非均匀温度场下复合材料加筋板振动特性研究.pdf
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1、收稿日期:2 0 2 3 0 3 3 1非均匀温度场下复合材料加筋板振动特性研究李征宇1,刘 沛2(1.中国船舶集团有限公司第七二三研究所,江苏 扬州 2 2 5 1 0 1;2.海军青岛雷达声纳修理厂,山东 青岛 2 6 6 1 0 0)摘要:以复合材料加筋板为研究对象,同时考虑了温度对材料力学性能和结构热应力的影响,基于计及热效应有限元方程研究了非均匀温度载荷对结构振动特性的影响,计算了具有相同平均温度的不同温度梯度热载荷作用下结构的热应力分布和振动模态,分析了非均匀温度载荷对结构固有频率和模态振型的影响。研究结果表明,非均匀热载荷的温度梯度对结构的热应力分布和幅值有着显著影响;结构的固有
2、频率随温度载荷的非均匀程度的增加整体呈下降趋势;非均匀温度载荷对结构模态中平板振动为主的模态振型影响较大、对结构模态中筋条振动为主的模态振型的影响较小。关键词:复合材料加筋板;非均匀温度;固有频率;模态振型 中图分类号:V 4 1 4.8;O 3 2文献标识码:B文章编号:C N 3 2-1 4 1 3(2 0 2 3)0 4-0 1 1 2-0 5D O I:1 0.1 6 4 2 6/j.c n k i.j c d z d k.2 0 2 3.0 4.0 2 5R e s e a r c h i n t o V i b r a t i o n C h a r a c t e r i s t
3、 i c s o f a C o m p o s i t e S t i f f e n e dP a n e l u n d e r N o n u n i f o r m T e m p e r a t u r e F i e l d L I Z h e n g y u1,L I U P e i2(1.T h e 7 2 3 I n s t i t u t e o f C S S C,Y a n g z h o u 2 2 5 1 0 1,C h i n a;2.N a v a l R a d a r a n d S o n a r R e p a i r i n g F a c t o
4、r y,Q i n g d a o 2 6 6 1 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:T a k i n g t h e c o m p o s i t e s t i f f e n e d p a n e l a s t h e r e s e a r c h o b j e c t a n d c o n s i d e r i n g t h e i n f l u e n c e o f t e m p e r a t u r e o n t h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e m a
5、t e r i a l a n d t h e t h e r m a l s t r e s s o f t h e s t r u c t u r e a t t h e s a m e t i m e,t h i s p a p e r s t u d i e s t h e i n f l u e n c e o f n o n u n i f o r m t e m p e r a t u r e l o a d o n t h e v i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s t r u c t u r e
6、b a s e d o n t h e f i n i t e e l e m e n t e q u a t i o n c o n s i d e r i n g t h e r m a l e f f e c t,c a l-c u l a t e s t h e t h e r m a l s t r e s s d i s t r i b u t i o n a n d v i b r a t i o n m o d e s o f t h e s t r u c t u r e u n d e r t h e t h e r m a l l o a d w i t h d i f
7、f e r e n t t e m p e r a t u r e g r a d i e n t s o f t h e s a m e a v e r a g e t e m p e r a t u r e,a n a l y z e s t h e i n f l u e n c e o f n o n u n i f o r m t e m p e r a t u r e l o a d o n t h e n a t u r a l f r e q u e n c y a n d m o d e s h a p e o f t h e s t r u c t u r e.T h e
