含脫層復合材料圓柱殼的振動模態(tài)試驗分析

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(中國艦船研究與設計中心，武漢 430064)

復合材料層合板殼結構以優(yōu)良的特性被工程界普遍采用，已成為艦船、手中兵器、航空航天等工程中常用的基本結構形式之一。對復合材料結構，特別是含有脫層缺陷的結構進行振動模態(tài)理論及試驗研究是非常有意義的[1-5]。文中對含有脫層缺陷的復合材料層合圓柱殼不同鋪設角度，脫層形式以及脫層大小進行了振動與模態(tài)試驗。

1 振動試驗

1.1 試驗系統(tǒng)

圖1為模擬在自由邊界條件下的復合材料圓柱殼振動模態(tài)的試驗系統(tǒng)，系統(tǒng)由復合材料圓柱殼試件、激勵系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)(B&K)、信號分析系統(tǒng)(B&K)以及計算機等組成。

1-懸吊彈簧；2-玻璃銅圓柱殼試件；3-力錘；4-加速度傳感器圖1 測量系統(tǒng)示意圖

1.2 試驗模型

試驗中復合材料圓柱殼由高強緞紋玻璃纖維布和3201樹脂加入固化劑，觸變劑、偶聯(lián)劑等輔料制成，共7件。其幾何參數(shù)及脫層形式見表1。

表1 試件的幾何參數(shù)及脫層形式

1.3 測量模型網(wǎng)格劃分

在試驗前，對每個試件進行網(wǎng)格劃分，沿軸向7個點，周向21個點，共147個點，每個節(jié)點作為力錘敲擊點，選取若干點為加速度傳感器測量點。測試試件及試件網(wǎng)格見圖2，布層均為6層。

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖

1.4 測試信號

圖3列舉了實驗中試件4#的測試信號，4#試件布置了2個加速度傳感器,表示的是力錘產(chǎn)生的激勵信號，由通道1采樣而得。在實驗中引入力窗函數(shù)，是為了在進行信號采樣及數(shù)據(jù)處理時，盡量減小干擾信號的引入以及控制力錘敲擊力的大小和采樣時間。

圖3 力錘信號和響應信

圖4為4#試件測得的由分析軟件ME′scopeVES生成的頻響函數(shù)實頻曲線和虛頻曲線，即柏德圖。柏德圖中的虛頻曲線的峰值對應于固有頻率。利用虛頻和實頻曲線的峰值可以計算出阻尼系數(shù)。同時也可以確定有無反共振點。

圖4 頻響函數(shù)的實頻、虛頻圖

2 測試結果

圖5為1#試件前6階振型，圖中的模態(tài)可以很好地識別出來，較真實地反映了試件的振動特性。

圖5 1#試件前6階模

數(shù)值計算結果與試驗結果列于表2。表中空格為試驗無法識別的模態(tài)。從表2中可以看出，當軸向半波數(shù)m=0時，有限元計算值與試驗值有很好的吻合，最大誤差只有7.27%。而當軸向半波數(shù)m=1時，兩者之間有很大的誤差。

3 結論

1) 當模型軸向半波數(shù)m=1時測試結果和有限元結果相差很大，這是因為試驗和計算中的模型邊界條件有差異。復合材料試件的剛度小，質量輕，特別是在試驗過程中，用彈簧繩將試件自由懸掛，對試件徑向有預應力，使得頻率減小。

表2 試驗值與計算值的比較

2) 從前3個試件來看，對單層為各項同性材料的正交鋪層方式的圓柱殼來說，鋪層角度越大，總體剛度越小，第一階模態(tài)頻率越小。

3)從4#、5#、7#試件看，各階模態(tài)頻率相比，脫層缺陷大的頻率較小。

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