到復(fù)合材料的宏觀振動特性，所以需要建立完整的動態(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)合材料的動模量利用上表的基本參數(shù)，在ABAQUS中運用頻率提取功能，本文計算了單向帶，層合板和紡織復(fù)合材料彎曲振動的固有頻率，ABAQUS中的有限元結(jié)果與實驗值比較見下表從表中可以看出，本文的有限元計算結(jié)果與實驗值基本一致，驗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第一階和第二階為繞y軸的彎曲振動，第三階為繞x軸的扭轉(zhuǎn)振動。 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)和動態(tài)實驗，得到了復(fù)合材料的基本靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)參數(shù)；對復(fù)合材料吸濕后的動態(tài)特性進行了實驗，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態(tài)參數(shù)的方法，并且得到了復(fù)合材料的動態(tài)模量和阻尼比，理論模型的計算結(jié)果與實驗值吻合總結(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，有限元計算結(jié)果與實驗值基本一致。有限元結(jié)果很好的驗證了本文理論和實驗的正確性。 本文對復(fù)合材料粘彈性動態(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)合材料的粘彈性動態(tài)特性，對紡織復(fù)合材料的動態(tài)特性研究進行了開創(chuàng)性工作。展望 由于時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)合材料粘彈性動態(tài)性能的細(xì)觀模型是進一步的研究補充和發(fā)展。二、對復(fù)合材料的濕熱動態(tài)特性進行研究 本文進行了一些復(fù)合材料濕熱動態(tài)特性的實驗研究，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行理論和有限元分析，這也是一個值得研究的方向。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