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基于平面脉冲声波激振的纤维增强复合材料参数辨识方法技术

技术编号:21888545 阅读:51 留言:0更新日期:2019-08-17 13:17
本发明专利技术的基于平面脉冲声波激振的纤维增强复合材料参数辨识方法,先建立自由边界条件下受平面声波激振的纤维增强复合薄板的理论模型,可获得复合薄板理论计算的前三阶固有频率以及时域振动响应;再通过实验测试获得纤维增强复合薄板的前三阶固有频率以及时域振动响应;通过粒子群算法对复合薄板的纤维纵向弹性模量、纤维横向弹性模量、剪切模量、泊松比、纤维纵向损耗因子、纤维横向损耗因子、剪切损耗因子进行优化,辨识获得纤维增强复合材料的3个弹性模量、泊松比、3个损耗因子;并与厂家所提供的对应材料参数进行分析对比验证。实践证明,该方法可以准确有效地获得纤维增强复合薄板的材料参数。

Parameter Identification Method of Fiber Reinforced Composites Based on Planar Pulse Acoustic Wave Excitation

【技术实现步骤摘要】
基于平面脉冲声波激振的纤维增强复合材料参数辨识方法
本专利技术属于振动测试
,涉及基于平面脉冲声波激振的纤维增强复合材料参数辨识方法。
技术介绍
纤维增强复合材料具有高比强度、高比刚度、质量轻、可设计性能好等优点,被广泛应用在航空、航天、汽车工业、船舶、体育器械与兵器工业等领域,目前,工程实际中存在大量通过该类型材料制成的典型复合薄板结构件。纤维增强复合材料的材料参数通常包括纤维纵向、横向弹性模量、损耗因子、剪切模量及泊松比等,它们是深入研究复合材料结构静力学及动力学问题的基础,准确确定上述材料参数,对于复合材料及其结构的力学行为分析、动力学建模、性能评价、优化设计等环节至关重要。目前,人们在复合材料的材料参数辨识领域进行了一定的研究,并且设计了一些专用的复合材料参数辨识实验装置,但采取的研究方法和实验装置都存在很多不足之处。专利CN201810985142,专利CN201811458086只是提出了对复合材料的弹性参数的理论研究方法,并没有进行实验验证,辨识出复合材料参数可靠性有待验证。专利CN201810736681,专利CN201610166104,专利CN201610527437分别是通过专用的实验测试方法去获得复合材料的实验数据,并利用其实验数据成功过辨识出复合材料的材料参数,但上述的试验测试方法都是接触式测试,容易给被测材料带领附加质量和刚度的影响,进而造成很大的测试误差,从而降低了辨识的材料参数准确性。专利CN201811223182提出了一种纤维增强复合材料弹性参数快速测定方法和系统,通过外界激励,使处于亚真空密封声场环境中的纤维增强复合材料试件产生自由振动,并采集振动产生的声频信号,利用傅里叶变换分析获得声频信号的频谱,测得固有振动频率,并辨识获得了复合材料的弹性模量参数。虽然采用了非接触声波激励,避免了空气阻力的影响,但难以准确获得复合材料试件受到的外部激振力大小,进而会影响辨识精度。另外,该专利实验装置过于复杂,不利于推广,且没有提供如何辨识材料损耗因子的具体方法。综上分析可知,上述专利提供的方法,一般都只是辨识获得复合材料的弹性参数,并不能获得材料的损耗因子等关键参数。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于平面脉冲声波激振的纤维增强复合材料参数辨识方法,提出了辨识纤维增强复合材料的纤维纵向、横向弹性模量、损耗因子、剪切模量及泊松比的可行方法,使得辨识精度和辨识效率更高。