楊 坤 葉開富 張 瑋 杜 度
(中國人民解放軍92578部隊 北京 100161)
復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)典型形式為“三明治”結(jié)構(gòu),近年來,出現(xiàn)“正交加筋(方形蜂窩)不連續(xù)離散金屬強(qiáng)結(jié)構(gòu)+不連續(xù)空間填充阻尼材料”的芯層結(jié)構(gòu)形式,與上下面板復(fù)合材料層合板膠接復(fù)合,形成一種填充型正交加筋復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu),較金屬蜂窩板、復(fù)合材料三明治夾層結(jié)構(gòu)等,具備更好的剛度、阻尼性能、防腐蝕等特性,加上復(fù)合材料先天的輕質(zhì)高強(qiáng)和鋪層可設(shè)計性,使得其在船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物的減振設(shè)計中采用越來越廣泛.
正交加筋夾層板作為該型結(jié)構(gòu)最典型、最基礎(chǔ)的形式,不少學(xué)者對其動力學(xué)特性進(jìn)行了研究[1-3],主要采用等效參數(shù)法理論求解研究和數(shù)值仿真研究,Liu等[4]通過建立正交加筋夾層板解析計算模型,求解了正交加筋夾層板的彎曲、屈曲和振動問題.劉均等[5]考慮正交加筋的離散特性,建立了正交加筋夾層板的自由振動計算模型.考慮加筋的拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)運動以及加筋的慣性影響,Xin等[6]建立了正交加筋夾層板的振動和聲輻射解析模型,并得到了級數(shù)解.針對正交加筋夾層板的屈曲、抗沖擊問題,也有學(xué)者開展了試驗研究[7],可見文獻(xiàn)中,僅Russell等[8]研究的對象與填充型正交加筋復(fù)合材料夾層板最為接近,并通過試驗和數(shù)值計算研究了填充吸能芯材、碳纖維復(fù)合材料正交加筋、碳纖維復(fù)合材料面板構(gòu)成的填充型正交加筋復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的沖擊問題.
目前,還尚未見填充型正交加筋復(fù)合材料夾層板動力學(xué)響應(yīng)問題有關(guān)研究報道,其相關(guān)振動響應(yīng)特征和影響機(jī)理尚不可知,本文通過制備多種對比試驗?zāi)P?,并進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力學(xué)試驗,以試驗數(shù)據(jù)對比分析多種模型的動力學(xué)響應(yīng)特征和影響規(guī)律.
設(shè)計四個試驗?zāi)P停唧w是正交加筋鋼質(zhì)夾層板,模型1,稱為鋼質(zhì)夾層板,具體尺寸見圖1;以圖2鋼質(zhì)正交加筋為芯層,上下面板采用玻璃纖維復(fù)合材料,通過螺栓連接的模型2,稱為玻纖夾層板;以圖2鋼質(zhì)正交加筋為芯層,上下面板采用碳/?;祀s纖維面板,通過螺栓連接的模型3,稱為混雜纖維夾層板;在模型3芯層間隙中填充阻尼材料為模型4,稱為填充型夾層板.圖1~2中最右側(cè)一格尺寸范圍內(nèi)為試驗邊界固定區(qū)域.
圖1 鋼質(zhì)夾層板尺寸
圖2 模型2,3,4的鋼質(zhì)正價加筋芯層尺寸
圖3為試驗?zāi)P?,3,4的鋼質(zhì)正交加筋芯層,圖4為厚度均為4 mm的玻纖復(fù)合材料層合板和碳/?;祀s纖維復(fù)合材料層合板(黑色),其中,碳/玻混雜纖維復(fù)合材料層合板碳纖維沿較長邊方向鋪設(shè),玻纖沿較短邊方向,鋪層全為0°;玻纖復(fù)合材料層合板采用E800多軸向布,圖3~4可較為清晰地看出螺栓連接孔.
圖3 鋼質(zhì)正交加筋芯層
圖4 兩種復(fù)合材料層合板
圖5為試驗?zāi)P褪疽鈭D,各試驗?zāi)P蛫A層板采用上下兩塊工裝板螺栓緊固夾持,底座用螺栓安裝于桁架平臺,圖6為工裝及桁架安裝現(xiàn)場,圖中左下方的螺栓用于鎖緊夾層板.
圖5 試驗?zāi)P桶惭b示意圖
圖6 工裝實物
針對四個試驗?zāi)P瓦M(jìn)行模態(tài)試驗和動力學(xué)響應(yīng)激振試驗,由于錘擊激勵力在較高頻段能量譜密度呈現(xiàn)下降趨勢,難以激起正交加筋夾層板板格的高頻局部振動,模態(tài)試驗測點僅采集反映較低頻段內(nèi)結(jié)構(gòu)整體模態(tài)的響應(yīng)信號,加速度測點布置在加筋交叉處,方向垂直于板面,見圖7(右端為固支端).圖8為試驗?zāi)P图ふ裨囼瀯禹憫?yīng)測點布置圖,測點1(F)為激振點,測點5,6,8和10用以采集板格局部振動信號,其他加筋交叉處測點采集反映結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)的振動信號.
