一种融合CLT、Vinson–Sierakowski方法与3D有限元分析的多精度框架，用于对称层压CFRP梁的模态预测与参数化设计

《Journal of Composites Science》：A Multi Fidelity Framework Integrating CLT, Vinson–Sierakowski Method, and 3D Finite Element Analysis for Modal Prediction and Parametric Design of Symmetrically Laminated CFRP Beams

　　

摘要

层压碳纤维增强聚合物（CFRP）梁被广泛用于轻量化结构中，但其振动响应很大程度上取决于层合结构、边界条件、厚度以及材料的各向异性。以往的研究通常分别探讨这些因素，或仅采用单一的分析或数值方法。本研究提出了一种多精度框架，整合了经典层合理论（CLT）、Vinson–Sierakowski（VS）等效模量法以及三维有限元分析，用于对称CFRP层合梁的模态预测与参数设计。研究了[0/0/0/0]、[0/45/45/0]和[0/90/90/0]三种层叠顺序在自由固定（CF）和两端固定（CC）两种条件下的性能。以使用二次HEX20实体元素的ANSYS模型作为数值参考。在36个验证频率下，CLT方法的平均绝对百分比误差为3.05%，而VS方法的误差为2.28%，后者平均误差低25.1%。[0/0/0/0]层合结构产生的频率最高。当边界条件从自由固定变为两端固定时，其首个数值频率从36.37 Hz上升至230.20 Hz。厚度从2毫米增加到8毫米时，该频率从18.20 Hz升至72.62 Hz；而E₁/E₂比值从10升高到30时，该频率则从30.80 Hz上升到53.85 Hz。该框架有助于快速筛选、层合结构级分析以及针对振动特性的复合梁设计的详细数值验证。