大阻尼高比剛度復(fù)合材料儀表板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及動態(tài)特性分析

梁 森 ， 張術(shù)國， 梁天錫， 韋利明

(1. 青島理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 青島 266033；2 中國工程物理研究院，四川 綿陽 621900)

大阻尼高比剛度復(fù)合材料儀表板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及動態(tài)特性分析

梁 森1， 張術(shù)國1， 梁天錫2， 韋利明2

(1. 青島理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 青島 266033；2 中國工程物理研究院，四川 綿陽 621900)

提出了一種新型五層夾芯復(fù)合材料儀表板的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其中上、下蒙皮和中心層設(shè)計(jì)成嵌入式共固化多層阻尼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，并在上蒙皮和中心層以及在下蒙皮和中心層之間設(shè)計(jì)成一定厚度的聚甲基丙烯酰亞胺泡沫材料，通過有限元數(shù)值模擬對其動力學(xué)性能進(jìn)行研究，并與制作出試件的模態(tài)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，表明此種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)具有非常高的阻尼和比剛度特性，為輕質(zhì)精密復(fù)合材料儀表板設(shè)計(jì)理論和制作工藝的進(jìn)一步研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)；嵌入式共固化多層阻尼復(fù)合材料；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；數(shù)值模擬；模態(tài)分析實(shí)驗(yàn)

在各種航天器、航空器的設(shè)計(jì)中，幾乎都想將精密儀表、導(dǎo)航裝置、控制裝置等多種元器件安裝于同一面板上，形成結(jié)構(gòu)和受力比較復(fù)雜的綜合儀表板[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對航天器和航空器運(yùn)行速度和運(yùn)動精度的要求在不斷提高，這就想使儀表板在復(fù)雜運(yùn)行狀態(tài)和遇到突發(fā)狀況時(shí)還能保持較高的運(yùn)動平穩(wěn)性和精度，傳統(tǒng)材料已無法滿足其使用要求，以復(fù)合材料為代表的新事物不斷涌現(xiàn)，并得到廣泛應(yīng)用，特別是在復(fù)雜工作環(huán)境下復(fù)合材料板的制作中也涌現(xiàn)出了一系列符合特殊功能要求、并且組分配合性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)，它為復(fù)雜設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)[2]，也讓人們把注意力聚集到高比剛度、大阻尼且力學(xué)性能均衡的高性能儀表板上。然而傳統(tǒng)的自由阻尼和約束阻尼及阻尼共固化優(yōu)化形式[3-5]均不能滿足儀表板高比剛度和大阻尼的要求，因此如何在保證儀表板高比剛度要求的前提下提高阻尼性能成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)課題。為此本文設(shè)計(jì)了一種新型五層夾芯復(fù)合材料儀表板結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)的上、下蒙皮和中心層提出使用嵌入式共固化多層阻尼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形式[6-11]，并在上蒙皮和中心層以及在下蒙皮和中心層之間設(shè)計(jì)一定厚度的聚甲基丙烯酰亞胺(Polymethacrylimide, PMI) 泡沫。通過有限元數(shù)值模擬對其動力學(xué)性能進(jìn)行研究，并與制作出試件的模態(tài)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，說明此種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)具有非常高的阻尼特性，結(jié)論為輕質(zhì)精密復(fù)合材料儀表板設(shè)計(jì)理論和制作工藝的進(jìn)一步研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在分析前人鋁合金儀表板減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和受力特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出圖1所示新型儀表板結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)是運(yùn)用嵌入式共固化大阻尼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分別制作儀表板的上、下蒙皮和中心層，以保證結(jié)構(gòu)的大阻尼特性；并在上蒙皮和中心層以及在下蒙皮和中心層之間設(shè)計(jì)一定厚度的PMI泡沫，以保證結(jié)構(gòu)的高比剛度特性。與儀器和支架相連的螺釘套就預(yù)埋在其中，整個(gè)結(jié)構(gòu)采用五層夾芯結(jié)構(gòu)。儀表板設(shè)計(jì)直徑為340 mm，總體厚度為15 mm。其上、下蒙皮鋪層的方式為[45°/s/90° /s/0°/s/-45°]，中間層的鋪層方式為[45°/s/90°/s/0°/s/90° /s/45°]，其中s表示黏彈性材料層，每層厚度0.1 mm, 共厚為1 mm。碳纖維預(yù)浸料(CF3031/QY 8911)層厚為0. 25 mm，上、下蒙皮和中間層的制作過程及其力學(xué)性能，在參考文獻(xiàn)[6-11]中有詳細(xì)論述。

