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《几种单向铺层碳纤维复合材料超低温下动态性质的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第14卷 第2期实 验 力 学Vol.14No.21999年6月JOURNALOFEXPERIMENTALMECHANICSJun.1999几种单向铺层碳纤维复合材料X超低温下动态性质的研究3李伟洲 王正道 张培强(中国科技大学,合肥,230026)(3中科院低温中心,北京,100080)摘要 主要研究了几种应用于航天、航空领域的单向铺层复合材料在超低温到常温大温区范围内的动态力学性质,运用的振动模态参数识别的时域方法,研究了用这几种材料制成的悬臂梁的自由振动,给出了它们的动模量、阻尼随温度变化的曲线.通过比较低温下这几种材料动态性质的不同,研究了
2、纤维、基体对材料模量、阻尼大小、阻尼峰的影响.关键词 碳纤维复合材料 低温 动态力学性质1 序言 具有高比刚度、比强度、绝缘、抗磁等突出优点的树脂基复合材料在低温条件下得到了[1]广泛的应用,这些材料常被用做结构材料.由于这些构件要承受动载荷,特别是复合材料因为本身的高阻尼特性,常被用做减振结构,获得其在低温下的动态力学性质就显得尤为重要.[2-5]近年来,玻璃纤维复合材料、聚合物的低温动态性质的测量曾有报道,而Adams等人对[6-7]一些常规碳纤维(T300)复合材料在100-500K温区的动态性质进行了研究.由于碳纤维的模量、阻尼性质几乎不
3、随温度变化,其低温下的应用越来越受到重视,尤其是新工艺制成的高强度碳纤维,其应用更加广泛.进一步获得超低温(4-100K)环境的动态性质,对于低温阻尼变化的微观解释,扩展材料的应用范围都有重要意义.本文研究的几种复合材料都是目前我国航天、航空领域正在或将要使用的,实验中获得的数据是进行结构设计的基本参数.实验对四种碳纤维单向铺层复合材料制成的悬臂梁在4K到300K的温区内进行动态测试,应用时域Ibrahim法获得系统的动态参数(固有频率、阻尼)随温度的变化关系,并应用欧拉梁理论最终给出动模量、阻尼随温度变化的曲线和通过线膨胀系数修正的结果.本文对不
4、同铺层方向(0°、90°)的结果进行了比较,为多向铺层的复合材料的低温性质预测提供了实验数据,对阻尼峰的测定为这几种复合材料温度诱发相变的研究提供了实验基础.X国家自然科学基金(No.19732001,No.1947061),中科院院长基金1998-06-16收到第1次稿,1999-03-23收到修改稿©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.第2期 李伟洲等:几种单向铺层碳纤维复合材料超低温下动态性质的研究 2172 实验的理论基础 实验中
5、使用脉冲激励,应变片拾振,获得悬臂梁的自由响应数据,由Ibrahim法求得各阶[8]固有频率和阻尼,再应用欧拉梁理论可得到梁的动态模量.Ibrahim时域分析法:对N自由度线性系统,自由振动方程为:õõa[m]{x}+[C]{x}+[k]{x}=0其中{x}为各点响应,[m]为质量矩阵,[c]为阻尼矩阵,[k]为刚度矩阵.其中响应{x}可表示为:2NKt{x}={<}i∑iei=1其中{<}i为第i阶特征向量,Ki为相应的特征值.取采样时间分别为tj,tj+$t,tj+2$t,通过处理可获得如下形式:^-1K$t([R][R]-ei[I]){p}i
6、=0^式中[R]为tj,tj+$t时刻的响应的组合矩阵,[R]为tj+$t,tj+2$t时刻的响应的组合矩阵.{p}i为:{<}i{p}i=K$t{<}iie 问题变为解特征值问题,由上式可求得各阶模态参数.由于噪声等因素的影响,会在时域分析中引入虚假模态.为了剔除虚假模态,定义模态置信因子为:{<}i[MCF]i=K$t{<}iie当[MCF]接近1时为真实模态,否则为虚假模态.欧拉梁理论:对于细长梁,不考虑剪切作用,弯曲振动方程为:425v5vEI4+QA2=05x5t其中E为杨氏模量,Q为材料密度,A为梁的横截面积,x为梁沿长方向的坐标,v
7、为梁的横向位移.对悬臂梁,边界条件为一端固支,一端自由,由上式可求得自由振动的模量与固有频率的关系:222fiL-12E=48PQ×10Bih3其中Q为材料密度(göcm),fi为第i阶固有频率(Hz),L为梁长(mm),h为梁的厚度(mm),Bi为常数,当i=1时为3.516.当知道各阶固有频率后即可求出相应的动模量.3 线膨胀系数的影响 由于材料在低温下收缩,而梁的各种几何参数是在常温下测得的,应考虑线膨胀系数的影响,进行修正.定义E为真实模量,Et为表观模量,因为随温度变化的量为Q,L,h,而©1995-2004TsinghuaTongfa
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