2.5维树脂基编织复合材料平板固有振动分析

刘杰明; 周标; 温卫东; 张宏建

doi:10.13224/j.cnki.jasp.20210118

2.5维树脂基编织复合材料平板固有振动分析

doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210118

南京航空航天大学能源与动力学院航空发动机热环境与热结构工业和信息化部重点实验室，南京210016

基金项目:

航空动力基金 6141B09050340

详细信息

作者简介:
刘杰明（1995-），男，硕士生，主要研究方向为航空发动机结构动力学。

通讯作者:
周标（1984-），男，副教授，博士，主要研究方向为航空发动机结构动力学。E⁃mail：biao.zhou@nuaa.edu.cn

中图分类号: V250
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出版历程
- 收稿日期: 2021-03-16

Natural vibration analysis of 2.5D resin⁃based braided composite plates

Aero⁃engine Thermal Environment and Structure Key Laboratory of Ministry of Industry and Information Technology，College of Energy and Power Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

摘要

摘要:
开展2.5维T800碳纤维/BMP350聚酰亚胺树脂编织复合材料平板结构固有振动特性的仿真分析与试验研究。首先，分别采用多尺度分析方法和细观尺度有限元分析方法预测复合材料悬臂平板的固有振动特性。其次，开展了复合材料悬臂平板的模态试验，获取其固有振动特性的实测数据。与试验结果对比，仿真预测固有频率最大误差在10%以内，验证了上述两种固有振动分析方法的有效性，可为后续2.5维树脂基编织复合材料叶片的动力学性能分析与设计研究提供参考。
- 2.5维树脂基编织复合材料 /
- 固有振动 /
- 多尺度分析 /
- 有限元分析 /
- 模态试验
Abstract:
Modal vibration characteristics of 2.5D T800 carbon fiber/BMP350 polyimide resin braided composite plates were numerically and experimentally investigated.Firstly,the multi⁃scale method and meso⁃scale finite element method were employed to numerically predict the modal vibration characteristics of the cantilevered composite plates respectively.Secondly,modal behaviors of the cantilevered composite plates were experimentally derived by modal testing.Compared with the experimental results,the maximum error of natural frequency predicted by simulation was 10%,which verified the validity of the above two natural vibration analysis methods.This work could pave the way to the subsequent research concerning dynamic analysis and design of 2.5D resin⁃based braided composite blades.
- 2.5D resin⁃based braided composite /
- natural vibration /
- multi⁃scale analysis /
- finite element method /
- modal testing
注释:

1) 张雪

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图 1 多尺度分析流程

Figure 1. Multi⁃scale analysis process

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图 2 2.5维编织复合材料细观几何模型

Figure 2. Mesoscopic geometric model of 2.5D braided composites

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图 3 经纱微元段局部坐标系与全局坐标系

Figure 3. Local coordinates and global coordinates of the warp yarn differential section

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图 4 双胞模型

Figure 4. Double⁃cell model

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图 5 基于双胞模型的均匀化等效过程

Figure 5. Homogenization equivalent process based on double⁃cell model

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图 6 有限元分析建模流程

Figure 6. Modeling process of finite element analysis

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图 7 2.5维树脂基编织复合材料平板试验件

Figure 7. 2.5D resin⁃based braided composite test plates

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图 8 模态测试约束施加

Figure 8. Restraint of modal test

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图 9 模态测试系统

Figure 9. Modal test system

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图 10 经向2.5维树脂基编织复合材料悬臂平板模态频率测试结果

Figure 10. Test results of modal frequencies of 2.5D warp resin⁃based braided composite cantilevered plates

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图 11 纬向2.5维树脂基编织复合材料悬臂平板模态频率测试结果

Figure 11. Test results of modal frequencies of 2.5D weft resin⁃based braided composite cantilevered plates

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表 1 T800碳纤维和BMP350聚酰亚胺树脂力学性能参数

Table 1. Mechanics properties parameters of T800 carbon fiber and BMP350 polyimide resin

参数	T800⁃12K	BMP350
$E_{11}$ /GPa	294	6.5
$E_{22}$ /GPa	19	6.5
$G_{12}$ /GPa	14	2.43
$G_{23}$ /GPa	6.78	2.43
$ν_{12}$	0.3	0.34
$ν_{23}$	0.4	0.34
$ρ$ /（g/cm³）	1.8	1.2