圖1 儀表板整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The schematic diagram of the instrument panel structure

由于PMI泡沫材料具有高的比強(qiáng)度、比模量，同時(shí)還具有耐疲勞、減振、降噪、隔聲、隔熱的作用。根據(jù)固體力學(xué)理論，板的彎曲剛度與厚度的3次方成正比，厚度越大，板的剛度也就越大，但是單純的增加厚度也會帶來整體儀表板重量的加大，為滿足重量要求，這里采用面板與PMI多層夾芯組合的形式，其主要作用就是在保證整體結(jié)構(gòu)剛度和尺寸的前提下降低整體質(zhì)量和提高結(jié)構(gòu)比剛度[12-15]。而在上、下蒙皮和中間層與PMI泡沫之間采用耐高溫、強(qiáng)度大、耐持久的J-116A膠黏劑實(shí)現(xiàn)各板與PMI泡沫的連接[16-17]。

為降低儀表板的質(zhì)量和提高螺釘套的粘接強(qiáng)度，本文設(shè)計(jì)的螺釘套選用鈦合金，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中左邊的螺釘套用于儀表板與儀表之間的連接；右邊的螺釘套用于儀表板和支架之間的連接[18-20]。

2 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)出儀表板優(yōu)良的動力學(xué)性能，采用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，探索這種大阻尼、高比剛度復(fù)合材料儀表板的動力學(xué)特性。具體模擬分析過程主要包括：構(gòu)建有限元模型、添加邊界條件及求解、結(jié)果提取和分析。

2.1 構(gòu)建有限元模型

有限元軟件ANSYS14.0提供了多種用于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析的專用單元, 這里選用的單元為SOLID185,它是一種三維多層實(shí)體單元, 具有八個(gè)節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有三個(gè)自由度,分別是x,y,z方向的位移, 在SOLID185實(shí)常數(shù)的定義中可以輸入每一鋪層的材料特性、鋪設(shè)角度以及厚度。粘彈性材料、金屬螺釘套固定件和PMI泡沫材料也采用了SOLID185建模,此時(shí)輸入的材料特性為各向同性。

碳纖維復(fù)合材料為各向異性材料，本文選用的碳纖維復(fù)合材料的參數(shù)見表1，黏彈性材料、PMI泡沫材料、鈦合金材料均為各向同性材料，其參數(shù)見表2～表4。

表1 碳纖維復(fù)合材料的材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of carbon fiber composite

表2 黏彈性材料參數(shù)Tab.2 Viscoelastic material parameters

表3 PMI泡沫材料參數(shù)Tab.3 PMI Foam material parameters

表4 鈦合金材料參數(shù)Tab.4 Titanium alloy material parameters

2.2 邊界條件

儀表板是通過周邊的12個(gè)螺栓孔緊固在圓環(huán)寬度為10 mm的支架表面上，為此有限元模型就約束了該圓環(huán)上所有節(jié)點(diǎn)x,y,z方向的自由度，使得儀表板數(shù)值模擬邊界條件與實(shí)際情況基本一致，具體如圖2所示，周邊單元節(jié)點(diǎn)是約束節(jié)點(diǎn)。

圖2 網(wǎng)格劃分和邊界條件Fig.2 Meshing and boundary condition

2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了比較，本文對制作出儀表板試件進(jìn)行模態(tài)實(shí)驗(yàn)，通過模態(tài)分析技術(shù)研究其動力學(xué)特性。

2.3.1 實(shí)驗(yàn)所用儀器

圖3 實(shí)驗(yàn)儀器和試件裝夾Fig.3 Experimental instrument and specimen clamped

2.3.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所采用夾具是自制的，目的是為模擬儀表板的實(shí)際工作環(huán)境，同樣采用12個(gè)螺釘將儀表板固定在夾具頂面寬度為10 mm的圓環(huán)表面上，夾具下側(cè)為方形板用于和試驗(yàn)臺固定。

實(shí)驗(yàn)使用放射狀網(wǎng)格，測點(diǎn)分為4圈，每圈有8個(gè)測點(diǎn)，各圈之間距離并不相等，而是由里向外逐漸減小以使整個(gè)測點(diǎn)均勻分布在儀表板上，具體見圖3(b)。測量按多點(diǎn)激勵單點(diǎn)響應(yīng)的原理進(jìn)行，采用5次平均獲各測量點(diǎn)的振動信號，通過數(shù)據(jù)分析就能得到儀表板的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)參數(shù)，即模態(tài)阻尼，模態(tài)頻率，模態(tài)振型等。

