湿热膨胀硕士论文答辩

1、纤维复合材料湿热胀缩细观力学模型指导老师答辩者答辩提纲3.复合材料动态性能的细观理论分析 2.复合材料粘弹性试验研究 1. 绪论4.复合材料粘弹性动态性能的有限元模拟 5. 总结与展望一 绪论近半个世纪以来，树脂基纤维增强复合材料作为新材料领域中的后起之秀得到了长足的发展，已广泛应用于航空航天、汽车工业、化工、纺织、机械制造、医学、体育运动器件和建筑材料等领域。树脂基纤维增强复合材料具有很高的增强效率，是应用领域最广、用量最大的一类复合材料。纤维增强复合材料取得了长足的发展，应用很广复合材料的粘弹性粘弹性静态特性粘弹性动态特性蠕变应力松弛阻尼能量耗散材料和结构的阻尼在结构动态分析与振动控制中起

2、着重要作用。衡量粘弹性阻尼性能的指标通常，在振动的环境下，弹性模量可以用复模量 来表征: 其中， 和 分别是储能模量和耗散模量. 损耗因子 作为衡量阻尼性能的指标： 是复模量虚部与实部的比值。 EEi EtanEEEE工程应用中往往要求材料拥有较高的损耗因子来抑制振动和噪声，复合材料则有这种特性。tan三维纺织复合材料纺织复合材料的粘弹性动特性还鲜有研究，如何建立纺织复合材料粘弹性静态与动态特性之间的联系，预测有效阻尼性能，在振动控制中有着重要的研究价值和实际意义。纺织复合材料的粘弹性动态性能还鲜有研究二 实验研究 测出了几种材料的静态拉伸模量复合材料动态响应实验 由于材料本身质量较轻，所以选

3、择自由衰减法，对上述材料进行了自由振动试验，下图为实验原理图 力锤敲击产生加速度信号响应 由加速度传感器将信号传递到分析仪中分析仪收集信号然后进行分析复合材料梁的自由振动实验装置图 力锤柔性悬挂试件动态分析仪实验结果得到了几种材料的前三阶复频率和阻尼比振动衰减特性研究 本次实验不仅得到了复合材料干燥和吸湿后的振动衰减特性，并且得到了复合材料完整时间历程和较短时间历程下的振动衰减情况。在滤波振动衰减实验中可以得到复合材料完整的时间历程曲线，再取较短的时间历程可以清楚的观察复合材料的振动衰减曲线。完整时间历程较短时间历程玻纤纺织复合材料的自由衰减曲线 针对本次复合材料的振动衰减曲线，由实验测得的数

4、据，用matlab绘制了玻纤纺织复合材料干燥和吸湿后的自由衰减曲线， 由以上的实验数据可以看出复合材料的第一阶自由振动曲线呈现指数衰减的趋势，吸湿后的复合材料的质量增加，于是第一阶振幅增大，相对于干燥的试件，复合材料的振动衰减更快，意味着阻尼增大。三 复合材料动态特性的理论分析 结构在振动过程中会有能量的耗散和损失，本文在频域中用粘弹性来描述这种动态能量损失。 用prony级数表示材料的松弛模量如下： 用三项简化表示为: 12mm12( )ttEtEEeE e 为瞬态项，描述材料在较小时间尺度内材料松弛模量的变化 为松弛项，可用来描述较长时间尺度内材料松弛模量的变化 为完全松弛项 mm1rkt

5、rrEtEE e 研究内容及方法将时域中的松弛模量进行拉普拉斯变换可以得到频域中的松弛模量表达式： 1( )krrrE sEsE ssEs 储存模量 损耗模量 损耗因子 阻尼比()/(ta)nnnnE sE s222tan22nnnnnnnn 221()krnnrrrnnEsE 22221( )()knnrnnrrrnnEsEE 储存模量为频域中松弛模量的实储存模量为频域中松弛模量的实部，损耗模量为虚部，而阻尼比部，损耗模量为虚部，而阻尼比是两者的比值是两者的比值阻尼比可通过实验得到，损耗因子阻尼比可通过实验得到，损耗因子可用理论计算得到，而可用理论计算得到，而 损耗因损耗因子是阻尼比的子是阻

6、尼比的2倍，这样可以用实验倍，这样可以用实验来验证理论的正确性来验证理论的正确性松弛模量 研究中发现松弛模量不仅和较大时间尺度的松弛模量有关，还与较短时间尺度内材料的松弛有关。也就是下式的最后两项。材料的较大时间尺度内的松弛模量可以由蠕变松弛实验得到，较小时间尺度内的松弛模量可以由应力波理论得到 12mm12( )ttEtEEeE e 下面介绍用应力波理论推导瞬态松弛模量中的参数应力波理论推导瞬态松弛模量 树脂基体制成的杆件在冲量作用下，在一段很短的时间内，会产生一列向左传播的拉伸波，波速为 1/20(0)/vE单轴粘弹性冲击波的传播速度是由单轴松弛函数的初值和密度来确定的，而波面行进中的速度

