先进复合材料的结构动力学设计与分析技术探讨.pdf

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1、2011年6月强度与环境Jun.2011第38卷第3期STRUCTURE&ENVIRONMENTENGINEERINGVol.38,No.3先进复合材料的结构动力学设计与分析技术探讨谭志勇闵昌万龙丽平（北京临近空间飞行器系统工程研究所，北京100076）摘要：针对先进复合材料的力学特性，论述了进行结构动力学主动设计方法的若干特点，包括频率优化设计和响应优化设计方法。描述了复合材料的动模量特性，提出了考虑细观缺陷的动强度分析计算的思路。关键词：复合材料；动力学设计中图分类号：V414.1文献标识码：A

2、文章编号：1006-3919(2011)03-0024-05ThetechnologyofdynamicsdesignandanalysisforthestructureofadvancedcompositematerialTanZhiyongMinChangwanLongLiping（BeijingInstituteofNearspaceVehicle'sSystemsEngineering,Beijing100076,China）Abstract:Inthispaper,severalappro

3、achesofdynamicsdesignfortheadvancedcompositematerialstructurearediscussedfocusingonitsmechanicscharacteriscs,whichincludesfrequencyoptimizationandresponoseoptimization.Thecharacteristicsofdynamicmoduleofthecompositematerialaredescribed,andthemethodford

4、ynamicstrengthanalysisconsideringthemicro-crackispresented.Keywords:compositematerial;dynamicsdesign1引言在传统的的飞行器结构设计时，较多地采用了静强度设计方法。而结构动力学设计技术的发展，是由被动的结构动力学设计发展到主动的结构动力学设计。以C-C和C-SiC为代表的先进复合材料（ACM）由纤维和基体复合而成，它们具有明显不同于传统的金属材料的特性和优点，如非均质性、各向异性、高比强度比模量、可设计

5、性等。复合材料力学性能的复杂性和可设计性也对结构的动强度和动力学性能提出了更高的设计要求，需同时满足整体结构的动特性/动强度水平以及局部细节收稿日期：2010-08-01；修回日期：2011-01-14作者简介：谭志勇（1965－），男，研究员，博士；研究方向：强度分析、结构动力学；（100076）北京9200信箱89分箱4号.第38卷第3期谭志勇等先进复合材料的结构动力学设计与分析技术探讨25的动应力水平。本文以先进复合材料作为主承载构件的飞行器为对象，概述了复合材料结构动强度设计的基本原则，探讨

6、了动力学设计的一些问题。通过典型平板实测，描述了复合材料的动模量和模态阻尼的特点。在分析技术方面，提出了新的数值计算模型的思路。2先进复合材料的结构动力学设计完整地进行结构动力学设计，需要按顺序考虑如下的研究内容动力学环境分析动力学设计分析动强度计算分析考核试验ó飞行剖面研究ó动特性分析ó整体结构ó虚拟验证试验ó振源分析ó频率特性优化强度计算ó地面考核试验ó振动包络ó响应优化ó局部细化ó飞行实测试验ó试验考核标准强度计算动力学环境的分析与材料特性关系不大，而本文也不涉及考核试验部分。因此，下面主要探

7、讨动力学设计分析和动强度计算分析的若干内容。2.1频率优化设计的特点频率优化设计是复合材料结构在动力学方面最基本的设计要求，即通过宏观的结构设计和细观的材料设计，优化结构的力学性能分配，使得结构主要的固有频率，避开作用在该结构上的动态载荷的基本频率及其倍频，使结构在动载荷作用下不产生过大的动力放大。由于复合材料在纤维和基体界面上具有吸振能力强、阻滞交变应力传递的特点，因此结构在频率优化设计时，在关注到1阶基频的倍频特性情况下，考虑结构的前3阶固有频率即可。通过对强度标准压缩试验件的频率测试，得到C-

8、SiC材料的模态阻尼一般在1.0～3.0%之间，而C-C材料的模态阻尼还要略低一些。如果确定性动态载荷如随机振动的1阶峰值圆频率为ωf，而结构的1阶固有频率为ω0，其频率比为β=ωf/ω0。在复合材料结构设计时，应具有足够的频率储备，以保证动力放大系数DAC≤1。根据以往的经验，该条件对于先进复合材料一般可等效为β≥2.0。当结构设计难以通过提高刚度来持续减小DAC值时，根据复合材料飞机设计的经验，可考虑将要求放宽为β≤0.5或β≥1.5。为减小结构对稳态随机载荷以及