2.3.3 模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

本文采用模態(tài)分析，通過*GET命令提取每種材料應(yīng)變能，再用自編程序計(jì)算模態(tài)損耗因子，輸出固有頻率，并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。具體如表5、圖4、圖5、圖6和圖7，其中圖的左邊為模擬結(jié)果，右邊為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表5 模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Simulation data and experimental results

圖4 一階模態(tài)振型對比Fig.4 Comparison of first order mode shapes

圖5 二階模態(tài)振型對比Fig.5 Comparison of second order mode shapes

圖6 三階模態(tài)振型對比Fig.6 Comparison of third order mode shapes

圖7 四階模態(tài)振型對比Fig.7 Comparison of fourth order mode shapes

通過對比知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)基本吻合，證明了本文數(shù)值模擬模型和方法的有效性，為今后復(fù)合材料儀表板的數(shù)值模擬和設(shè)計(jì)方法奠定基礎(chǔ)。由于分析的一階模態(tài)損耗因子超過6%，一階固有頻率也在25 Hz以上，可見本復(fù)合材料儀表板附和了大阻尼高比剛度的設(shè)計(jì)要求，也證明了嵌入式多層分布的粘彈性材料結(jié)構(gòu)能夠切實(shí)有效地增加儀表板的阻尼性能。但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)之間仍存在一定誤差，究其主要原是：數(shù)值模擬的邊界約束僅在儀表板底面10 mm圓環(huán)上，與實(shí)際螺釘固定周邊圓環(huán)還存在一定差異。

3 儀表板結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步數(shù)值模擬

按照上述方法進(jìn)一步對儀表板結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，探索儀表板性能與中間黏彈性層厚度、PMI層厚度以及PMI材質(zhì)參數(shù)之間的變化規(guī)律。

3.1 中間黏彈性層厚度對阻尼性能影響

改變中間4層阻尼厚度，通過改變PMI泡沫層厚度使適應(yīng)儀表板總厚為15 mm，上下蒙皮中的彈黏性層厚度保持不變，以探索儀表板阻尼性能隨中間層黏彈性層厚度的變化規(guī)律。

由表6、圖8和圖9可知：損耗因子隨著阻尼層厚度增大而提高，固有頻率則隨之降低。究其原因是當(dāng)阻尼層厚度增加時(shí)，黏彈性材料在結(jié)構(gòu)中所占的比重增加，使得整體結(jié)構(gòu)阻尼和質(zhì)量增加而剛度下降，結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率又與其模態(tài)剛度與模態(tài)質(zhì)量比的平方根成正比，從而使其頻率隨著黏彈性層厚度增加而下降低。

表6 損耗因子與黏彈性厚度模擬結(jié)果Tab.6 Loss factor vs viscoelastic layer thickness

圖8 損耗因子與黏彈性層厚度的模擬結(jié)果Fig 8 Loss factor vs viscoelastic layer thickness

3.2 PMI層厚度對阻尼性能影響

改變PMI層厚度，儀表板總厚隨PMI層厚度變化而變化，保持阻尼層數(shù)和厚度不變，以探索儀表板阻尼隨PMI泡沫層厚度的變化規(guī)律。

圖9 一階頻率與黏彈性層厚度的模擬結(jié)果Fig 9 Natural frequency vs viscoelastic layer thickness

由表7、圖10和圖11可知：損耗因子隨著PMI層厚度增大而減小，固有頻率則隨之增大。原因在于PMI泡沫層厚度的增加，黏彈性材料所占的比重也隨之減小，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的阻尼減??；而PMI泡沫層厚度的增加使儀表板的比彎曲剛度提升，因此，阻尼損耗因子隨著PMI泡沫層厚度的增加而減小，模態(tài)頻率則隨著PMI泡沫層厚度的增加而增大。

表7 損耗因子與PMI厚度模擬結(jié)果Tab.7 Loss factor vs PMI foam layer thickness

圖10 損耗因子與PMI泡沫厚度的模擬結(jié)果Fig10 Loss factor vs PMI foam layer thickness

圖11 一階頻率與PMI泡沫厚度的模擬結(jié)果Fig11 Natural frequency vs PMI foam layer thickness

3.3 PMI材料參數(shù)對阻尼性能影響

保持PMI層厚度不變，這樣儀表板厚度為15 mm，市面上常見的PMI泡沫材料牌號共有四種，在有限元分析中通過改變PMI泡沫層材質(zhì)參數(shù)，探索儀表板阻尼性能隨PMI泡沫層材質(zhì)參數(shù)的變化規(guī)律。

