Идентификация характеристик упругости композита по экспериментальным данным о модальных характеристиках образцов
Автор: Нихамкин М.Ш., Соломонов Д.Г., Зильбершмидт В.В.
Статья в выпуске: 1, 2019 года.
Бесплатный доступ
Для определения характеристик упругости полимерных композиционных материалов в 1990-2000-е гг. был развит смешанный численно-экспериментальный метод идентификации, основанный на использовании экспериментальных данных о собственных частотах и формах колебаний образцов. Его практическое применение предполагает выбор формы и размеров образцов, набора используемых для идентификации собственных частот и форм колебаний, методики их экспериментального определения, конечно-элементной модели для расчетного модального анализа, а также алгоритма решения задачи идентификации. Объектом исследования являются слоистые полимерные композиционные материалы, армированные угле- или стекловолокном. Цель работы - разработка практических аспектов реализации и оценка точности экспериментально-расчетного метода идентификации характеристик упругости таких материалов по экспериментальным данным о собственных частотах и формах колебаний стандартных образцов. Идентификация характеристик материала рассматривается как задача оптимизации с целевой функцией, представляющей собой взвешенную сумму квадратов разностей между экспериментальными и расчетными значениями собственных частот. Разработана процедура реализации этапов методики: экспериментов, расчетов, контроля результатов. Проведен анализ погрешностей отдельных этапов и определяемых характеристик монослоя. Для определения собственных частот и форм колебаний образцов использовали метод трехкомпонентной сканирующей лазерной виброметрии. Отработана техника эксперимента и выбраны параметры, обеспечивающие необходимую точность определения собственных частот. Выбраны параметры процедуры идентификации и конечно-элементной модели образца. Для контроля полученных значений упругих характеристик сравнивали расчетные значения собственных частот колебаний образцов с экспериментальными данными, в том числе не использованными в процедуре идентификации. Оценку погрешности определения характеристик упругости проводили на трех различных сериях образцов из слоистого углепластика с одинаковым материалом слоев и различным их количеством и схемами укладки. Разработанная методика может быть рекомендована для определения параметров модели материала, необходимых для расчетов изделий из слоистых композитов на прочность и колебания.
Полимерные композиционные материалы, идентификация упругих характеристик, модальный анализ, трекомпонентная сканирующая лазерная виброметрия
Короткий адрес: https://sciup.org/146281906
IDR: 146281906 | УДК: 621.002.3-419 | DOI: 10.15593/perm.mech/2019.1.09
Identification of elastic parameters of composite using experimental data on modal characteristics of samples
In order to determine the elastic parameters of polymer composites, a mixed numerical-experimental method of identification was developed in the 1990s - 2000s, based on the use of experimental data on natural frequencies and eigenmodes of oscillation of samples. Its practical application involves the choice of a shape and a size of samples, a set used to identify the natural frequencies and eigenmodes of vibration, a methods of their experimental determination, a finite-element model for modal analysis, and an algorithm for solving the identification problem.The object of the research is laminated polymer composite materials reinforced with carbon or glass fibers. The aim of the work is to develop practical aspects of implementation and assessment of the accuracy of the mixed experimental-calculation method for identifying of the elastic parameters of such materials based on experimental data on natural frequencies and eigenmodes of vibration of standard samples. Parameter identification for the material is considered as an optimization problem with an optimization function, which is a weighted sum of squares of differences between the experimental and calculated values of natural frequencies. A procedure was developed to implementing the main steps of the suggested technique: experiments, calculations and control of results. An error analysis of main steps was carried out, and the accuracy of the determined parameters of the ply was estimated. To determine the natural frequencies and eigenmodes of oscillation of the samples, the method of three-component scanning laser vibrometry was used. The experimental technique was established and parameters of the technique were chosen to ensure the necessary accuracy in determining of the natural frequencies. The parameters of the identification procedure and the finite-element model of the sample were selected. To control the obtained values of the elastic parameters, the natural frequencies of the samples were calculated, including those not used in the identification procedure. The error assessment of the in determined elastic parameters was performed on three different series of samples of carbon-fiber-reinforced laminates with the same material of the plies and different ply numbers and stacking orders. The developed technique can be recommended to determine the parameters of material models required for strength and vibrations assessment of products manufactured with layered composites.
Список литературы Идентификация характеристик упругости композита по экспериментальным данным о модальных характеристиках образцов
- Композиционные материалы: справочник / под ред. В.В. Васильева. - М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.
- Ташкинов А.А. Упругость анизотропных материалов. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010. - 49 с.
- Скворцов Ю.В. Конспект лекций по дисциплине «Механика композиционных материалов». - Самара: Изд-во Самар. гос. авиакосм. ун-та, 2013. - 94 с.
- ASTM D3039/D3039. Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials. ASTM International, West Conshohocken, PA, 2014. www.astm.org.
- ГОСТ 25.601-80. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания плоских образцов на растяжение при нормальной, повышенной и пониженной температурах. - М.: Стандартинформ, 2016.