8、r e-s e a r c h r e s u l t s s h o w t h a t t h e t e m p e r a t u r e g r a d i e n t o f n o n u n i f o r m t h e r m a l l o a d h a s a s i g n i f i c a n t i n-f l u e n c e o n t h e d i s t r i b u t i o n a n d a m p l i t u d e o f t h e r m a l s t r e s s o f t h e s t r u c t u r e;
9、t h e n a t u r a l f r e q u e n c y o f t h e s t r u c t u r e d e c r e a s e s w i t h t h e i n c r e a s e o f n o n-u n i f o r m i t y o f t e m p e r a t u r e l o a d;t h e n o n u n i f o r m t e m p e r a t u r e l o a d h a s g r e a t e r i n f l u e n c e o n t h e m o d e s h a p e
10、s o f t h e s t r u c t u r e w h i c h i s d o m i n a t e d b y p a n e l v i b r a t i o n,a n d l e s s i n f l u e n c e o n t h e m o d e s h a p e s o f t h e s t r u c t u r e w h i c h i s d o m i n a t e d b y s t i f f-e n e r v i b r a t i o n.K e y w o r d s:c o m p o s i t e m a t e r
11、i a l s t i f f e n e d p a n e l;n o n u n i f o r m t e m p e r a t u r e;n a t u r a l f r e q u e n c y;m o d e s h a p e 0 引 言高超声速飞行器在服役过程中会面临高温、噪声和振动等复杂动力学环境,研究表明飞行器大面积区域温度在7 5 01 4 5 0之间1。高温对飞行器动力学特性的影响主要表现在以下2个方面:一是降低了材料的力学性能,使结构刚度明显下降;二是在结构中产生不均匀的热应力,导致结构“刚2 0 2 3年8月舰 船 电 子 对 抗A u g.2 0 2 3
12、第4 6卷第4期S H I P B OA R D E L E C T R ON I C C OUN T E RME A S UR EV o l.4 6 N o.4化”或“软化”。因此,高温可能会使飞行器结构承载能力降低,进而导致结构更容易发生破坏。复杂的动力学环境对高超声速飞行器的结构设计提出了更高要求。近年来,复合材料以其轻质、高比刚度、高比强度和热稳定性好等特点被广泛应用于高超声速飞行器蒙皮等结构中2,其中复合材料加筋板是航空航天领域结构设计中常用的典型构件之一。国内外针对高温环境下结构的振动特性已有较多相关研究。B e h n k e等3研究了热环境对金属薄壁结构低频和中频振动特 性的影
13、响;M a l e k z a d e h等4分析了温变、材料属性等参数对结构固有频率的影响;王宏宏等5研究了加热状态下变厚度导弹翼面模型的振动特性;贺旭东等6研究了热应力对飞行器机翼结构固有频率的影响;李跃明等78以X 4 3飞行器为例,分别考虑了气动加热环境下材料力学性能变化和热应力对结构振动特性的影响。目前研究大多针对传统的金属材料,针对复合材料的相关研究较少。此外,由于气动加热及太阳辐射的影响,高速飞行器在服役过程中通常面临非均匀的热载荷9,而载荷的非均匀程度对结构的稳定性及振动特性有较大影响。因此,有必要针对非均匀温度载荷 下复合材 料结构的振 动 特 性 开 展研究。本文以复合材料
14、加筋板为研究对象,同时考虑温度对材料力学性能和结构热应力的影响,基于计及热效应有限元方程研究非均匀温度载荷对结构振动特性的影响,计算均匀温度场及不同温度梯度的非均匀温度载荷下结构的热应力分布和振动模态,分析非均匀温度载荷对结构固有频率和模态振型的影响。1 理论基础1.1 温度对材料力学性能的影响温度对材料力学性能的影响主要表现在对结构弹性模量的改变。根据若干温度下给定的弹性模量值,对每一个温度区间线性插值,可得温度t下的弹性模量Ee(t)为:Ee(t)=Ee(t0)+Ee(1)式中:Ee(t0)为室温环境下材料的弹性模量;Ee为由温度变化引起的弹性模量的改变量。对于线弹性材料,单元弹性矩阵De
15、由弹性模量E及泊松比决定,因此温度t下单元弹性矩阵De可以表示为初始温度下的弹性矩阵与温差引起的附加矩阵之和,即:De(t)=De(t0)+De(2)单元刚度矩阵为:Ke=OeBeTDeBedOe(3)式中:Be为单元几何矩阵。将式(2)代入式(3)中,可得温度t下单元刚度矩阵:Ke(t)=OeBeTDe(t0)BedOe+OeBeTDeBedOe(4)式 中:Ke(t0)=OeBeTDe(t0)BedOe,KT=OeBeTDeBedOe分别为室温下单元刚度矩阵与温度变化引起的刚度矩阵改变量,则有:Ke(t)=Ke(t0)+KT(5)1.2 热应力对结构刚度的影响板壳类结构在面内力作用下其弯曲
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