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针对当前工程实际中纤维增强复合材料圆柱壳结构面临的振动破坏、冲击损伤、疲劳与失效等关键问题，《复合材料圆柱壳振动与冲击特性分析方法》系统性地介绍了复合材料圆柱壳结构线性与非线性振动、低速与高速冲击、振动与冲击一体化分析等问题的建模与求解方法，重点介绍了考虑几何非线性、材料非线性及冲击损伤演化的计算流程与分析方法，提出了基于多目标优化理论的复合材料圆柱壳减振、抗冲击性能优化方法，同时结合作者团队研制的振动与冲击特性测试平台，开展了大量测试验证工作，验证了所提出的理论分析方法的有效性。《复合材料圆柱壳振动与冲击特性分析方法》内容紧跟复合材料结构动力学国际研究前沿，注重理论与实践相结合，既有严谨的数学推导，又不乏丰富的测试数据支撑。
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目录前言第1章 绪论 11.1 纤维增强复合材料圆柱壳结构在工程应用中的振动与冲击问题 11.1.1 纤维增强复合材料概述 11.1.2 纤维增强复合材料圆柱壳结构的工程应用 51.1.3 纤维增强复合材料圆柱壳振动与冲击问题的研究难点与意义 61.2 纤维增强复合材料圆柱壳振动特性的理论研究现状 71.2.1 纤维增强复合材料圆柱壳振动分析的基本理论与方法 71.2.2 纤维增强复合材料圆柱壳振动分析研究现状 81.3 纤维增强复合材料圆柱壳冲击特性的理论研究现状 101.3.1 纤维增强复合材料圆柱壳低/高速冲击分析的基本理论与方法 101.3.2 纤维增强复合材料圆柱壳低/高速冲击分析研究现状 121.4 纤维增强复合材料圆柱壳减振与抗冲击性能优化研究现状 131.4.1 纤维增强复合材料圆柱壳减振性能优化分析研究现状 131.4.2 纤维增强复合材料圆柱壳抗冲击性能优化分析研究现状 141.5 本书主要内容 16参考文献 17第2章 纤维增强复合材料圆柱壳结构制备工艺 242.1 纤维增强复合材料圆柱壳设计流程 242.1.1 设计选材 242.1.2 预制备处理 272.1.3 材料成型 282.2 纤维增强复合材料圆柱壳模压成型工艺 282.2.1 工艺特点和分类 292.2.2 模具设计 302.2.3 固化工艺 312.2.4 冷却脱模 312.2.5 表面修整 322.3 纤维增强复合材料圆柱壳纤维缠绕成型工艺 332.3.1 工艺特点和分类 342.3.2 缠绕规律分类 352.3.3 芯模设计 372.3.4 工艺关键参数 382.4 纤维增强复合材料圆柱壳3D打印成型工艺 402.4.1 工艺特点 402.4.2 工艺关键参数 422.4.3 其他影响因素 442.5 本章小结 45参考文献 45第3章 纤维增强复合材料圆柱壳结构基本力学理论 473.1 纤维增强复合材料圆柱壳结构力学问题的基本方程 473.1.1 基于**壳体理论的复合材料圆柱壳基本方程 473.1.2 基于一阶剪切变形理论的复合材料圆柱壳基本方程 493.1.3 基于高阶剪切变形理论的复合材料圆柱壳基本方程 503.1.4 基于改进的高阶剪切变形理论的复合材料圆柱壳基本方程 513.2 纤维增强复合材料圆柱壳的本构关系 523.2.1 一般各向异性复合材料圆柱壳的应力-应变关系 523.2.2 正交各向异性复合材料圆柱壳在任意方向上的应力-应变关系 553.2.3 正交各向异性复合材料圆柱壳的材料力学参数 573.3 纤维增强复合材料圆柱壳的材料失效准则 613.4 本章小结 63参考文献 64第4章 复合材料圆柱壳线性振动特性建模与分析方法 664.1 复合材料圆柱壳线性振动特性分析模型与动力学方程 664.1.1 