基于模态柔度的复合材料梁层间损伤定量识别技术研究

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由于复合材料具有比强度大、比刚度高、抗疲劳性能好等特点,因此在航空、航天等领域已被广泛应用。对复合材料结构的无损检测,已成为促进航空、航天工业发展,实现质量控制,保证航空结构安全使用的关键。本文为了研究模态柔度曲率改变率法对复合材料梁层间损伤的检测,主要研究内容有以下几点:  (1)探究一种有效的基于振动曲率模态定量检测复合材料层间损伤的方法。该方法通过检测复合材料结构振动响应和动力参数的变化,将无损伤结构单元的动力参数与有损伤结构进行比较,当复合材料损伤时其模态参数会因结构损伤而发生变化,其柔度必然会随之增加,通过这些参数变化检测出损伤大小以及损伤位置等。  (2)在有限元分析上,应用有限元软件ABAQUS6.10模拟出有损伤和无损伤复合材料梁的固有频率和各单元振型位移值并计算出模态柔度曲率改变率(MFCI)值,进而检测出复合材料梁损伤位置。以检测含不同分层损伤的复合材料简支梁为算例,结果表明损伤单元MFCI的值分别为2.5950,1.0434,0.3692,明显高于各无损伤单元MFCI的平均值0.0070,并且它所对应的横坐标的值反映出损伤位置,发生突变单元的间距反映出损伤的大小,它们MFCI的值不同可以间接反映出损伤的程度不同,并发生在不同的层上。  (3)在实验方法上,利用锤击法测量计算出复合材料梁的前三阶固有频率和加速度幅值,并利用频谱转换法将加速度幅值转换成振型位移幅值,计算出复合材料梁的模态柔度曲率改变率(MFCI)值。实验结果表明损伤单元MFCI的值5.2006明显高于各无损伤单元MFCI的平均值0.7205,并且它所对应的横坐标的值反映出损伤位置,发生突变单元的间距反映出损伤的大小;三个不同层上损伤MFCI的值分别为5.2006、5.9828、6.8830,可以间接反映出损伤发生在不同的层间位置上。多损伤的情况下,损伤MFCI的平均值为1.192也能识别出损伤位置,但比单损伤MFCI的平均值5.294小很多,说明复合多损伤互相干扰,消弱了损伤识别的效率。最后通过有限元分析和实验结果的对比从理论和实际两个角度证明了模态柔度曲率改变率法对判断含分层损伤的复合材料梁有显著效果。
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