嵌入式共固化網(wǎng)格阻尼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的動(dòng)力學(xué)性能研究

李　雪，梁　森，梁天錫

(1.青島理工大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，山東 青島　266000； 2.中國(guó)工程物理研究院，四川 綿陽(yáng)　621900)

?

嵌入式共固化網(wǎng)格阻尼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的動(dòng)力學(xué)性能研究

李雪1，梁森1，梁天錫2

(1.青島理工大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，山東 青島266000； 2.中國(guó)工程物理研究院，四川 綿陽(yáng)621900)

摘要：建立嵌入式共固化網(wǎng)格阻尼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的有限元數(shù)值模擬模型，提出了用改進(jìn)的應(yīng)變能法分析該網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的阻尼特性；通過(guò)對(duì)比所得模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表明該模擬方法的有效性，再用驗(yàn)證了的模型和方法分別研究了不同幾何參數(shù)對(duì)整體結(jié)構(gòu)模態(tài)損耗因子和頻率的影響，相關(guān)結(jié)論對(duì)嵌入式共固化網(wǎng)格阻尼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的動(dòng)力學(xué)性能理論預(yù)估具有重要指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；嵌入式共固化網(wǎng)格阻尼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料；模態(tài)損耗因子；模態(tài)頻率

Citation format:LI Xue，LIANG Sen，LIANG Tian-xi.Dynamic Property Analysis of Embedded Co-Cured Gridded Damping Structure Composites [J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):132-137.

嵌入式共固化網(wǎng)格阻尼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料 (Embedded Cocured Gridded Damping Structure Composites，ECGDSC)是在嵌入式共固化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上對(duì)阻尼層進(jìn)行改進(jìn)的一種新型阻尼結(jié)構(gòu)，保留了傳統(tǒng)原有結(jié)構(gòu)高阻尼性能優(yōu)點(diǎn)同時(shí)能夠提高材料的結(jié)構(gòu)剛度，因而在航空、航天、快速空間運(yùn)載器等高科技領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[1-5]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)(Embedded Cocured Composites Damping Structure，ECCDS)已做了大量探索性工作，并取得了豐碩成果[6-10]，文獻(xiàn)[6-8]用模壓法制成ECCDS試件并進(jìn)行了阻尼性能和隔聲性能研究，文獻(xiàn)[9-10]用有限元模擬了ECCDS的低速?zèng)_擊性能，文獻(xiàn)[11]提出了穿孔阻尼結(jié)構(gòu)，并用遺傳算法對(duì)穿孔ECCDS的幾何參數(shù)優(yōu)化，文獻(xiàn)[12-13]研究了ECCDS經(jīng)濕熱處理厚構(gòu)件層間結(jié)合性能和摩擦磨損性能。本文在穿孔阻尼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了ECGDSC，使用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模態(tài)應(yīng)變能有限元數(shù)值模擬技術(shù)探討阻尼層不同的網(wǎng)格分布和厚度對(duì)ECGDSC動(dòng)力學(xué)性能的影響。研究結(jié)論為ECGDSC動(dòng)力學(xué)性能理論預(yù)估具有指導(dǎo)意義。

1ECGDSC的設(shè)計(jì)

為了滿足大阻尼高剛度的設(shè)計(jì)要求，本文提出了如圖1所示網(wǎng)格阻尼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，通過(guò)共固化成型工藝制作成ECGDSC試件[14]。選用的復(fù)合材料預(yù)浸料為T(mén)300/QY8911，0度鋪層，單層厚是0.125 mm，上下蒙皮各8層，中間阻尼層厚度為0.3 mm。中間阻尼層是將粘彈性阻尼塊按照設(shè)計(jì)的網(wǎng)格邊長(zhǎng)和網(wǎng)格間距鋪設(shè)，在共固化成型中通過(guò)阻尼片的縫隙形成偶聯(lián)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在一定程度上可以提高復(fù)合材料構(gòu)件的剛度。圖2是阻尼塊的邊長(zhǎng)和間距設(shè)計(jì)尺寸，其中S、L分別是阻尼塊的邊長(zhǎng)，t、h分別為阻尼塊之間的間距。

