复合材料板壳耦合结构高频动响应的试验与计算研究

The prediction of high-frequency dynamic response is one of important research content in the stage of structure design for supersonic aircraft . Energy finite element method (EFEM) is a very promising new approach to solve the high-frequency dynamic response of composite structure, because of it's ability of predicting the detail response information.The research work focus on the two key issues involved in predicting high-frequency dynamic response of anisotropic composite structures with EFEM: 1.the difference between the direction of group velocity and the direction of wave propagation direction 2.discontinuity of energy density at the conjunction. Aimed at the fiber reinforced composite material, by using of experimental and numerical method, the angle dependence of wavenumber caused by the non-uniform, non-diffuse elastic wave in anisotropic structure is studied, the rule of energy flow in composite plate and shell structures is surveyed, the governing equation which take the energy density as variable for these structures is formulated; further, the property of energy flow in built up structures composed of plate and shell is explored, the energy transfer characteristic at the junction is investigated, the effect of anisotropy in composite on energy distribution and energy transfer is revealed; in addition, the code based on EFEM is developed to predict the high frequency dynamic response of composite structures.

超音速飞行器中复合材料部件的高频动响应预示是飞行器结构设计的关键内容之一。能量有限元法在结构高频动响应预示方面具有能够预示局部细节响应信息的独特优势。针对目前能量有限元方法预示复合材料结构高频动响应时存在的两个瓶颈问题：介质各向异性导致的波群速度方向与波传播方向不一致和耦合接头处能量密度的不连续性问题，本研究采用试验和计算相结合的方法，以单层连续纤维增强复合材料板、壳基本构件及板-壳耦合结构为对象，研究各向异性结构中非均匀、非扩散弹性波引起的波数的空间角依赖性，建立复合材料板结构的能量密度控制方程；研究各向异性板壳耦合结构界面处的能量流动特征，揭示复合材料各向异性特征对耦合界面处能量分布和能量传递的影响规律；并开发可应用于复合材料板壳结构的能量有限元分析软件，以期获得复合材料结构高频动力学响应的精确预示。

超音速飞行器中复合材料部件的高频动响应预示是飞行器结构设计的关键内容之一。能量有限元法在结构高频动响应预示方面不仅可以克服有限元法在预示结构高频响应问题时计算成本高、不确定性强的缺点，同时可以弥补统计能量法无法预测子系统内响应分布的不足，是一种非常具有研究价值和发展前景的结构高频响应预示方法。特别是由于能量有限元法具有局部细节响应分析能力，特别适合于求解各向异性复合材料结构的高频动响应问题。但由于该方法发展历程较短，对各向异性结构尚未建立完善的理论。为此，本项目以正交各向异性结构为研究对象，针对能量有限元方法预示正交各向异性结构存在的问题，建立精确预示正交各向异性结构高频动响应的能量有限元理论与方法。主要研究内容和成果包括：(1)研究了正交各向异性结构中非均匀、非扩散弹性波引起的波数的空间角依赖性，基于复合材料理论建立了正交各向异性薄板结构弯曲波、纵波和剪切波的能量密度控制方程；(2)研究了正交各向异性板板耦合结构界面处的能量流动特征，基于波动力学刚度矩阵理论建立了直接耦合和加筋板耦合两种板板耦合结构界面处的能量转移系数的计算模型，揭示了复合材料正交各向异性特征对耦合界面处能量分布和能量传递的影响规律；(3)设计制作项目研究内容所涉及的相应实验件（单构件正交各向异性平板和加筋正交各向异性平板），对试件施加单点高频激励，测试试件上的振动响应。验证了本项目建立的正交各向异性结构振动响应预示的能量有限元方法的正确性；获得了分析正交各向异性复合材料结构的具有较高求解精度的能量有限元理论与方法。