陶瓷基復(fù)合材料梁損傷非線性振動響應(yīng)及模擬.pdf

1、陶瓷基復(fù)合材料(Ceramicmatrixcomposites:CMCs)具有優(yōu)良的高溫性能，是發(fā)展高性能航空航天飛行器的理想備選材料。航空航天飛行器普遍存在由振動而引發(fā)的失效問題，陶瓷基復(fù)合材料作為熱端部件的關(guān)鍵材料，振動問題亟待重視。然而該材料具有明顯的變剛度和遲滯行為，且各向異性及多軸特性顯著。這些特性會引入復(fù)雜的非線性振動現(xiàn)象。由于陶瓷基復(fù)合材料的變剛度及遲滯行為難以模擬，目前國內(nèi)外少有針對陶瓷基復(fù)合材料振動響應(yīng)規(guī)律及分析方法的

2、研究，更沒有涉及其非線性振動問題。
　　本文針對CMCs損傷非線性振動問題進行研究，提出了一種用于模擬帶基體裂紋損傷的陶瓷基復(fù)合材料（CMC）梁振動響應(yīng)的計算方法。在細(xì)觀尺度上，研究CMCs在拉壓載荷下的本構(gòu)行為，基于剪滯模型發(fā)展了單向CMC在拉壓載荷作用下的細(xì)觀本構(gòu)模型。以此為基礎(chǔ)，提出了單向CMCs宏觀本構(gòu)模型。在宏觀尺度上，推導(dǎo)了模擬CMC梁振動響應(yīng)的有限元表達式，應(yīng)用中心差分法進行求解，最終實現(xiàn)了對CMC懸臂梁振動響應(yīng)的模

3、擬。
　　應(yīng)用本文發(fā)展的方法對Nicalon/CAS-II懸臂梁結(jié)構(gòu)進行振動響應(yīng)計算分析。首先研究了時間步長，高斯積分點數(shù)目等因素對計算精度和效率的影響，然后計算模擬了懸臂梁在脈沖激勵和簡諧激勵下的響應(yīng)，并將計算結(jié)果與彈性梁的計算結(jié)果進行了對比。計算結(jié)果表明：CMCs梁在階躍載荷下出現(xiàn)偏振現(xiàn)象；CMCs梁的剛度呈現(xiàn)非線性現(xiàn)象。采用了錘擊法以及電渦流激振法進行了CMC梁的振動實驗，測量了不同載荷幅值下的CMCs梁前兩階固有頻率和模態(tài)