7、和轴力的突变值都随x的增大而衰减 确定瞬态参数11&E线性粘弹性材料中一维纵波传播时的运动方程及本构关系分别为：2222,x tx txt( , )( , )Px tQx t最终可以得到瞬态项的参数2221122212fEf31222222022ffEEf通过傅里叶变换最终就可以推导出瞬态项参数树脂的弹性波波速是2600m/s,且弹性波波速是经过衰减的，所以初始速度应该大于这个速度，这样可以得到初始的弹性模量大于6.76Gpa。由本文模型计算可得E(0)=7.65Gpa，说明了树脂材料的初始弹性模量是静态弹性常数的两倍还多。1/20(0)/vE单向、层合板、纺织复合材料松弛模量推导 利

8、用材料应力应变的变形协调可以分别推出不同材料的松弛模量，然后利用拉普拉斯变换就可以得到不同材料的阻尼比，动态储存模量和损耗模量。首先介绍单向复合材料单向复合材料的细观模型单向复合材料松弛模量的推导 考虑各组分之间的变形协调，建立如图所示的单向纤维增强复合材料松弛模量的细观力学模型。在单向复合材料的细观模型中将每一部分变形协调用应力协调和应变协调来表示，可得：单向复合材料松弛模量的推导应力协调方程m1fm1 m1ffm2 m2m1fm2yyzzzxxxlllm1fm1m1m2m2m1m1ffm2m2ududm1m1ffm2m200zzzxyzxyxyzxyzxyzxyzyxzyxzyxzSSSS

9、SSSSS应变协调方程单向复合材料松弛模量的推导udududxllE纵向松弛模量表达式：类似的可以推导出横向松弛模量的表达式：m2udm1fm1m2m2ytyyEVV层合板松弛模量的推导可以将层合板分为两个部分进行分析，如图所示：层合板细观模型层合板松弛模量的推导 分割后层合板的细观模型层合板松弛模量的推导应力协调方程12121212120zzxxcryyyhhhh12121212yycrzzzxxhhcr1crylyE应变协调方程层合板松弛模量的表达式纺织复合材料细观模型 如图所示为三维纺织复合材料的理论细观模型。其中白色部分为纬纱，灰色部分为经纱，填充部分为基体，取红线部分所示的对称结构进

10、行研究。纬纱基体经纱对称结构纺织复合材料细观模型如图所示为细观对称结构各组分的应力分布 。利用对称结构的细观变形协调得到纺织复合材料的理论细观模型块1为经纱和纬纱的组合块2为基体和纬纱的组合块3为斜经纱和基体的组合纺织复合材料分析12113311223311223300zzzxyzxyxyzxyzxyzyxzyxzyxzSSSSSSSS121 12 23 3123yyzzzxxxlll3c12133ylyyEVV应力平衡方程应变平衡方程纵向松弛模量算例-单向带和层合板动模量从表中可以看出正交铺层复合材料的静态理论模量较试验动态模量略高，这是由于正交铺层复合材料中由于经、纬向纤维之间的相互挤压会

11、有一定的曲度波动。算例-正交层合板的阻尼比从表中可以看出，正交铺层复合材料的储存模量与静态理论模量接近，随频率阶数的增高只略有增大，接近为常数，这与复合材料的动模量不随频率的增加有明显的变化的结论58吻合。损耗因子的理论值先增大后减小，变化幅度不大。根据试验结果得到的阻尼比与理论计算出的理论阻尼比相吻合 算例-两种纺织复合材料的动模量从表中可以看出两种纺织复合材料的静态理论模量较试验动态模量基本吻合，验证了本文模型的合理性算例-两种纺织复合材料的阻尼比玻璃纤维 石英纤维纺织复合材料的储存模量随频率阶数的增高只略有增大，接近为常数，这与复合材料的动模量不随频率的增加有明显的变化的结论吻合58。损

12、耗因子的理论值递减，变化幅度不大。根据试验结果得到的阻尼比与理论计算出的理论阻尼比相吻合。四 复合材料粘弹性动态性能的有限元模拟 因为单向纤维复合材料中的纤维是随机排列的，所以可以视为横观各项同性，在ABAQUS有限元软件中建立了单向纤维复合材料的周期性模型，本文假设纤维在基体中呈正六边形周期排列，如图所示，选取框出的周期部分作为单向复合材料的细观分析胞元，由于结构的对称性，所以可以取单胞的一半进行分析，其中灰色部分为纤维，白色部分为基体.单向复合材料正交层合板的有限元模型由于层合板为正交布 0/90/0/90/0/90S，考虑到可以代表层合板周期性的对称模型，建立了如图所示的有限元模型，其中