本专利技术提供一种基于平面脉冲声波激振的纤维增强复合材料参数辨识方法,包括如下步骤:步骤1:预先确定选取的纤维增强复合薄板的尺寸参数、纤维铺层角度及层数、密度信息;步骤2:建立纤维增强复合薄板在自由边界条件下受平面声波激励的理论模型,可以获得该复合薄板理论计算的前三阶固有频率以及时域振动响应;步骤3:搭建纤维增强复合材料参数辨识系统,通过实验测试纤维增强复合薄板的时域振动响应;步骤4:利用变分模态分解算法来分解实验测试的纤维增强复合薄板的时域振动响应,确定实验测试的纤维增强复合薄板的前三阶固有频率;步骤5:将步骤4获得的纤维增强复合薄板前三阶固有频率代入到粒子群算法的第一适应度函数中,利用粒子群算法对复合薄板的纤维纵向弹性模量、纤维横向弹性模量、剪切模量及泊松比进行优化,不断迭代直至满足设定的固有频率误差要求,辨识获得纤维增强复合材料的3个弹性模量和泊松比;步骤6:将步骤3获得的时域振动响应的峰峰值代入到粒子群算法的第二适应度函数中,利用粒子群算法对纤维纵向损耗因子、纤维横向损耗因子及剪切损耗因子进行优化,不断迭代直至满足设定的响应误差要求,辨识获得纤维增强复合材料的3个损耗因子;步骤7:将辨识获得的纤维增强复合薄板的3个弹性模量、泊松比和3个损耗因子与厂家所提供的对应材料参数进行分析对比验证。本专利技术的基于平面脉冲声波激振的纤维增强复合材料参数辨识方法至少具有以下有益效果:(1)采用的基于平面声波激励和激光测振技术的纤维增强复合材料参数辨识测试系统易于搭建,测试方法步骤简洁明确,可重复性好。(2)采用的基于平面声波激励和激光测振技术的纤维增强复合材料参数辨识测试系统的测试步骤,可以有效地获得复合薄板在自由边界条件下的时域振动响应。(3)采用的基于平面声波激励和激光测振技术的纤维增强复合材料参数辨识的方法,可以准确有效地获得纤维增强复合薄板的材料参数。附图说明图1是本专利技术的基于平面脉冲声波激振的纤维增强复合材料参数辨识方法的流程图;图2是本专利技术的纤维增强复合薄板的理论模型;图3是纤维增强复合材料参数辨识测试系统框图;图4是测试获得的平面声波脉冲激励信号的时域波形;图5是激光测点位置获得的纤维增强复合薄板的时域振动响应信号;图6a是第一阶固有频率140.2Hz下的时域响应;图6b是第一阶固有频率140.2Hz下的频域响应;图6c是第二阶固有频率264.8Hz下的时域响应;图6d是第二阶固有频率264.8Hz下的频域响应;图6f是第三阶固有频率391.0Hz下的时域响应;图6e是第三阶固有频率391.0Hz下的频域响应;图7是前3阶固有频率迭代误差的收敛过程图;图8是理论迭代计算与实验测试获得的时域振动响应信号的对比图及放大图。具体实施方式如图1所示基于平面脉冲声波激振的纤维增强复合材料参数辨识方法,包括以下步骤:步骤1:预先确定选取的纤维增强复合薄板的尺寸参数、纤维铺层角度及层数、密度信息;基于厂家所提供的纤维增强复合薄板信息,可以确定该复合薄板的尺寸参数、纤维铺层角度及层数、密度信息,并确定纤维增强复合薄板的各个表征参数的表达式,具体包括:本实施方式中,所测试的纤维增强复合薄板选用的是CF140碳纤维/环氧树脂复合材料,该类型薄板为对称正交铺设,即[(0/90)s/0/(90/0)s],共有21层,每个铺层具有相同的厚度和纤维体积分数,密度为ρ=1778kg/m3,长、宽、厚尺寸为260×130×2.36mm。厂家提供的该薄板的材料参数:和步骤2:建立如图2所示的纤维增强复合薄板在自由边界条件下受平面声波激励的理论模型,理论计算获得该复合薄板的前三阶固有频率以及时域振动响应;步骤2.1:基于经典层合板理论,建立纤维增强复合薄板在自由边界条件下受平面声波激励的理论模型,具体包括:步骤2.1.1:纤维增强复合薄板是由n层具有正交各向异性特点的纤维和基体材料组合而成的,其尺寸参数长度a、宽度b和厚度h,每一层的厚度均相同,设定纤维增强复合薄板的中间层作为参考平面,以纤维增强复合薄板长度方向作为x轴方向,宽度方向作为y轴方向,厚度方向为z轴方向建立xyz坐标系,设纤维增强复合薄板的纤维方向与x轴方向的夹角为θ,E1表示沿纤维纵向弹性模量,E2表示沿纤维横向弹性模量,G12表示剪切模量,v12表示纤维纵向的应力引起的纤维纵向和横向应变的泊松比,v21表示纤维横向的应力引起的纤维纵向和横向应变的泊松比,ρ为密度;步骤2.1.2:建立纤维增强复合薄板的位移场;基于经典层合板理论,可将复合薄板的位移场写为:w(x,y,z,t)=w0(x,y,t)(1c)式中,u,v,w代表板内任意一点的位移;u0,v0,w0代表板中面位移;t表示时间;步骤2.1.3:计算材料的应力-应变关系;复合薄板的应变和位移的关系可表示为如下:其本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.