高温环境下二维正交编织C∕SiC复合材料壁板振动模态演化.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJul252017VoI．38No7SSN1000—6893ON11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cahkxb@buaaeduca高温环境下二维正交编织振动模态演化贺尔铭*，陈兵，曹存显西北工业大学航空学院，西安710072C／SiC复合材料壁板摘要：为了研究高温环境下二维正交编织C／SiC复合材料壁板的固有振动特性随温度的变化规律，进一步揭示模态跃迁和丢失现象。首先建立了二维正交编织复合材料的细观非均匀有限元模型

2、，基于细观模型采用体积平均法计算得到了均匀化后材料的模量、热膨胀系数和热传导系数等宏观性能参数。在此基础上，分别研究了均匀温度和线性非均匀温度载荷下，四边简支复合材料板在屈曲前后固有频率及模态振型随温度的变化规律。研究结果表明：在均匀温度场下，如果仅考虑热载荷对材料模量的影响时，随着温度的升高，各阶固有频率逐渐降低，但降低的幅度不大；仅考虑热应力对结构刚度影响时，在临界屈曲温度后固有频率反而上升，并且随着温度的升高出现了频率交错，其对应振型发生了跃迁现象；当同时考虑热物性和热应力影响时，各阶频率值变化趋势与仅考虑热应

3、力时类似，只是对应温度点的频率值有所下降。而在线性非均匀温度场下，通过对比不同工况下的模态振型发现，随着温度的升高某些模态振型还会出现丢失，并且这种丢失是从低阶到高阶依次发生的。关键词：二维C／SiC；复合材料壁板；热模态；固有频率；模态跃迁和丢失现象中图分类号：V214．8文献标识码：A文章编号：1000—6893(2017)07—220553—12高超声速飞行器在某些飞行条件下会造成严重的气动加热问题，气动加热通过附面层传到结构内部导致结构温度急剧升高，使飞行器表面壁板结构面临着较为严峻的高温环境。而二维正交编织

4、C／SiC复合材料具有高比强度、高比刚度、耐高温等优异性能，同时具有平行碳布面内力学性能相同的优点，特别适合于制备典型的热结构件，因而得到了广泛关注。高温对结构的影响主要表现在2个方面：一方面会改变材料的机械性能使材料的弹性模量降低；另一方面温度梯度导致受约束结构内部产生热应力，这些影响都会导致结构刚度发生变化，从而直接影响到结构的固有频率，因此在进行高速飞行器结构热振动分析时必须考虑温度效应的影响。近年来，国内外许多学者开始关注壁板结构的热振动特性研究。早在1989年Spain等[1]就关注到温度升高会使结构固有频

5、率降低的现象；随后Shukla等[2]研究了温度对复合材料曲板前10阶固有频率的影响规律，结果发现：随着温度升高，前5阶频率缓慢上升而后5阶频率却缓慢下降，并且在某一温度时各阶频率大小顺序发生了改变，即出现“频率跃迁”现象；夏巍和杨智春[3]研究了复合材料平板的热模态特性，发现屈曲前结构各阶频率都会出现下降，而且对于两对边简支的正方形复合材料板频率下降得更严重，但是其研究并未考虑到结构非线性引起的刚度非线性收稿日期：2016—06—22；退修日期：2016—10—19；录用日期：2017—03—07：网络出版时间：2

6、017-04—0113：32网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／111929V．201704011332．006．html基金项目：国家自然科学基金(51675426)；航天科技创新基金(2014KC010043)*通讯作者E-mail：heerming@nwpu．edu．ca嘲用格武：贺尔铭，陈兵．营存显．高温环境下二维正交编织c／Sic复合材料壁板振动模态演化!如，航空学报．2017，38(7)：220553jHEEM．CHENB．CAOcX．Vibrationmodeevolutio

7、nof2Dwovenc／s

8、ccompositepanels{nhotenvironment!JIActaAeronu．aticaetAstronauticaSinica，2017，38t7)：220553．220553．1航空学报项，因此只适合结构发生热屈曲前的固有振动特性分析；刘芹等¨j对线性温度场作用下的层合板进行了非线性热振动分析，得到了基频随温度的变化关系。对于其他高阶固有频率随温度的变化并未进行深入研究；Singh和Panda一刀研究了考虑高阶几何非线性项时，双曲复合材料板的自由振动问题，杨莉等¨o分析了

9、不同因素对圆柱曲板振型的影响，研究发现温度场对功能梯度材料的频率影响不大。在实验研究方面，许多学者对不同材料板的固有频率随温度变化做了大量研究，其实验结果都表明，随着温度的升高结构的前几阶固有频率出现了下降u1]。史晓鸣和杨炳渊一”-通过对瞬态加热环境下变厚度板的热模态分析，发现温度使结构的固有频率出现下降，但持续加热时固有频率又会出现回升；黄