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表 2 基于双胞模型的2.5维树脂基编织复合材料的弹性参数预测结果

Table 2. Prediction results of elastic parameters of 2.5D resin⁃based braided composites based on the double⁃cell model

胞体类型	$E_{x}$ /GPa	$E_{y}$ /GPa	$E_{z}$ /GPa	$G_{x y}$ /GPa	$G_{z x}$ /GPa	$G_{y z}$ /GPa	$ν_{x y}$	$ν_{z x}$	$ν_{y z}$
内部单胞	27.11	46.55	42.01	4.25	4.50	4.26	0.22	0.24	0.34
外部单胞	25.19	41.02	39.97	4.66	4.87	4.63	0.23	0.24	0.41
双胞模型	26.04	43.70	40.98	4.35	4.69	4.46	0.22	0.24	0.37

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表 3 2.5维树脂基编织复合材料弹性参数预测值与试验值对比

Table 3. Comparison of predicted and tested values of elastic parameters of 2.5D resin⁃based braided composites

弹性参数	预测值/GPa	测试值/GPa	误差/%
$E_{x}$	26.04	25.10	3.61
$E_{y}$	43.70	45.01	⁃3.00

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表 4 多尺度分析方法及细观有限元分析方法计算效率对比

Table 4. Comparison of computational efficiency between multi⁃scale analysis and mesoscopic finite element methods

分析方法	单元数	计算平均时长
有限元分析方法	1.20×10⁶	28 h
多尺度分析方法	7 200	10.2 s

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表 5 经向2.5维树脂基编织复合材料模态测试数据与仿真结果对比

Table 5. Comparison of modal test and simulation results of 2.5D warp resin⁃based braided composites

模态阶次	测试结果		多尺度分析方法			细观尺度有限元分析方法
模态阶次	频率/Hz	振型	频率/Hz	振型	频差/%	频率/Hz	振型	频差/%
1	130.5		144.6		9.7	143.5		9.0
2	580.5		603.7		3.8	557.6		-4.1
3	811.3		904.3		10.3	862.8		9.1
4	1 919.7		1 973.3		2.7	1 836.2		-4.6
5	2 262.1		2 525.7		10.4	2 378.5		8.7

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表 6 纬向2.5维树脂基编织复合材料模态测试数据与仿真结果对比

Table 6. Comparison of modal test and simulation results of 2.5D weft resin⁃based braided composites

模态阶次	测试结果		多尺度分析方法			细观尺度有限元分析方法
模态阶次	频率/Hz	振型	频率/Hz	振型	频差/%	频率/Hz	振型	频差/%
1	149.3		161.3		7.4	146.1		-2.2
2	559.1		556.1		⁃0.5	606.1		7.8
3	931.3		1 007.3		7.6	909.8		-2.4
4	1 828.0		1 873.2		2.4	1 940.5		5.8
5	2 558.9		2 808.3		8.9	2 521.3		-1.5

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参考文献(21)