13、白色部分是0度单向带，灰色部分是90度单向带：纺织复合材料的有限元模型 建立了如图所示的纺织复合材料模型，其中白色部分为基体，黑色部分为纬纱，而灰色部分为经纱。算例和分析-单向纤维复合材料纵向松弛模量1E-30.010.111010010001000010000034.535.035.536.036.537.0El/GPat/s FEM Theoretical用有限元得到的单向纤维复合材料的纵向松弛模量，与用理论分析得到的结果比较如图所示，结果有较好的一致性算例和分析-单向纤维复合材料横向松弛模量1E-30.010.111010010001000010000081012141618Et /GP

14、at/s FEMTheoretical用有限元得到的单向纤维复合材料的横向松弛模量，与用理论分析得到的结果比较如图所示，纵向松弛模量的计算相对精确些算例和分析-单向纤维复合材料纵向松弛模量1E-30.010.1110100100010000100000212223242526272829Ecr /GPat/s FEM Theoretical用有限元得到的正交层合板的纵向松弛模量，与用理论分析得到的结果比较如图所示，结果有较好的一致性。算例和分析-玻纤纺织复合材料纵向松弛模量1E-30.010.111010010001000012131415161718192021El /GPat /s FEM

15、) Theoretical用有限元得到的玻纤纺织复合材料的纵向松弛模量，与用理论分析得到的结果比较如图所示，结果有较好的一致性。复合材料的宏观振动模型为了得到复合材料的宏观振动特性，所以需要建立完整的动态模型。由于材料厚度较小，所以采用壳单元，模型如图所示 算例-三种复合材料的工程弹性常数其中U代表单向带，O代表层合板，W代表纺织复合材料算例-两种纺织复合材料的动模量利用上表的基本参数，在ABAQUS中运用频率提取功能，本文计算了单向带，层合板和纺织复合材料弯曲振动的固有频率，ABAQUS中的有限元结果与实验值比较见下表从表中可以看出，本文的有限元计算结果与实验值基本一致，验证了本文所建立的单

16、向带，层合板和纺织复合材料宏观有限元模型的正确性 纺织复合材料的前三阶振型由图可以看出，纺织复合材料的前三阶弯曲固有振动第一阶和第二阶为绕y轴的弯曲振动，第三阶为绕x轴的扭转振动。 第一阶振型第二阶振型第三阶振型总结本文研究的主要内容和结论总结如下：（1）进行了树脂基体、单向纤维复合材料、正交层合板和纺织复合材料的静态和动态实验，得到了复合材料的基本静态和动态力学参数；对复合材料吸湿后的动态特性进行了实验，与干燥的环境相比，吸湿后的复合材料的衰减更加显著；（2）建立了树脂基体的应力波模型，分析了树脂基体中粘弹性波的瞬态衰减；建立了单向纤维复合材料、层合板、纺织复合材料的细观理论模型，分析了复合

17、材料的松弛模量；提出了一种分析粘弹性材料动态参数的方法，并且得到了复合材料的动态模量和阻尼比，理论模型的计算结果与实验值吻合总结（3）建立了单向纤维复合材料、层合板和纺织复合材料的宏观和细观有限元模型，其中细观模型分析了复合材料的松弛模量，有限元的计算结果与第三章的理论结果有着较好的一致性；宏观模型则分析了复合材料的模态固有频率，有限元计算结果与实验值基本一致。有限元结果很好的验证了本文理论和实验的正确性。 本文对复合材料粘弹性动态特性的研究提供了一种思路，首次用应力波理论描述复合材料的粘弹性动态特性，对纺织复合材料的动态特性研究进行了开创性工作。展望 由于时间及研究条件等的限制，本文的研究仍显不足，主要体现在以下几个方面，这些也将是今后研究的主要方向：一、对纺织复合材料的研究 由于纺织复合材料的细观结构较为复杂，所以本文对三维纺织复合材料的分析稍显粗糙，如何建立普适的三维纺织复合材料粘弹性动态性能的细观模型是进一步的研究补充和发展。二、对复合材料的湿热动态特性进行研究 本文进行了一些复合材料湿热动态特性的实验研究，但许多参数的影响规律尚不清楚，没有对复合材料的湿热特性进行理论和有限元分析，这也是一个值得研究的方向。展望三、未考虑界面和损伤等复杂问题 复合材料的阻尼相对复杂，本文尚未考虑到复合材料的细观损伤和界面问题