局部代用材料的结构动力特性研究

    0　引　言

    本文主要研究局部部件为代用材料的武器系统,在振动环境试验中的有效性。由于武器系统结构复杂和为试验的安全,在进行振动环境试验时,常常需要将构的某些局部部件进行相近材料的替换。在结构的局部部件采用代用件时,有必要考虑结构的动力特性的变化,以分析结构进行所要求的试验的有效性。

    通常,结构的局部部件为代用件时,若只考虑结构的刚度和强度是否满足一定的要求,则一般不需要进行结构的动力学分析。但对于振动环境试验的考核,则需要研究局部部件被代用时结构的试验特性的相对变化。

    目前关于代用材料进行试验等效性的研究文献不多,特别是在振动环境试验中的研究更少[1-5]。关于结构的无损检测方面,有一部分文献是利用结构的特征量的变化来做判据。在结构动力学中,主要研究结构损伤前后的固有频率和振型的变化量来判断,这里关于结构的局部部件为代用材料时的系统特性参数的变化与此情况有相似之处。从力学上分析,当代用材料的几何特征和力学性能越接近被代用部件,结构所进行的振动环境试验考核越真实,然而当必须选用代用材料时(如特殊材料和炸药材料部件),就应研究在结构的动力特性的改变量,如何选用结构的代用材料,以及材料选择对结构的动力特性变化的影响。本文正是基于这样的思想而开展的。

    1　简化模型研究

    1.1集中参数模型

    局部部件对结构的整体动力特性的影响,主要是局部部件弹性模量和密度的影响,同时还要考虑局部部件占整体部件的比例大小。在结构动力学中,结构的运动方程为:

    Mx+C.x+Kx = F(t)           (1)

其中,M、C、K分别是系统的质量、阻尼和刚度矩阵,¨x,.x,x分别为系统的加速度、速度和位移,F(t)是系统受到的外激励。在此假定:

     假设阻尼的变化比较小,此处不考虑;

     如图1所示,设右段的部件为局部代用材料部件,模型的质量主要根据al中所占的比例来定,其中a∈[0　1],弹性模量的E₂= (1+b)E₁,b∈[-0.5　0.5];

     考虑模型在单一载荷(拉伸)下的刚度变化;

     设模型在相连接处是粘结的;设结构为等截面A。

    1.2简化模型的分析

    首先研究局部部件为代用材料时结构刚度的变化规律。在以上的假定下,结构考虑为两质量块的串联,每个质量块的等效刚度分别为:

串联后的整体刚度为:

   上面所定义的刚度恒定系数f越接近于1时,其代用时的刚度越接近于初始刚度,则在动力学的响应分析中其代用效果越好。下面将f随a和b的三维图形和等高线图示于图2中。