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CFRP板架式筏架刚度-阻尼性能研究
| 论文题名： | CFRP板架式筏架刚度-阻尼性能研究 |
| 关键词： | 舰船浮筏隔振系统;板架式筏架;碳纤维复合材料;阻尼性能 |
| 摘要： | 在舰船浮筏隔振系统中，筏架起到支撑机组设备的作用，由于传统钢质筏架的阻尼小，在浮筏隔振系统设计时通常没有考虑筏架阻尼对振动能量的耗散，仅将其作为提供惯性的中间质量看待。如果同时考虑筏架的阻尼，将其看作一个通过阻尼耗散能量的装置，筏架的阻尼会明显提高系统减振效果。碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP）相较于传统的金属材料，除了具备轻质高强、高模量、可设计性好等诸多优势外，还具有良好的阻尼性能，其阻尼损耗因子是金属材料的几十到几百倍。由于碳纤维复合材料很强的可设计性，通过改变纤维/基体组分比、铺层角度、铺层顺序等造成结构刚度的变化均会对结构内部的应力应变分布产生影响，进而影响结构的固有频率、模态振型、阻尼比等，这使得复合材料结构阻尼预测具有较大的困难。本文对一种由筏架上/下板、工字形支撑、方管支撑构成的CFRP板架式筏架刚度变化与其阻尼性能变化的关系展开研究，旨在探究组件中各层合板刚度变化与筏架组件及筏架整体阻尼性能的影响作用关系，对进一步提高浮筏隔振系统减振能力具有实际的工程意义。本文的主要研究内容如下： 首先，以经典层合板理论为基础，推导了层合板刚度理论并在Matlab中编写了层合板正则化刚度系数计算程序，以作为不同铺层下层合板刚度变化的表征工具；基于应变能理论，结合有限元法建立了复杂结构的模态阻尼比预测模型，在Matlab中编写了结构阻尼比以及结构中各层合板不同应力方向的应变能损耗占比计算程序。 其次，利用所建立的阻尼比预测模型计算了筏架上/下板、工字形支撑、方管支撑以及由其构成的工字形支撑筏架和方管支撑筏架在不同铺层角度下的阻尼性能。结果表明在确定的变形模式下，铺层角度决定了层合板作为单独结构或复杂结构中组件的阻尼性能，在复杂结构中各层合板的刚度差异会影响彼此在结构中的应变能损耗占比，调整结构中各层合板的刚度对比可以使应变能损耗的主要区域转移。 最后，设计并制备了CFRP工字形支撑板架式筏架，分别对筏架组件和筏架整体进行模态测试分析，以检验阻尼预测模型的可行性和适用范围。结果表明对于单个构件，筏架上/下板阻尼比最大偏差14.4%，总体与试验值吻合较好；工字形支撑在翼板与腹板应变能损耗占比相近的阶次由于各层合板之间较强的应力相互作用导致阻尼比偏差达到了28.9%，在其余应变能损耗占比差距明显的阶次预测效果较好。对于筏架整体，因采用螺栓联接产生了较大的界面摩擦阻尼，该阻尼预测模型不再适用。此外两种支撑不同布置方式的筏架阻尼比试验值最大变化达到43.6%，表明可通过改变结构刚度来提升其阻尼性能。 |
| 作者： | 马磊 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 张锦光 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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