圖1　ECGDSC示意圖

圖2　網(wǎng)格尺寸圖

2ECGDSC實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬

2.1模態(tài)試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)試件為300 mm×200 mm的矩形板，長(zhǎng)度方向夾緊42 mm，測(cè)試有效尺寸為258 mm×200 mm，粘彈性材料厚0.3 mm。本文模態(tài)實(shí)驗(yàn)儀器全部使用Brüel & Kjr公司的模態(tài)測(cè)試設(shè)備，其中：PULSE型號(hào)3560B，加速度傳感器4524-B-004，力錘型號(hào)為8206-002，圖3為試件的固定及信息采集系統(tǒng)。采用一邊固支、單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)響應(yīng)的力錘法研究ECGDSC的動(dòng)力學(xué)性能，即力錘敲擊點(diǎn)固定，移動(dòng)傳感器，通過(guò)采集不同位置的信息，經(jīng)B&K的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)獲得試件的一階模態(tài)阻尼和模態(tài)頻率。測(cè)試前將試件均勻劃分成9×7等分，試件及測(cè)試點(diǎn)位置如圖4所示。根據(jù)網(wǎng)格邊長(zhǎng)和間距對(duì)測(cè)試試件進(jìn)行編號(hào)，具體見(jiàn)表1。

圖3　信息采集及試件固定

圖4　模態(tài)測(cè)試試件

編號(hào)S×L/mmt×h/mmH120×205×5H228×205×5H312×205×5H420×203×5H520×207×5

2.2有限元數(shù)值模擬

采用有限元分析和模態(tài)應(yīng)變能相結(jié)合的方法對(duì)ECGDSC的損耗因子和模態(tài)頻率進(jìn)行研究，有限元模型與實(shí)驗(yàn)測(cè)試試件保持一致，表2、表3和表4是各材料具體力學(xué)參數(shù)[15-19]，圖5為局部網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)，圖6為加約束后的ECGDSC板。

表2　T300/QY8911的材料參數(shù)

表3　粘彈性材料參數(shù)

表4　樹(shù)脂材料參數(shù)

圖5　ECGDSC的有限元網(wǎng)格劃分

圖6　加約束后的ECGDCS板

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果

試件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果見(jiàn)表5，圖7為所測(cè)試件一階模擬和測(cè)試的模態(tài)參數(shù)及陣型圖。

表5　一階模態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果比較

圖7　一階模態(tài)振型的模擬和測(cè)試結(jié)果

由表5、圖7知：在相同的模態(tài)振型下，一階模態(tài)損耗因子平均誤差為2.1%，模態(tài)頻率誤差為2.38%，誤差相對(duì)較小，證明了分析方法及模型的有效性，為此本文將用驗(yàn)證了的模型和方法進(jìn)一步研究阻尼層相對(duì)厚度以及阻尼塊的邊長(zhǎng)、邊長(zhǎng)比、間距和間距比對(duì)ECGDSC動(dòng)力學(xué)性能影響。

3ECGDCS動(dòng)力學(xué)性能數(shù)值模擬

3.1阻尼層相對(duì)厚度對(duì)ECGDCS動(dòng)態(tài)性能影響

這里阻尼片的邊長(zhǎng)是S=L=20 mm，阻尼片間距是t=h=5 mm，ECGDSC試件總厚是2 mm，上下蒙皮厚度相同,中間阻尼層的厚度發(fā)生變化，相對(duì)厚度是阻尼層厚度與單側(cè)蒙皮厚度的比值，用Sr表示，表6、圖8和圖9是Sr對(duì)ECGDSC動(dòng)態(tài)性能的模擬結(jié)果。

由表6、圖8和圖9知：相對(duì)厚度小于1.636時(shí)，隨著阻尼層厚度的增加，一階模態(tài)阻尼損耗因子顯著增大，但結(jié)構(gòu)的固有頻率降低；當(dāng)相對(duì)厚度大于1.636時(shí)損耗因子幾乎不變。究其原因：阻尼層厚度的增大導(dǎo)致粘彈性材料在整體構(gòu)件中所占比重增加，而粘彈性材料的彈性模量遠(yuǎn)小于T300/QY8911的模量，因此隨著相對(duì)厚度的增大結(jié)構(gòu)剛度降低而阻尼提高。

3.2S、L對(duì)ECGDSC動(dòng)態(tài)性能的影響

模擬試件的阻尼薄片厚是0.3 mm，間距t、h恒定為5 mm 時(shí)，表7、圖10和圖11是分析得出ECGDSC動(dòng)力學(xué)性能隨S、L的變化關(guān)系。

表6　Sr變化的模擬結(jié)果

圖8　損耗因子與Sr的變化關(guān)系

圖9　模態(tài)頻率與Sr的變化關(guān)系

S×L/mm損耗因子固有頻率/Hz10×100.0209932.15715×150.0217332.13820×200.0223532.11825×250.0228232.10330×300.0232132.085

