T700碳纤维复合材料圆柱壳振动特性的实验与有限元分析研究

本研究针对碳纤维增强复合材料(CFRP)圆柱壳的振动特性问题，通过实验测试与有限元分析相结合的方法，系统研究了铺层数、铺层顺序、铺层角度、长径比(L/R)和厚径比(h/R)等参数对薄壳(h/R≤0.05)和厚壳(h/R≥0.1)基频的影响规律。研究发现厚壳对铺层角度变化更敏感，[θ/?θ]2铺层顺序比[90/θ/?θ/90]更具角度敏感性，为复合材料壳体结构设计提供了重要依据。

　　

碳纤维增强塑料(CFRP)因其优异的强度重量比、耐腐蚀性和设计灵活性，已成为工程应用中广泛使用的高性能材料。其中圆柱壳结构在管道、潜艇船体和水下航行器等关键工程结构中具有重要应用，经常承受动态载荷引起的振动。然而，现有研究存在两个关键空白：一是对复合材料厚圆柱壳振动行为的研究有限，厚壳的剪切变形和法向应力效应不可忽略；二是缺乏几何参数(h/R和L/R比)与材料各向异性对不同边界条件下振动特性影响的系统量化分析。

为解决这些问题，西北工业大学的研究团队在《Applied Surface Science》发表了题为"Experimental and analytical investigation of vibration characteristics in T700 carbon fiber composite cylindrical shells"的研究论文。该研究通过实验模态测试和有限元模拟相结合的方法，系统研究了T700碳纤维复合材料圆柱壳的自由振动特性。

研究采用了多项关键技术方法：通过模态测试获取结构固有频率和振型；采用ABAQUS 2022建立三维有限元模型，使用C3D20R单元进行网格划分；通过超声无损检测确保试样质量；采用多参考点最小二乘复频域(PolyLSCF)方法进行模态参数识别；对薄壳(h/R≤0.05)和厚壳(h/R≥0.1)进行全面的参数化研究。

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   实验测试

   2.1. 试样设计与制造

   采用T700级碳纤维和环氧树脂基体，制造内径200mm、外径210mm、长度410mm的圆柱壳试样，通过高温高压固化工艺确保材料均匀性。

2.2. 测试方法与仪器

采用多点激励单点响应测量方法，使用力锤施加脉冲激励，加速度传感器记录动态响应，通过动态信号采集系统获取频率响应函数。

2.3. 无损检测

采用相控阵探伤仪进行超声检测，B扫描结果显示试样无缺陷，为后续实验提供了可靠基础。

2.4. 实验流程

在试样表面标记72个测量点，采用弹性绳悬挂模拟自由-自由边界条件，通过多次有效锤击获取数据。

2.5. 测试结果

获得前10阶固有频率和相应振型，基频为932.761 Hz，第一阶振型为轴向半个波和圆周两个波。

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   有限元分析

   3.1. 有限元模型

   建立三维有限元模型，使用56074个C3D20R单元，通过网格独立性验证确认模型可靠性。

3.2. 有限元结果与分析

有限元计算结果与实验数据最大误差为8.13%，验证了模型的准确性。

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   参数研究

   4.1. 铺层数影响

   在所有边界条件下，结构基频随铺层数增加而增大，这是由于结构刚度增加所致。

4.2. 铺层顺序影响

研究发现壳体的固有频率对铺层角度的敏感性大于对铺层顺序的敏感性。

4.3. 铺层角度影响

[θ/?θ]₂铺层顺序比[90/θ/?θ/90]对铺层角度变化更敏感，厚壳比薄壳表现出更明显的角度敏感性。

4.4. 长径比影响

在自由-自由边界条件下，长径比对基频影响可忽略；在简支-简支和固支-固支条件下，频率随长径比增加而降低。

4.5. 厚径比影响

随着厚径比减小，频率值逐渐降低，曲线趋于平缓，表明壳体厚度对固有频率有显著影响。

研究结论表明：(1)壳体固有频率对铺层角度的敏感性大于铺层顺序；(2)[θ/?θ]₂铺层顺序比[90/θ/?θ/90]对角度变化更敏感；(3)厚壳比薄壳对铺层角度变化更敏感；(4)在自由-自由条件下，长径比影响可忽略；(5)铺层角度变化和厚径比变化都会显著影响基频。这些发现为碳纤维复合材料圆柱壳的结构设计和优化提供了重要参考，特别是对厚壳结构的动力学行为提供了新的实验验证见解。

该研究的创新之处在于首次系统比较了薄壳和厚壳对铺层参数的敏感性差异，并通过实验验证了有限元模型的准确性。研究结果对航空航天、海洋工程等领域中复合材料壳体的振动控制和优化设计具有重要指导意义。