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摘 要

碳纤维复合材料是广泛应用于航空航天等领域的高性能材料，多应用于动荷载环境中，随机或周期荷载激励引起的振动不可忽略。精确测量其动态特性，并获得准确的宏观力学参数，是碳纤维复合材料结构动力学研究应用中的关键。

常见的模态测量方法为电测传感器法和激光多普勒法。本文使用基于相位扰动的电子散斑干涉的实时减法，搭建了电子散斑干涉离面位移测量系统，进行碳纤维复合材料的离面振动性能测量。

通过试验测量了碳纤维复合材料的固有频率和全场模态条纹。提出了电子散斑干涉全场模态数值获取的两种方法：数值拟合和有限元模型修正。基于数值拟合完成材料的幅频特性和阻尼因子测量。提出了固有频率测量误差范围的定量估计方法。研究了试验中发现的碳纤维复合材料的非线性振动特性，提出了用倍频响应获取主振动响应信息的试验思想。基于实际试验，比较分析电子散斑干涉和传统的电测模态试验方法。最后基于光测试验数据完成了碳纤维复合材料弹性模量场的有限元模型修正。

关键词：碳纤维复合材料，电子散斑干涉，动态测量，非线性振动，弹性模量场

Abstract

Carbon fiber composite is a high performance material widely used in aerospace and other fields. It is used in dynamic load environment, and the vibration caused by random or periodic load can not be ignored. Accurate measurement of its dynamic characteristics and accurate macro mechanical parameters is the key to the study of structural dynamics of carbon fiber composites.

Common modal measurement methods are electrical sensor methods and laser Doppler methods. In this paper, a real-time subtraction of electronic speckle pattern interferometry based on phase disturbance is used to establish an electronic speckle interferometric displacement measurement system for out-of-plane vibration measurement of carbon fiber composites.

The natural frequencies and full field mode fringes of carbon fiber composites are measured by experiments. Two methods for obtaining full field mode values of electronic speckle pattern interferometry are presented: numerical fitting and finite element model updating. The amplitude frequency characteristic and damping factor of the material are measured based on numerical fitting. A quantitative estimation method for measuring the error range of natural frequency is proposed. The nonlinear vibration characteristics of carbon fiber composites found in the experiment are studied, and the experimental idea of obtaining the main vibration response information by the multiple-frequency response is presented. Based on actual experiments, the methods of electronic speckle pattern interferometry and traditional electric mode test are compared and analyzed. Finally, the finite element model updating of the elastic modulus field of the carbon fiber composite is completed based on the optical test data.

KEY WORDS: carbon fiber composite, electronic speckle pattern interferometry, dynamic measurement, nonlinear vibration, elastic modulus field

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 碳纤维编织复合材料概述 1

1.2 振动特性试验方法 1

1.2.1 典型的模态试验方法 1

1.2.2 光学方法 1

1.3 复合材料力学参数识别 2

第二章 电子散斑干涉技术 3

2.1 光波干涉原理 3

2.1.1 光波公式 3

2.1.2 光的相干条件 3

2.2 电子散斑干涉技术 4

2.2.1 电子散斑干涉变形测量原理 4

2.2.2 电子散斑干涉模态测量 5

2.2.1 基于相位扰动的实时减法 7

第三章 碳纤维复合板的振动特性研究 9

3.1 试验材料及方法 9

3.1.1 试件参数 9

3.1.2 实时减法试验系统 9

3.2 复合材料悬臂试件振动试验 10

3.2.1 固有频率及模态条纹图 10

3.2.2 模态测量 15

3.2.3 阻尼特性 15

3.2.4 固有频率测试误差分析 17

3.2.5 对试验的影响 19

3.3 非线性振动特性 19

3.3.1 非线性特征 20

3.3.2 碳纤维复合材料悬臂试件的超谐波共振 20

3.3.3 超谐波共振的幅频曲线 23

3.3.4 通过倍频响应获取主振动频率 24

第四章 电子散斑干涉模态试验优势分析 25

4.1 电测对照试验 25

4.1.1 试验系统 25

4.1.2 试验结果与分析 26

4.2 电子散斑干涉模态试验应用 27

4.2.1 基于灵敏度分析的模型修正方法 27

4.2.2 基于固有频率的灵敏度修正与实际模型建立 28

4.2.3 基于光测试验数据的弹性模量修正 29

第五章 总结与展望 31

5.1 论文的主要工作 31

5.2 未来的工作展望 31

致谢 32

参考文献 33

绪论

碳纤维编织复合材料概述

编织复合材料采用二维或三维编织技术，其纤维增强结构呈网状分布，具有比强度高，重量轻，耐疲劳，断裂韧性好等优点^[1]，被大量应用于航空航天等领域^[2-3]。碳纤维复合材料是以碳为增强纤维，树脂基等为基体的复合材料，兼具了基体良好的热性能和碳纤维优越的力学性能。碳纤维复合材料与传统均匀的金属材料不同，其沿纤维轴方向和垂直纤维轴方向的电、磁、导热、力学性能等，都有显著的差别^[4]，是一种正交各向异性材料，在宏观性能上显现出一种非均匀性和离散性。碳纤维复合材料应用的结构体多处于动荷载环境，随机或周期荷载激励引起的振动不可忽略，精确测量其动态特性，并获得准确的宏观力学参数，是碳纤维复合材料结构动力学研究应用中的关键。

振动特性试验方法

典型的模态试验方法

典型的模态试验通过激励结构并测量结构对激励的响应来获得其动态特性。传统的方法使用力锤或机械激振器激励结构。激励可以是单个正弦激励，只激发单个频率，或者是冲击或随机激励来激发结构的几种模态。使用附加的传感器，如加速度计，来获得响应。利用响应和输入力来建立结构的频响函数。很多实验中，由于不能测出输入力，研究人员通过模态分析等方法获得结构的动态特性。

冲击锤对结构施加冲击荷载，其操作简单，响应迅速，但冲击锤和机械激振装置均存在激励频率带范围窄，高阶频率能量不足的缺点，使得试样的高阶模态不能很好得激发出来。压电驱动器能提供宽频带的激励，且高频输出功率不变，良好得解决这一问题。附加传感器会引起测试结构的质量加载或刚度增大，导致试验结果产生误差。此外，需要相当多的这些单点传感器才能充分表征整个结构的动态特性，从而提高测试系统的成本和复杂度。

光学方法

使用非接触技术提取全场数据的愿望促使研究人员发展光学测量系统。光学干涉法、激光多普勒干涉法和摄影测量法是三种光学测量方法^[5]。

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