模型创建与基本假设 664.1.2 位移场描述 674.1.3 能量表达式 684.2 固有特性求解 704.3 振动响应求解 714.4 复合材料圆柱壳线性振动特性分析方法与流程 724.5 不同边界条件下复合材料圆柱壳线性振动分析与文献验证 734.5.1 考虑截断数影响的固有频率收敛性分析 734.5.2 基于文献的多种边界条件下模型验证 744.6 复合材料圆柱壳线性振动测试与验证 764.6.1 测试对象与测试系统 764.6.2 测试过程与测试结果 774.7 本章小结 80参考文献 81第5章 考虑几何非线性影响的复合材料圆柱壳非线性振动建模与分析方法 825.1 考虑几何非线性影响的复合材料圆柱壳非线性振动建模方法 825.1.1 模型创建与基本假设 825.1.2 位移函数 835.1.3 非线性应变-位移和应力-应变关系 835.1.4 能量表达式与控制方程 845.1.5 非线性动力学方程 855.2 考虑几何非线性影响的复合材料圆柱壳非线性振动特性求解 875.2.1 非线性固有频率和主共振下非线性振动响应求解 875.2.2 超谐波共振下非线性振动响应求解 895.2.3 次谐波共振下非线性振动响应求解 905.3 复合材料圆柱壳非线性振动特性分析方法与流程 915.4 基于文献数据的验证 925.5 本章小结 96参考文献 96第6章 考虑几何和材料非线性影响的复合材料圆柱壳非线性振动建模与分析方法 976.1 考虑几何和材料非线性影响的复合材料圆柱壳非线性振动建模方法 976.1.1 模型创建与基本假设 976.1.2 考虑材料非线性影响的复合材料圆柱壳各向异性材料参数 986.1.3 考虑几何非线性影响的复合材料圆柱壳非线性应力-应变关系 1016.1.4 能量方程和外载荷做功 1026.2 考虑几何和材料非线性影响的复合材料圆柱壳非线性振动特性求解 1036.2.1 非线性固有频率求解 1036.2.2 非线性阻尼比求解 1066.2.3 非线性振动响应求解 1076.2.4 非线性振动分析模型中拟合系数的辨识方法 1086.3 复合材料圆柱壳非线性振动测试与验证 1106.3.1 测试对象与测试系统 1106.3.2 拟合系数辨识结果 1136.3.3 非线性固有频率验证 1166.3.4 非线性阻尼比验证 1196.3.5 非线性振动响应验证 1216.4 本章小结 125参考文献 125第7章 复合材料圆柱壳低速冲击特性建模与分析方法 1287.1 低速冲击特性分析模型的创建 1287.2 低速冲击特性求解 1297.2.1 本构关系 1297.2.2 应力-应变和失效准则 1307.2.3 位移方程 1307.2.4 冲击接触力 1317.2.5 冲击失效事件下结构低速冲击特性求解 1337.3 复合材料圆柱壳低速冲击特性分析方法与流程 1347.4 基于有限元仿真计算数据的验证 1357.5 复合材料圆柱壳低速冲击测试与验证 1387.5.1 测试对象与测试系统 1387.5.2 测试过程 1407.5.3 验证结果分析 1417.6 关键参数对复合材料圆柱壳低速冲击特性的影响 1447.6.1 冲击速度的影响 1447.6.2 冲击器质量的影响 1457.6.3 铺层参数的影响 1457.7 本章小结 146参考文献 147第8章 复合材料圆柱壳高速冲击特性建模与分析方法 1488.1 高速冲击特性分析模型的创建 1488.2 高速冲击特性求解 1498.2.1 考虑应变率效应的材料参数 1498.2.2 位移场与本构关系 1508.2.3 冲击损伤失效判据 1518.2.4 损伤演化 1528.2.5 冲击位移假设 1548.2.6 控制方程 1558.2.7 高速冲击参数求解 1588.3 