圖10　損耗因子與S、L的變化關(guān)系

圖11　模態(tài)頻率與S、L的變化關(guān)系

由表7、圖10和圖11知：隨著S、L的增大，損耗因子增加了10.06%，而模態(tài)頻率降低了0.22%。這是由于網(wǎng)格邊長(zhǎng)的增大，使結(jié)構(gòu)阻尼層處理面積增大，從而提高阻尼結(jié)構(gòu)的損耗因子，但整體結(jié)構(gòu)的剛度降低幅度很小。

3.3t、h對(duì)ECGDSC動(dòng)態(tài)性能的影響

模擬試件的阻尼薄片厚0.3 mm，邊長(zhǎng)S、L恒定為20 mm，現(xiàn)將間距t、h變化分時(shí)的模擬結(jié)果列在表8、圖12和圖13中。

表8　t、h變化的模擬結(jié)果

圖12　損耗因子與t、 h的變化關(guān)系

圖13　模態(tài)頻率與t、h的變化關(guān)系

由表8、圖12和圖13知：隨著h與t的增大，一階模態(tài)損耗因子降低了16.06%，而一階模態(tài)頻率提高了0.41%。這是由于網(wǎng)格間距的增大，阻尼處理面積減小，使得試件模態(tài)損耗因子降低而頻率提高。

3.4t/h對(duì)ECGDCS動(dòng)態(tài)性能的影響

網(wǎng)格阻尼變間距是指保持一個(gè)方向的阻尼間距h不變，而變化另一個(gè)方向的阻尼間距t，并將兩個(gè)間距相除得到間距比t/h，間距h恒定為5 mm，t變化，阻尼薄片厚0.3 mm，阻尼薄片邊長(zhǎng)S=L=20 mm，模擬結(jié)果分別見(jiàn)表9、圖14和圖15。

由表9、圖14和圖15知：隨著間距比的增加損耗因子降低7.68%，固有頻率增加0.15%，這是由于阻尼塊間距比的增加，阻尼處理面積比降低，從而導(dǎo)致阻尼損耗因子降低，固有頻率增加。

表9　t/h變化模擬結(jié)果

圖14　損耗因子與t/h的變化關(guān)系

圖15　模態(tài)頻率與t/h的變化關(guān)系

3.5S/L對(duì)ECGDCS動(dòng)態(tài)性能的影響

網(wǎng)格阻尼片變邊長(zhǎng)是指保持一個(gè)方向的阻尼片邊長(zhǎng)L不變，而變化另一個(gè)方向的阻尼邊長(zhǎng)S，將兩個(gè)長(zhǎng)度相除即得到邊長(zhǎng)比S/L，將邊長(zhǎng)L恒為20 mm，邊長(zhǎng)S改變，阻尼間距是t=h=5 mm，阻尼薄片厚0.3 mm，分析結(jié)果見(jiàn)表8、圖12和圖13。

表10　邊長(zhǎng)比變化分析結(jié)果

圖17　模態(tài)頻率與S/L的變化關(guān)系

由表8、圖12和圖13知：隨著邊長(zhǎng)比的增加損耗因子增加4.09%，模態(tài)頻率降低0.08%，這是由于阻尼塊邊長(zhǎng)比的增加，使阻尼處理面積比增大，導(dǎo)致阻尼損耗因子增大，固有頻率降低。

4結(jié)論

本文提出了嵌入式共固化網(wǎng)格阻尼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，建立了ECGDSC的有限元數(shù)值分析模型，研究用改進(jìn)的模態(tài)應(yīng)變能預(yù)估該結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能，通過(guò)用驗(yàn)證了的模型和方法對(duì)該結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步深入研究，得出如下結(jié)論：

1) 在一階模態(tài)振型下實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果誤差在2.1%左右，驗(yàn)證了本文分析方法和有限元模型的有效性。

2) 當(dāng)粘彈性阻尼相對(duì)層厚度小于1.636時(shí)，能明顯提高ECGDSC的損耗因子，但構(gòu)件的剛度會(huì)降低。

3) 在粘彈性阻尼層厚度相同的前提下，無(wú)論是變化阻尼塊邊長(zhǎng)、間距還是變化阻尼塊邊長(zhǎng)比、間距比，均可歸結(jié)為：隨著阻尼塊面積率的增大，ECGDSC的損耗因子增加、頻率降低，但其降低程度相對(duì)較小。相關(guān)結(jié)論對(duì)ECGDSC動(dòng)力學(xué)性能設(shè)計(jì)與應(yīng)用具有一定指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁森,梁磊,米鵬.嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)的新進(jìn)展[J]．應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào),2010,27(4):767-771.

