基于应变能损耗的形状记忆合金丝内植复合材料的振动控制

As a structural reinforcement and energy-intensive materials, shape memory alloy (SMA) wires are commonly used in structural vibration control. Composite structures made of high performance fiber reinforced thermo-setting composites. Although the damping of the composite is relatively large, the presence of the uneven distribution of internal damping and large vibration disturbance which needs the implantation of the SMA wires to obtain a proper vibration control. In this project, an composite yarn are made in combination of a SMA wire core and high performance fiber outer layer. A finite element model of composite unit-cell which includes a multi-scale structure of fiber-yarn-fabric is established based on the strain energy loss theory and finite element simulation technique. The relationship between the yarn architectures and the vibration properties of the composite structures is obtained. After modified by free vibration and wind-induced vibration tests, this relational model can support for the design of the shape memory alloy implanted composites damping structures.

形状记忆合金丝作为结构增强以及耗能材料，常用于结构的振动控制。尽管高性能纤维增强树脂基复合材料阻尼比较大，但其存在内部阻尼分布不均、振动扰动较大等缺陷，因此需要将形状记忆合金丝植入复合材料结构内部以改善其振动性能。本项目制备形状记忆合金细丝作为纱线芯层，高性能纤维作为纱线外层的复合纱线，从复合材料细观结构的动力学性能入手，建立关于复合材料单胞的纤维-纱线-织物的多尺度有限元模型；利用应变能损耗和有限元仿真技术，求出单胞的等效阻尼系数。找出纱线、织物结构与复合材料结构振动性能的关系，并通过复合材料的自由振动以及风振实验，对模型进行修正，为形状记忆合金内植复合材料减振结构的设计提供算法支持。

项目以形状记忆合金细丝作为复合材料的内植增强材料，高性能纤维作为纱线外层的复合纱线，从复合材料细观结构的动力学性能入手，建立关于复合材料单胞的纤维-纱线-织物的多尺度有限元模型；利用应变能损耗和有限元仿真技术，求出单胞的等效阻尼系数。找出纱线、织物结构与复合材料结构振动性能的关系，并自主搭建了力锤冲击与风洞激励型复合材料悬臂板振动测试系统，通过信号采集与快速傅里叶变换技术，采集了不同冲击力下复合材料悬臂板的自由振动以及风振实验中振频、阻尼的特征，讨论了复合材料悬臂板在自由阻尼振动以及受迫振动下的振动特征。结合应变能损耗模型，得到如下结论，对阻尼耗能材料的结构设计，如航天器的减振设计提供指导：(1) 基于阻尼耗能材料的减振设计，阻尼材料整体连续，分布规律性不均能够显著分散动态载荷，形成良好的耗能，对于风振作用尤其显著。(2) 材料切应力方向上的阻尼较正应力方向更显著提升结构整体的振动耗能特性；(3) 内植的预应力能够显著控制结构振动振型，降低振幅；（4）形状记忆合金植入复合材料内部有效的方式是植入阻尼特性不同的相邻单元之间，对其进行铆合。另外，项目基于复合材料内部应变能理论，对具有良好阻尼结构的天然复合材料蜂窝、核桃壳和竹子结构进行研究，分别对之进行建模分析，得到系列结论。