一种湿热环境下2.5维复合材料的动力学模型实现方法技术

本发明专利技术公开了一种湿热环境下2.5维复合材料的动力学模型实现方法，步骤如下：S1，根据2.5维复合材料细观几何参数，建立2.5维复合材料的有限元模型，获取仿真固有频率与仿真模态振型；S2，搭建模态测试系统，完成湿热环境下2.5维复合材料结构的模态测试，获取试验固有频率与试验模态振型；S3，采用灵敏度分析方法，量化分析各个弹性常数对复合材料固有频率的影响；S4，将固有频率实测值与预测值的残差作为目标函数，通过修正弹性参数，确保目标残差函数收敛于其极小值；S5，采用最优化算法进行迭代，求解目标残差函数的极小值。本发明专利技术能够获取与传统静力学测试数据吻合程度较高的等效弹性参数，避免对试验件造成损伤和破坏。避免对试验件造成损伤和破坏。避免对试验件造成损伤和破坏。

【技术实现步骤摘要】
一种湿热环境下2.5维复合材料的动力学模型实现方法


[0001]本专利技术涉及复合材料领域，尤其涉及一种湿热环境下2.5维复合材料的动力学模型实现方法。

技术介绍

[0002]在航空发动机实际服役过程中，树脂基复合材料的使用环境温度一般在300℃范围内，并伴随不同的湿度。在发动机典型服役湿热环境下，树脂基复合材料往往会发生物理、化学变化，导致其力学性能呈现不同程度的退化趋势，同时反映在动力学特性参数的演化过程中。目前对高温环境下树脂基复合材料的研究主要集中于静力学方面，然而实际工程应用中，树脂基复合材料叶片往往同时承受着静态载荷和振动载荷。为了保证其在实际应用环境能够发挥可靠的性能优势，研究分析湿热环境下树脂基复合材料结构的模态测试方法，具有重要的现实需求和工程价值。
[0003]湿热环境对树脂基复合材料结构的影响主要体现在温度、水分引起的湿热效应对基体/纤维粘接界面破坏、树脂基体的吸湿增塑，从而造成树脂基复合材料的力学性能的退化。吸湿条件影响最大的是树脂基体的力学性能及玻璃转化温度，玻璃转化温度是非晶态高分子材料由玻璃态向高弹态转化的温度，受吸湿量影响会逐渐下降，意味着基体材料粘弹性性能的退化。研究表明单纯吸湿条件对复合材料力学性能的影响是可逆的；而在湿热耦合条件下，由于树脂吸湿会导致其玻璃化转变温度降低，使得吸湿材料的力学性能对温度更敏感。
[0004]易阅城(湿热环境下组分材料力学性能试验与分析研究[D].南京:南京航空航天大学,2020)提出了湿热环境下组分材料的改进双曲正切力学模型，并通过湿热环境下的T800/EC230R单向板进行了拟合验证。随后，胡杨(湿热环境下三枚衬经斜纹2.5维编织复合材料的强度研究[D].南京:南京航空航天大学，2021)采用组分材料双曲正切模型对湿热环境下的三枚衬经2.5维编织树脂基复合材料刚度、强度进行了预测，试验结果表明与预测值一致。在动力学分析方面，赵天(赵天，杨智春，田玮，湿热环境下复合材料层合板振动与声辐射特性分析[J].航空学报，2017，18(10):139
‑
149)对湿热环境下复合材料层合板振动特性进行了研究，结论指出温度环境下基体弹性模量降低是影响结构固有频率的最主要因素。郝彤星(湿热环境下复合材料蜂窝板的振动特性分析[D].中国民航大学，2020)考虑温度与湿度的等效性，研究了不同湿热条件对复合材料蜂窝板固有振动特性的影响规律。以上湿热环境下复合材料动力学试验与仿真研究主要针对层合结构开展，湿热环境下的2.5维复合材料动力学研究尚未开展。
[0005]然而，由于理想化的几何模型往往无法准确反映实际复合材料的细观尺度结构特征，以及复合材料性能分散性较大等诸多不可避免的因素，2.5维编织复合材料结构的刚度性能和固有振动特性的预测结果与实测数据偏差普遍较大(刘杰明，周标，温卫东，张宏建，2.5维树脂基编织复合材料平板固有振动分析[J].航空动力学报，2022，37(07):1469
‑
1477)。因此，基于多尺度方法的2.5维编织树脂基复合材料动力学分析面临准确度不足的
问题，催生了进一步开展复合材料动力学模型修正方法研究的需求。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种能有效识别任意湿热条件下弹性参数的湿热环境下2.5维复合材料的动力学模型实现方法。
[0007]技术方案：本专利技术的动力学模型实现方法，包括步骤如下：
[0008]S1，根据2.5维复合材料细观几何参数，建立2.5维复合材料的有限元模型，获取仿真固有频率与仿真模态振型；
[0009]S2，搭建具有加热功能的自由/悬臂边界条件模态测试系统，完成湿热环境下2.5维复合材料结构的模态测试，获取试验固有频率与试验模态振型；
[0010]S3，采用2.5维复合材料固有频率对弹性参数的灵敏度分析方法，量化分析各个弹性常数对复合材料固有频率的影响；
[0011]S4，将2.5维编织复合材料固有频率实测值与预测值的残差作为目标函数，通过修正弹性参数，确保目标残差函数收敛于其极小值；