由表8、表9、圖12和圖13知：損耗因子隨著PMI泡沫材料彈性模量的減小而增加，固有頻率則隨之降低。究其原因是當(dāng)PMI泡沫材料彈性模量增加時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度在提高，在其它條件幾乎不變情況下整體結(jié)構(gòu)的阻尼會減小(質(zhì)量會微微增加)；由于結(jié)構(gòu)固有頻率與結(jié)構(gòu)模態(tài)剛度與模態(tài)質(zhì)量比的平方根成正比，所以一階模態(tài)頻率隨著PMI泡沫材料彈性模量的降低而降低。

表8 PMI材料型號、密度與模量Tab.8 The density and modulus vs PMI model number

表9 損耗因子和固有頻率隨PMI材料型號的變化結(jié)果Tab.9 Loss factor and nature frequency vs PMI model number

圖12 損耗因子與PMI泡沫材料彈性模量的模擬結(jié)果Fig12 Loss factor vs modulus of elasticity of PMI

從本文的第2、3節(jié)來看，設(shè)計(jì)確定的阻尼層0.1 mm、PMI材質(zhì)型號為rohace11厚5.505 mm未必是最優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)，但是如果兼顧了儀表板的重量和靜力學(xué)性能，該設(shè)計(jì)結(jié)果應(yīng)當(dāng)是比較好的選擇。

圖13 一階頻率與PMI泡沫材料彈性模量的模擬結(jié)果Fig13 Natural frequency vs modulus of elasticity of PMI

4 結(jié) 論

本文提出了一種新型五層夾芯復(fù)合材料儀表板的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其中上、下蒙皮和中心層設(shè)計(jì)成嵌入式共固化多層阻尼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，并在上蒙皮和中心層以及在下蒙皮和中心層之間設(shè)計(jì)成一定厚度的PMI泡沫材料，通過有限元數(shù)值模擬軟件對其動力學(xué)性能進(jìn)行研究，并與制作出試件的模態(tài)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了本文所建模型和分析方法的有效性，通過用驗(yàn)證的模型和方法對該結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步探索，得出了如下重要結(jié)論：

(1) 儀表板的阻尼損耗因子隨著粘彈性材料層相對厚度增加而增加，固有頻率則隨著粘彈性材料層相對厚度增加而降低；

(2) 儀表板的阻尼損耗因子隨著PMI泡沫材料層厚度的增大而減小，固有頻率則隨之增大；

(3) 儀表板的阻尼損耗因子隨著PMI泡沫材料彈性模量的減小而增加，固有頻率則隨之降低，結(jié)論為輕質(zhì)精密復(fù)合材料儀表板設(shè)計(jì)理論和制作工藝的進(jìn)一步研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

致謝

感謝北京625所曹正華、陳靜、梁恒亮等研究員的支持，有了他們的幫助才使得復(fù)合材料儀表板制作得以實(shí)現(xiàn)。

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Structural design and dynamic characteristics of large damping and high specific stiffness composite panels

LIANG Sen1, ZHANG Shuguo1，LIANG Tianxi2，WEI Liming2

(1. School of Mechanical Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao 266033， China；2．China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900，China)

A new type of five-layer sandwich composite panels was presented in detail. The upper and lower skins and center layer were designed as embedded co-cured composite structures with multilayer damping films. Between the upper skin and center layer as well as between the lower skin and the center layer, a layer of polymethacrylimide foam material with a certain thickness was put in. The dynamic performances of the specimen were analysed deeply by using the finite element simulation and experimental modal analysis. By making comparison between the relative results, the conclusion shows that the designed structure has very high damping and specific stiffness characteristics, and will provide a foundation to the design principle and application of light-weight, large-damping and high-precision composite materials instrument panels.

composite sandwich structure; embedded co-cured composite structure with multilayer damping films; structure design; numerical simulation; experimental modal analysis

國家自然科學(xué)基金(51375248)；中國工程物理研究院“嵌入式共固化大阻尼復(fù)合材料儀表板研制”項(xiàng)目資助(B2-2015-0112)

2015-06-17 修改稿收到日期： 2016-01-19

梁森 男，博士，高級工程師，教授，博士生導(dǎo)師，1962年生

E-mail: liangsen888111@163.com.

TB332

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.06.033