复合材料闭合薄壁梁的模态阻尼预测

【摘要】：随着社会的不断发展,人们对能源的需求也日益增加,煤、石油等能源急剧减少,发展和利用新型可再生能源已迫在眉睫。而风能作为一种取之不尽、用之不竭、无污染的新型能源被得到认可,利用风力机发电在许多国家已经开展起来。典型的大型风力机叶片多采用闭合薄壁式复合材料结构,并且在航空航天结构中也广泛应用,现代新型直升机旋翼系统的桨叶就采用复合材料薄壁结构,因此,复合材料闭合薄壁梁结构研究具有重要价值,对推进绿色能源的有效利用具有十分重要的意义。 本文首先研究了单闭室复合材料薄壁梁的1D耦合自由振动,基于Hamilton原理并结合复合材料薄壁梁的二维截面内力(矩)与位移(转角)关系方程,导出单闭室截面复合材料薄壁梁的1D耦合自由振动分析模型,采用Galerkin法求解振动模型,获得了薄壁梁的第一阶挥舞弯曲为主和第一阶扭转为主振动固有频率的近似解。其次,采用复合材料刚度和阻尼的细观力学理论分别计算复合材料单层的偏轴刚度与偏轴阻尼特性,并在任意变形模式下,计算复合材料闭合薄壁梁的耗散能。第三,采用最大应变能理论导出复合材料薄壁梁等效模态阻尼比的计算公式,在复合材料闭合薄壁梁阻尼数值分析过程中,讨论了纤维铺层角、薄壁梁长宽比以及截面宽高比对薄壁梁的阻尼性能的影响。研究表明,复合材料闭合薄壁梁的模态阻尼随纤维铺设角的变化而变化,能够产生明显的影响,而且在预测梁的模态阻尼比时必须考虑横截面宽高比的影响,但是梁的长宽比对薄壁梁的模态阻尼没有明显影响。 最后,描述了风力机叶片复合材料试样制作实验的具体步骤,介绍了动态热机械分析仪的使用原理,给出复合材料组分的耗散因子和储能模量表达式,通过DMA测试风力机叶片复合材料试样的耗散因子和储能模量。