[0012]S5，采用最优化算法进行迭代，求解目标残差函数的极小值。
[0013]进一步，步骤S1中，获取仿真固有频率与模态振型的实现步骤如下：
[0014]S11，建立2.5维复合材料细观单胞有限元模型；
[0015]S12，将湿热环境下的组分材料力学参数代入单胞有限元模型；
[0016]S13，对单胞有限元模型施加周期性边界条件，提取平均应力应变，计算等效弹性参数；
[0017]S14，建立2.5维复合材料结构的宏观均匀化有限元模型，代入等效弹性参数，并进行模态分析，获取仿真固有频率和模态振型。
[0018]进一步，步骤S2中，获取试验固有频率与模态振型的实现步骤如下：
[0019]S21，采用加速吸湿法对2.5维复合材料试验件进行吸湿处理，直到达到所需吸湿量为止，获取不同吸湿量的试验件；
[0020]S22，搭建具有加热功能的模态测试系统，进行加热预测试与模态预测试；
[0021]S23，对不同吸湿量的2.5维复合材料试验件进行正式模态测试，并记录模态测试数据；
[0022]S24，将模态测试数据导入模态分析软件，识别2.5维复合材料的模态参数，获取试验固有频率与模态振型。
[0023]进一步，步骤S24中识别2.5维复合材料的模态参数还包括阻尼比。
[0024]进一步，步骤S3中，复合材料结构任一固有频率f
i
对某一设计变量x
i
灵敏度的表达式如下：
[0025][0026]其中，K为复合材料的刚度矩阵，M为复合材料的质量矩阵，φ为模态振型向量；
[0027]当设计变量x
i
为正交各向异性材料刚度矩阵某一元素时，灵敏度的表达式变为：
[0028][0029]根据各向异性材料的力学本构关系，将x
i
对相应的弹性参数求偏导，并最终求得复合材料结构任一阶次固有振动频率对材料弹性参数的绝对灵敏度：
[0030][0031]其中，E
mn
为正交各向异性材料的弹性参数，m、n表示不同的材料方向。
[0032]进一步，步骤S4中，目标函数定义为：
[0033]J(δE
mn
)＝(δf
‑
S
a
δE
mn
)
T
W(δf
‑
S
a
δE
mn
)
[0034]其中，δE
mn
为弹性参数E
mn
的修正量，δf为固有频率实测值与预测值的残差，S
a
为各阶模态频率f对弹性参数E
mn
的灵敏度矩阵；W为加权矩阵，用以反映各阶频率残差向量δf的权重；T表示矩阵转置。
[0035]进一步，步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种湿热环境下2.5维复合材料的动力学模型实现方法，其特征在于，包括步骤如下：S1，根据2.5维复合材料细观几何参数，建立2.5维复合材料的有限元模型，获取仿真固有频率与仿真模态振型；S2，搭建具有加热功能的自由/悬臂边界条件模态测试系统，完成湿热环境下2.5维复合材料结构的模态测试，获取试验固有频率与试验模态振型；S3，采用2.5维复合材料固有频率对弹性参数的灵敏度分析方法，量化分析各个弹性常数对复合材料固有频率的影响；S4，将2.5维编织复合材料固有频率实测值与预测值的残差作为目标函数，通过修正弹性参数，确保目标残差函数收敛于其极小值；S5，采用最优化算法进行迭代，求解目标残差函数的极小值。2.根据权利要求1所述湿热环境下2.5维复合材料的动力学模型实现方法，其特征在于，步骤S1中，获取仿真固有频率与模态振型的实现步骤如下：S11，建立2.5维复合材料细观单胞有限元模型；S12，将湿热环境下的组分材料力学参数代入单胞有限元模型；S13，对单胞有限元模型施加周期性边界条件，提取平均应力应变，计算等效弹性参数；S14，建立2.5维复合材料结构的宏观均匀化有限元模型，代入等效弹性参数，并进行模态分析，获取仿真固有频率和模态振型。3.根据权利要求1所述湿热环境下2.5维复合材料的动力学模型实现方法，其特征在于，步骤S2中，获取试验固有频率与模态振型的实现步骤如下：S21，采用加速吸湿法对2.5维复合材料试验件进行吸湿处理，直到达到所需吸湿量为止，获取不同吸湿量的试验件；S22，搭建具有加热功能的模态测试系统，进行加热预测试与模态预测试；S23，对不同吸湿量的2.5维复合材料试验件进行正式模态测试，并记录模态测试数据；S24，将模态测试数据导入模态分析软件，识别2.5维复合材料的模态参数，获取试验固有频率与模态振型。4.根据权利要求3所述湿热环境下2.5维复合材料的动力学模型实现方法，其特征在于，步骤S24中识别2.5维复合材料的模态参数还包括阻尼比。5.根据权利要求1所述湿热环境下2.5维复合材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：周标，程翰林，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：