基于平面脉冲声波激振的纤维增强复合材料参数辨识方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤1:预先确定选取的纤维增强复合薄板的尺寸参数、纤维铺层角度及层数、密度信息;步骤2:建立纤维增强复合薄板在自由边界条件下受平面声波激励的理论模型,可以获得理论计算该复合薄板的前三阶固有频率以及时域振动响应;步骤3:搭建纤维增强复合材料参数辨识系统,通过实验测试纤维增强复合薄板的时域振动响应;步骤4:利用变分模态分解算法来分解实验测试的纤维增强复合薄板的时域振动响应,确定实验测试的纤维增强复合薄板的前三阶固有频率;步骤5:将步骤4获得的纤维增强复合薄板前三阶固有频率代入到粒子群算法的第一适应度函数中,利用粒子群算法对复合薄板的纤维纵向弹性模量、纤维横向弹性模量、剪切模量及泊松比进行优化,不断迭代直至满足设定的固有频率误差要求,辨识获得纤维增强复合材料的3个弹性模量和泊松比;步骤6:将步骤3获得的时域振动响应的峰峰值代入到粒子群算法的第二适应度函数中,利用粒子群算法对纤维纵向损耗因子、纤维横向损耗因子及剪切损耗因子进行优化,不断迭代直至满足设定的响应误差要求,辨识获得纤维增强复合材料的3个损耗因子;步骤7:将辨识获得的纤维增强复合薄板的3个弹性模量、泊松比和3个损耗因子与厂家所提供的对应材料参数进行分析对比验证。...

【技术特征摘要】
1.基于平面脉冲声波激振的纤维增强复合材料参数辨识方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤1:预先确定选取的纤维增强复合薄板的尺寸参数、纤维铺层角度及层数、密度信息;步骤2:建立纤维增强复合薄板在自由边界条件下受平面声波激励的理论模型,可以获得理论计算该复合薄板的前三阶固有频率以及时域振动响应;步骤3:搭建纤维增强复合材料参数辨识系统,通过实验测试纤维增强复合薄板的时域振动响应;步骤4:利用变分模态分解算法来分解实验测试的纤维增强复合薄板的时域振动响应,确定实验测试的纤维增强复合薄板的前三阶固有频率;步骤5:将步骤4获得的纤维增强复合薄板前三阶固有频率代入到粒子群算法的第一适应度函数中,利用粒子群算法对复合薄板的纤维纵向弹性模量、纤维横向弹性模量、剪切模量及泊松比进行优化,不断迭代直至满足设定的固有频率误差要求,辨识获得纤维增强复合材料的3个弹性模量和泊松比;步骤6:将步骤3获得的时域振动响应的峰峰值代入到粒子群算法的第二适应度函数中,利用粒子群算法对纤维纵向损耗因子、纤维横向损耗因子及剪切损耗因子进行优化,不断迭代直至满足设定的响应误差要求,辨识获得纤维增强复合材料的3个损耗因子;步骤7:将辨识获得的纤维增强复合薄板的3个弹性模量、泊松比和3个损耗因子与厂家所提供的对应材料参数进行分析对比验证。2.如权利要求1所述的基于平面脉冲声波激振的纤维增强复合材料参数辨识方法,其特征在于,所述步骤2包括:步骤2.1:基于经典层合板理论,建立纤维增强复合薄板在自由边界条件下受平面声波激励的理论模型;步骤2.2:基于Ritz能量法,计算获得纤维增强复合薄板的前三阶固有频率;步骤2.3:根据采用振型叠加法,可以获得纤维增强复合薄板在自由边界条件下受平面声波激励的时域振动响应。3.