复合材料圆柱壳高速冲击特性分析方法与流程 1618.4 复合材料圆柱壳高速冲击测试与验证 1638.4.1 测试对象 1638.4.2 测试系统与测试过程 1638.4.3 测试结果与验证 1668.5 关键参数对复合材料圆柱壳高速冲击特性的影响 1688.5.1 弹体半径与总厚度比的影响 1688.5.2 弹体与结构质量比的影响 1708.5.3 纤维铺层方式的影响 1718.6 本章小结 172参考文献 173第9章 复合材料圆柱壳减振、抗冲击与减重性能优化设计 1749.1 复合材料圆柱壳性能的多目标优化设计模型与算法 1749.1.1 优化目标 1749.1.2 设计变量及约束条件 1759.1.3 NSGA-Ⅱ及其优化流程 1769.1.4 WOA及其优化流程 1819.1.5 多目标优化结果评估函数 1869.1.6 优化算法的有效性验证 1869.2 考虑减振、抗冲击与减重性能的单目标优化设计与分析 1899.2.1 复合材料圆柱壳减振性能单目标优化设计与结果分析 1899.2.2 复合材料圆柱壳抗冲击性能单目标优化设计与结果分析 1919.2.3 复合材料圆柱壳减重性能单目标优化设计与结果分析 1939.3 考虑减振、抗冲击与减重性能的多目标优化设计与分析 1949.3.1 复合材料圆柱壳减振与抗冲击性能优化设计与结果分析 1949.3.2 复合材料圆柱壳减振与减重性能优化设计与结果分析 1979.3.3 复合材料圆柱壳减振、抗冲击与减重性能优化设计与结果分析 1999.4 本章小结 201参考文献 202
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第1章绪论 1.1纤维增强复合材料圆柱壳结构在工程应用中的振动与冲击问题 1.1.1纤维增强复合材料概述 纤维增强复合材料是由纤维与基体材料构成的先进复合材料，因具有高比强度、高比刚度、低密度、抗腐蚀、可设计性强等优点，广泛应用于航空、航天、兵器、核工业、船舶、汽车、建筑等领域。其中，纤维作为增强材料均匀地分布在基体中，发挥主要的承载作用；基体对不同铺设参数的纤维层起到一定的黏结作用，承受和传递不同纤维层间的剪切力，并在垂直于纤维方向承受部分拉压力，同时保护纤维不受化学腐蚀和机械损伤[1，2]。在工程实践中，纤维材料和基体材料的种类繁多，为了满足纤维增强复合材料在不同工作环境下的力学性能需求，以及充分发挥纤维的承载作用，在设计和制备过程中的纤维增强复合材料主要为由纤维与基体组成的层合结构，如图1.1所示。 图1.1纤维增强复合材料示意图 在实际应用中，常按照增强材料的形态，将纤维增强复合材料分为连续纤维复合材料、短纤维复合材料、颗粒填充复合材料、片状填充复合材料、编织复合材料和缠绕复合材料等形式，如图1.2(a)所示；也可按照基体材料和纤维材料的种类对纤维增强复合材料进行分类，其中，基体材料通常包括树脂基、金属基、陶瓷基和碳素基等，纤维材料包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅(SiC)纤维、芳纶纤维(Kevlar纤维)等，如图1.2(b)所示。 图1.2纤维增强复合材料分类 下面对不同种类的纤维材料进行简单介绍。玻璃纤维是纤维增强复合材料中应用非常广泛的增强体，包括E型玻璃纤维(无碱玻璃纤维和电绝缘纤维)和S型玻璃纤维(高强度玻璃纤维)等。玻璃纤维的优点有拉伸强度高、良好的绝缘性能和较大的延伸率；但是其脆性大、比模量较低，与铝接近。碳纤维复合材料是为满足宇航、导弹及航空等尖端领域需求而发展起来的高性能增强材料，它具有密度小、强度高、模量高、耐热性能优异等特点，是目前*受重视的先进纤维材料之一。碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳，分为高强度碳纤维、高模量碳纤维和超高模量碳纤维等多种不同的牌号。高模量碳纤维和超高模量碳纤维还需经过石墨化处理，因此也称为石墨纤维。芳纶纤维是一类芳香族聚酰胺合成有机纤维，它具有很高的强度和较高的模量，以及很小的热膨胀系数和良好的绝缘性能，是玻璃纤维很好的代替物。硼纤维是由硼有序的在钨丝上沉积制成的复合纤维，它具有较高的强度和模量，以及良好的抗高温性能和抗氧化性能，但成本较高。碳化硅纤维是典型的陶瓷纤维，在形态上具有晶须和连续纤维两种类型，它具有良好的抗高温、耐腐蚀和抗氧化性能，与金属的亲和力较强。 上述纤维增强复合材料相对于传统金属材料的性能优势可概括为以下几点[1-3]： (1)比强度、比刚度高。比强度指材料的强度与密度之比，比刚度指材料的刚度与密度之比，它们是在等质量前提下衡量材料承载能力和刚度特性的重要性能指标。较高的比强度和比刚度表明，纤维增强复合材料能够制成承载性能好且质量较轻的结构。 (2)比模量高。除玻璃纤维环氧复合材料外，上述纤维增强复合材料的比模量均比金属材料高得多，其中高模量碳纤维材料*为突出。 (3)耐高温。通常铝合金能在200～250℃的环境下工作，温度越高，其弹性模量和强度越低。碳纤维/铝基复合材料能在400℃的环境下长期工作，并且其力学性能稳定。碳化硅纤维/陶瓷基复合材料能在1200～1400℃的环境下工作，碳/碳复合材料能承受更极端的高温环境。 (4)耐腐蚀。很多复合材料都耐酸碱腐蚀，如玻璃纤维/酚醛树脂复合材料能够在含氯离子的酸性介质中长期工作，可用于制造耐强酸、高盐、高脂的化工管道和容器等设备；某些耐碱玻璃纤维或碳纤维/树脂基材料还能够在强碱介质中服役和使用。 (5)抗疲劳。纤维增强复合材料在纤维方向受拉压时的疲劳特性，比传统的金属材料好得多。金属材料的疲劳破坏通常是由内部向外部破坏，经过渐变而突然扩展；纤维增强复合材料的疲劳破坏则是从纤维或基体的薄弱环节开始，并逐渐扩展到结合面上。另外，在损伤较多且尺寸较大的情况下，纤维增强复合材料在破坏前有显著的征兆，这为其损伤检测提供了可靠的判断依据。 (6)可设计性强。纤维增强复合材料的可设计性能，一般是指通过改变纤维的体积百分比和增强方式，可在较大的范围内改变材料某些性能指标。此外，纤维增强复合材料的铺层设计也为该类型材料与结构设计提供了广阔的应用空间，使得在均质各向同性[C1]材料上无法实现的设计思想可以在纤维增强复合材料上发挥重要指导作用，特别是纤维/金属、纤维/夹芯、纤维/黏弹性[C2]等混杂复合材料及其结构，良好的可设计性更能体现出*特优势与应用潜力。 各种主要纤维材料与金属材料的基本性能如表1.1所示，表中还给出了钢、铝等金属材料的性能参数。 在基体材料方面，树脂基材料常分为热固性树脂和热塑性树脂两大类。其中，热固性树脂包括环氧树脂、酚醛树脂和聚酯树脂等。环氧树脂在实际应用中*为广泛，其主要优点是黏结力强、与增强纤维表面浸润性好、固化成型方便等；酚醛树脂的主要优点是耐高温性好、吸水性小、电绝缘性好、价格低廉等；聚酯树脂的主要优点是工艺性好、可室温固化、价格低廉等，但其固化时收缩大、耐热性低。常见的热塑性树脂有聚酰胺(polyamide，PA)(又称尼龙)树脂、聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)树脂和聚碳酸酯(polycarbonate，PC)树脂等。该类型基体材料的成型主要是通过热塑性树脂的熔融、流动、冷却、固化等物理状态的变化来实现的。物理状态的变化是可逆的，因此热塑性树脂基体材料可以反复使用。热塑性树脂加热到转变温度时会重新软化，易于制成模压复合材料。常用树脂基材料的力学性能如表1.2所示。 金属基材料主要用于耐高温或其他特殊需要的场合，应用相对较成熟的金属基材料有铝基、镁基、镍基和钛基等。