[1]	GUO Junhua,WEN Weidong,ZHANG Hongjian,et al.Representative cell modeling strategy of 2.5D woven composites considering the randomness of weft cross⁃section for mechanical properties prediction[J].Engineering Fracture Mechanics,2020,237:107255.1⁃107255.24.
[2]	张洪飙.航空发动机设计手册[M].北京：航空工业出版社，2010.
[3]	刘浩龙,崔海涛,温卫东.2.5维机织复杂结构件的静强度[J].航空动力学报,2015,30（3）:656⁃664. LIU Haolong,CUI Haitao,WEN Weidong.Static strength of 2.5 dimensional woven complex structural[J].Journal of Aerospace Power,2015,30（3）:656⁃664.（in Chinese）
[4]	邱睿,温卫东,崔海涛.2.5维机织复合材料疲劳寿命预测方法[J].航空动力学报,2014,29（9）:2113⁃2120. QIU Rui,WEN Weidong,CUI Haitao.Fatigue life prediction method of 2.5 dimensional woven composites[J].Journal of Aerospace Power,2014,29（9）:2113⁃2120.（in Chinese）
[5]	赵哲,温卫东,宋健,等.2.5维机织复合材料的纬向力学性能试验[J].航空动力学报,2017，32（11）:2729⁃2736. ZHAO Zhe,WEN Weidong,SONG Jian,et al.Experimental study on zonal mechanical properties of 2.5D woven composites[J].Journal of Aerospace Power,2017，32（11）:2729⁃2736.（in Chinese）
[6]	SONG J,WEN W,CUI H,et al.Study on static and fatigue behaviors of carbon fiber bundle and the statistical distribution by experiments[J].Journal of Composite Materials,2015,49（25）:3157⁃3168.
[7]	朱永新,崔海涛,温卫东.2.5维机织复合材料经向拉伸弹性模量预测与试验验证[J].复合材料学报,2013,30（3）:198‑204. ZHU Yongxin,CUI Haitao,WEN Weidong.Prediction and experimental verification of meridional elastic modulus of 2.5D woven composites[J].Journal of Composite Materials,2013,30（3）:198⁃204.（in Chinese）
[8]	孔春元,孙志刚,高希光,等.2.5维C/SiC复合材料单胞模型及刚度预测[J].航空动力学报,2011,26（11）:2459⁃2467. KONG Chunyuan,SUN Zhigang,GAO Xiguang,et al.Unit cell of 2.5 dimension C/SiC and its stiffness perdiction[J].Journal of Aerospace Power,2011,26（11）:2459⁃2467.（in Chinese）
[9]	ABARCAR R B,CUNNIFF P F.The vibration of cantilever beams of fiber reinforced material[J].Journal of Composite Materials,1972,6（4）:504⁃517.
[10]	KUANG J H,HSU M H.The effect of fiber angle on the natural frequencies of orthotropic composite pre‑twisted blades[J].Composite structures,2002,58（4）:457⁃468.
[11]	郑君,温卫东,崔海涛,等.2.5维机织结构复合材料的弹性性能预测[J].航空动力学报,2008,23（11）:2031⁃2035. ZHENG Jun,WEN Weidong,CUI Haitao,et al.Elastic property prediction of 2.5 dimensional woven structures composites[J].Journal of Aerospace Power,2008,23（11）:2031⁃2035.（in Chinese）
[12]	郑君,温卫东,崔海涛.几何假设对2.5D机织复合材料刚度预测的影响[C]∥中国航空学会第十四届发动机结构强度振动学术研讨会论文集.贵阳:中国航空学会，2008:418⁃423.
[13]	GREEN S D,MATVEEV M Y,LONG A C,et al.Mechanical modelling of 3D woven composites considering realistic unit cell geometry[J].Composite Structures,2014,118:284‑293.
[14]	郑君,温卫东,崔海涛,等.2.5维机织结构复合材料的几何模型[J].复合材料学报,2008,25（2）:143⁃148. ZHENG Jun,WEN Weidong,CUI Haitao,et al.Geometric model of 2.5‑dimensional woven structure composites[J].Journal of Composites,2008,25（2）:143⁃148.（in Chinese）
[15]	DONG A,LI S,ZHU W.Investigation of elastic parameters of three⁃dimensional full five⁃directional braided composite materials[J].Iranian Journal of Science and Technology,Transactions of Mechanical Engineering,2020,44（1）:119‑128.
[16]	LI J C,CHEN L,ZHANG Y F,et al.Microstructure and finite element analysis of 3D five⁃directional braided composites[J].Journal of Reinforced Plastics and Composites,2012,31（2）:107⁃115.
[17]	XU K,XU X W.Finite element analysis of mechanical properties of 3D five⁃directional braided composites[J].Materials Science and Engineering:A,2008,487（1/2）:499⁃509.
[18]	宋健.2.5维机织复合材料力学行为及寿命预测模型研究[D].南京:南京航空航天大学,2016. SONG Jian.Study on mechanical behavior and life prediction model of 2.5D woven composites[D].Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2016.（in Chinese）
[19]	HALLAL A,YOUNES R,FARDOUN F,et al.Improved analytical model to predict the effective elastic properties of 2.5 D interlock woven fabrics composite[J].Composite Structures,2012,94（10）:3009⁃3028.
[20]	CHAMIS C C.Simplified composite micromechanics equations of hygral,thermal,and mechanical properties[J].Transactions of the Asae,1984,39（3）:999⁃1004.
[21]	赵思波.2.5维编织复合材料叶片振动分析方法研究[D].南京:南京航空航天大学,2015. ZHAO Sibo.Research on vibration analysis method of 2.5⁃dimensional braided composite blade[D].Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2015.（in Chinese）