如权利要求2所述的基于平面脉冲声波激振的纤维增强复合材料参数辨识方法,其特征在于,所述步骤2.1包括:步骤2.1.1:纤维增强复合薄板是由n层具有正交各向异性特点的纤维和基体材料组合而成的,其尺寸参数长度a、宽度b和厚度h,每一层的厚度均相同,设定纤维增强复合薄板的中间层作为参考平面,以纤维增强复合薄板长度方向作为x轴方向,宽度方向作为y轴方向,厚度方向为z轴方向建立xyz坐标系,设纤维增强复合薄板的纤维方向与x轴方向的夹角为θ,E1表示沿纤维纵向弹性模量,E2表示沿纤维横向弹性模量,G12表示剪切模量,v12表示纤维纵向的应力引起的纤维纵向和横向应变的泊松比,v21表示纤维横向的应力引起的纤维纵向和横向应变的泊松比,ρ为密度;步骤2.1.2:建立纤维增强复合薄板的位移场;基于经典层合板理论,可将复合薄板的位移场写为:w(x,y,z,t)=w0(x,y,t)(1c)式中,u,v,w代表板内任意一点的位移;u0,v0,w0代表板中面位移;t表示时间;步骤2.1.3:计算材料的应力-应变关系;复合薄板的应变和位移的关系可表示为如下:其中,εx表示沿x方向的正应变,εy表示沿y方向的正应变,κx表示沿x方向的弯曲挠曲率,κy表示沿y方向的弯曲挠曲率,γxy表示剪切方向的剪应变,κxy表示剪切方向的扭曲率;对于正交各向异性材料,材料主轴方向的应力-应变关系为:其中,σ1和ε1分别为沿着纤维纵向方向的正应力和正应变,σ2和ε2分别为沿着纤维横向方向的正应力和正应变,σ12和γ12为1-2平面的剪切方向的剪应力和剪应变,刚度系数Q11、Q12、Q22、Q66如下:Q66=G12(4d)当材料主轴方向与整体坐标系之间有一定夹角θ时,用应力-应变转轴公式计算得到复合薄板第k层在整体坐标系下的应力-应变关系如下:其中,σx和σy分别为沿着x和y方向的正应力,σxy为剪切方向的剪应力,θk为复合薄板第k层的材料主轴方向与整体坐标系之间的夹角,偏轴刚度系数如下:4.如权利要求3所述的基于平面脉冲声波激振的纤维增强复合材料参数辨识方法,其特征在于,所述步骤2.2包括:步骤2.2.1:求解复合薄板弯曲振动的动能、应变能、薄板所受弯矩和扭矩、薄板中面横向振动位移:复合薄板所受弯矩和扭矩为:其中,Mx表示x方向的弯矩,My表示y方向的弯矩,Mxy表示剪切方向的扭矩;复合薄板的动能可以用下式表示:复合薄板的弯曲应变能为:假设复合薄板横向振动的位移可以表示为:w0(x,y,t)=eiωtW(ξ,η)(11)其中,ω为圆频率与激励频率相同,W(ξ,η)为振型函数;步骤2.2.2:设定悬臂复合薄板的振型函数,有如下形式:其中,amn为待定系数,pm(ξ)(m=1,...,M)和qn(η)(n=1,...,N)为一系列的正交多项式;通过对满足边界条件的多项式函数进行正交化处理来获得一系列的正交多项式:其中,Hm和Vn为系数函数,其表达式分别为:其中,W(φ)是权函数,通常取W(φ)=1,而χ(ξ)和κ(η)是满足固支、简支、自由等边界条件的多项式函数,且具有如下的形式:关注的是自由边界条件,所以取α=0,β=0,γ=0,τ=0;步骤2.2.3:根据薄板振型变分方程和悬臂复合薄板的振型函数,可获得关于固有圆频率的代数方程,直接解出固有圆频率,获得纤维增强复合薄板的前三阶固有频率;然后,根据Ritz法,定义能量函数L的表达式为:L=Tmax-Umax(17)式中,忽略式(9)和(10)中的谐波分量,即可得到的复合薄板的最大动能Tmax和最大应变能Umax;通过使能量函数L对待定系数qmn的偏导数为零,即得到复合薄板自由振动的特征方程,有如下形式:(K-ω2M)q=0(19)其中,K和M分别为复合薄板的刚度矩阵和质量矩阵,特征向量q=(q11,q12,…qmn)T;对方程(18)进行求解,由此便可实现固有频率ωmn和模态振型Wmn(x,y)的求解。5.如权利要求4所述的基于平面脉冲声波激振的纤维增强复合材料参数辨识方法,其特征在于,所述步骤2.3包括:步骤2.3.1:计算复合薄板受到平面声波载荷;复合薄板受到平面声波载荷P(t)的作用,假设激励信号类型为脉冲信号,将其简化为一个周期极短的简谐半波,其数学表达式为:式中,f0为激励声压,ω为激励角频率,t1为激励作用的时间;步骤2.3.2:根据振型叠加法求解在平面声波载荷作用下复合薄板的振动响应X(t):式中,Tmn为各阶...

【专利技术属性】
技术研发人员:李晖吴腾飞王文煜吕海宇高智江王朝阳赵思齐胡晓岳
申请(专利权)人:东北大学
类型:发明
国别省市:辽宁,21

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