金属基复合材料在制备工艺过程中涉及高温、增强材料的表面处理、复合成型等复杂工艺，因此这类材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决于其制造技术。 陶瓷基材料主要以已结晶和非结晶两种形态的化合物存在，按照组成化合物的元素不同，可以分为氧化物陶瓷(氧化铝、氧化锆)、碳化物陶瓷(碳化硅、碳化硼)、氮化物陶瓷(氮化硅、氮化硼)等。陶瓷基材料具有耐高温、化学稳定性好、抗压强度高等*特优势，但材料的脆性很难克服，且耐冲击性较差。 1.1.2纤维增强复合材料圆柱壳结构的工程应用 纤维增强复合材料圆柱壳结构在航空航天领域得到了广泛应用[4-6]，如飞机机身[7，8]、发动机机匣、导弹外壳[9，10]等。例如，波音公司的波音787梦想客机的前部机身、中部机身和后部机身，其中大部分采用了碳纤维增强复合材料圆柱壳结构，如图1.3(a)所示，这种设计可以显著减轻飞机的整体重量，提高燃油效率，并且具有更好的抗腐蚀性能和更长的使用寿命。在发动机机匣方面，GE90发动机机匣采用纤维/树脂复合材料制造，如图1.3(b)所示；C919飞机的发动机包容机匣采用碳纤维增强复合材料制造[11]，如图1.3(c)所示；北京航空材料研究院研制的碳纤维/聚酰亚胺复合材料机匣[12]如图1.3(d)所示。采用复合材料圆柱壳结构的发动机机匣具有优异的抗腐蚀性能，能够在恶劣环境下长期使用而不易受到腐蚀和氧化的影响，并且能够延长机匣的使用寿命。对于导弹外壳，纤维增强复合材料圆柱壳结构同样被广泛运用，如图1.3(e)所示。纤维增强复合材料圆柱壳结构能为导弹提供高速飞行时应对气流激振所需的结构强度和刚度，同时减轻导弹的整体重量，提高导弹的飞行速度和稳定性。纤维增强复合材料圆柱壳结构具有优异的耐腐蚀性和耐磨损性，能够延长涵道管的使用寿命并降低维护成本。在海洋工程领域，纤维增强复合材料圆柱壳结构同样表现出色，在水下爆炸作用时，其良好的阻尼性能与抗冲击响应特征有助于提高无人水下航行器、自主式水下航行器等外壳防护结构的抗爆、抗冲击能力[13]，如图1.3(f)所示。 图1.3纤维增强复合材料圆柱壳结构的工程应用实例 1.1.3纤维增强复合材料圆柱壳振动与冲击问题的研究难点与意义 随着纤维增强复合材料圆柱壳的广泛应用，人们对其安全性、经济性和各项性能指标提出了越来越高的要求，相应地对其建模、分析、测试方法的可靠性、合理性也提出了更高的要求。目前，针对不同种类的纤维增强复合材料及结构，国内已经出版了多本关于复合材料力学和复合材料结构力学方面的书籍，但书中内容主要集中在材料学、静力学测试与分析范畴，大多数关注的是材料的应力-应变关系、拉压变形、静态强度、稳定性、静态屈*、损伤破坏、静态及准静态疲劳等问题，较少关注动态载荷引发的各种复杂振动问题及现象。但随着纤维增强复合材料的结构形式越来越复杂、振动与冲击载荷条件越来越多样化、工作环境越来越苛刻，复合材料结构非常容易出现纤维断裂、基体开裂、分层损伤、结构破坏等问题[14-16]。例如，航空发动机纤维增强复合材料机匣和飞行器复合材料机身等，因长期工作在大幅值基础激励(由转子不平衡振动、外部管路系统振动、高速气流激振等引发)和易受冲击(鸟撞、冰雹撞击及跑道异物冲击等)的环境下，会不可避免地出现多种类型结构损伤与破坏问题(图1.4)，极易引起重大安全事故。因此，针对纤维增强复合材料圆柱壳振动与冲击特性的分析方法，以及在掌握其动态力学行为特点的基础上，研究其抗振动、耐冲击性能的优化设计等问题，从而获得动态力学性能更加优异的复合材料圆柱壳结构，具有重要的科学意义和工程应用价值。
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