[2]張少輝,陳花玲.國(guó)外纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料阻尼研究綜述[J].航空材料學(xué)報(bào),2002,22(1):58-62．

[3]GIBSON R,FINEGAN I.Recent research on enhancement of damping in polymer composites[J].Composite Structures,1999,44(2):89-98.

[4]ZHANG S H,CHEN H L.A study on the damping characteristics of laminated composites with integral viscoelastic layers[J].Composite Structures,2006,74(1):63-69．

[5]ROBINSON M J,KOSMATKA J B.Embedding viscoelastic damping materials in low-cost VARTM composite structures[J].SPIE Proceedings Smart Structure and Materials,2005(12):349-360.

[6]李烜,梁森,吳寧晶,常園園.嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)阻尼性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2010,10(6):1510-1513.

[7]張忠勝,梁森.嵌入式高溫共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)層間結(jié)合性能.復(fù)合材料學(xué)報(bào),2013,30(4):185-191.

[8]張忠勝,梁森.嵌入式中溫共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)制作工藝及層間結(jié)合性能,航空學(xué)報(bào),2013,34(8):1972-1979.

[9]米鵬，梁森，張義霞．嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)低速?zèng)_擊的數(shù)值模擬[J]．振動(dòng)與沖擊，2012，31(14)：96-100．

[10]LIANG S,LIANG K,LUO L,et al.Study on Low-velocity Impact of Embedded and Co-cured Composite Damping Panels with Numerical Simulation Method[J].Composite Structures，2014,107(11):1-10.

[11]梁森,王輝,修瑤瑤.基于遺傳算法的嵌入式共固化穿孔阻尼層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].振動(dòng)與沖擊,2013,32(11):51-55.

[12]雒磊,梁森,張乾,梁天錫.嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)吸濕處理后的層間結(jié)合性能[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2015,32(2):608-615.

[13]梁森,王輝,雒磊,梁天錫.嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)濕熱處理前后的摩擦磨損性能研究[J].四川兵工學(xué)報(bào),2015(1):128-132.

[14]梁森,雒磊,李雪,張術(shù)國(guó).嵌入式共固化網(wǎng)格阻尼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及其制作工藝:N104015406A[P].2014-09-03.

[15]趙渠森.先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)用復(fù)合材料樹(shù)脂基體[J].高科技纖維與應(yīng)用,2000,25(5):6-8.

[16]劉穎卓,張永存,劉書(shū)田,王向明.考慮復(fù)合材料蒙皮穩(wěn)定性的飛機(jī)翼面結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].航空學(xué)報(bào),2010(10):1985-1992.

[17]彭雷,張建宇,鮑蕊,費(fèi)斌軍.濕熱、紫外環(huán)境對(duì)T300/QY8911復(fù)合材料孔板靜力性能的影響[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2009(3):18-23.

[18]齊忠新,燕瑛,劉玉佳,何明澤.T300/QY8911單向板濕熱性能模擬與損傷分析[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2012(7):947-952.

[19]朱煒垚,許希武.T300/QY8911層合板低速?zèng)_擊試驗(yàn)及有限元模擬[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2013(1):68-73.

(責(zé)任編輯楊繼森)

Dynamic Property Analysis of Embedded Co-Cured Gridded Damping Structure Composites

LI Xue1，LIANG Sen1，LIANG Tian-xi2

(1.College of Mechanical Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao 266000, China;2.China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900，China)

Abstract:The finite element numerical simulation model of the embedded co-cured gridded damping structure composites was presented in detail and the first order modal damping loss factor of the grid structure was analyzed by the modified strain energy method. The experimental data are in good agreement with the simulation results by comparation, which indicates that the simulation model and method are very validity. By using the verified model and method, the effects of different geometric parameters on the overall structure modal loss factor and frequency were investigated deeply. The conclusion has very important guiding significance to forecast dynamic performance of the embedded co-cured gridded damping structure composites.

Key words:numerical simulation; embedded co-cured gridded damping structure composite; modal loss factor; modal frequency

文章編號(hào)：1006-0707(2016)03-0132-06

中圖分類(lèi)號(hào)：TB535

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.032

作者簡(jiǎn)介：李雪 (1991—)，女，碩士，主要從事復(fù)合材料力學(xué)研究。

收稿日期：2015-09-23；修回日期：2015-11-10

本文引用格式：李雪，梁森，梁天錫.嵌入式共固化網(wǎng)格阻尼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的動(dòng)力學(xué)性能研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(3):132-137.

【化學(xué)工程與材料科學(xué)】