圖7 模態(tài)測試測點布置
圖8 動響應(yīng)測點布置
模態(tài)測試系統(tǒng)包括力錘、加速度傳感器、信號采集器、級聯(lián)設(shè)備、采集計算機(jī)等;激振試驗測試系統(tǒng)包括信號發(fā)生器、功率放大器、激振器、力和加速度傳感器、信號采集器、計算機(jī)、信號發(fā)生器等設(shè)備[9-10].
模態(tài)試驗加速度傳感器膠接固定于結(jié)構(gòu)表面,分4個試驗?zāi)P瓦M(jìn)行模態(tài)試驗.后進(jìn)行4個試驗?zāi)P蛣禹憫?yīng)測試,激振器采用彈性吊裝方式,結(jié)構(gòu)動響應(yīng)激勵信號采用白噪聲,采集頻率范圍5~1 000 Hz.
四個試驗?zāi)P颓?階固有頻率測試結(jié)果見表1,圖9為鋼質(zhì)夾層板前2階模態(tài)振型,1階模態(tài)呈現(xiàn)懸臂一階整體偏振,2階則為扭轉(zhuǎn)振動,為其他模型模態(tài)振型與之基本相同.
表1 固有頻率測試結(jié)果 Hz
圖9 鋼質(zhì)夾層板模態(tài)振型
由表1可知,填充型夾層板由于剛度較鋼質(zhì)夾層板小且質(zhì)量稍大,導(dǎo)致首階固有頻率低2.6 Hz,約為14%,2階模態(tài)頻率差距受剛度和質(zhì)量影響更明顯;由于玻纖夾層板面板復(fù)合材料主方向彈性模量較混雜纖維夾層板要小,在兩型夾層板質(zhì)量基本相當(dāng)(各自面板質(zhì)量遠(yuǎn)小于鋼質(zhì)正交加筋芯層)的前提下,剛度因素起主要作用,導(dǎo)致玻纖夾層板首階固有頻率小于混雜纖維夾層板;填充芯材使得填充型夾層板結(jié)構(gòu)重量增加,但對剛度增加卻不明顯,使得其較碳/玻纖維夾層板首階固有頻率低6%.
圖10為鋼質(zhì)夾層板和填充型夾層板典型測點的加速度頻響曲線,測點3和測點9代表夾層板對稱線上的振動,測點5代表板格振動,測點14處于夾層板自由端,代表夾層板最大振動響應(yīng).
圖10 部分測點加速度頻響曲線
由圖10可知:①所有測點前二階共振峰值與模態(tài)試驗結(jié)果均能對應(yīng),由于測點3和測點9處在夾層板二階共振(f=79.2 Hz)模態(tài)振型駐線上,理論上結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)為零,振動響應(yīng)非常小,其他測點在該頻率處有明顯響應(yīng)峰值;②在測試頻段范圍內(nèi),相比鋼質(zhì)夾層板,填充型夾層板的共振峰數(shù)目較少,響應(yīng)幅值也要小很多;③填充型夾層板不同部位首階響應(yīng)峰值較鋼質(zhì)夾層板均略小,因為在低頻段處于質(zhì)量控制區(qū),填充型夾層板質(zhì)量略大于鋼質(zhì)夾層板,導(dǎo)致響應(yīng)僅僅偏小一點,隨著頻率升高,逐漸進(jìn)入阻尼控制區(qū),填充材料對板格的剛度支撐和阻尼消峰作用,使得填充型夾層板減振消峰作用更明顯,響應(yīng)普遍小于鋼質(zhì)夾層板,特別是,測點5板格振動響應(yīng)差異最為明顯.
圖11為玻纖夾層板、混雜纖維夾層板和填充型夾層板分別代表夾層板整體響應(yīng)和板格響應(yīng)的典型測點頻率響應(yīng)對比曲線.
圖11 三種復(fù)合材料夾層板典型測點頻率響應(yīng)曲線
在低頻段,填充芯材對夾層板板格振動的抑制作用體現(xiàn)還不明顯,因結(jié)構(gòu)低頻段呈現(xiàn)整體響應(yīng),隨著頻率升高,未填充芯材的兩種夾層板的板格振動(測點5)較整體振動(測點4)幅值大且共振峰數(shù)目多,填充型夾層板卻很好地抑制了這種板格局部振動.測點4位于螺栓附近而測點5位于正交加筋板格中間,即使模型2和模型3不能實現(xiàn)復(fù)合材料面板和鋼質(zhì)正交加筋芯層界面的完全結(jié)合,試驗結(jié)果仍較好地展現(xiàn)了填充型夾層板較無填充夾層板在抑制高頻振動方面(包括整體和局部振動)所具備的優(yōu)勢.
圖12為四種夾層板自由端測點12的頻率響應(yīng)曲線.
圖12 夾層板測點12頻率響應(yīng)曲線
由圖12可知,四種夾層板首階共振峰值大小依次為:混雜纖維夾層板>鋼質(zhì)夾層板>玻纖夾層板>填充型夾層板,主要是因為混雜纖維夾層板剛度較鋼質(zhì)夾層板要小,且阻尼性能較差,所以其響應(yīng)最大;玻纖夾層板剛度雖然最小,但由于其玻纖面板阻尼性能較碳/?;祀s纖維面板要好,其響應(yīng)峰值相對較?。浑m然鋼質(zhì)夾層板阻尼性能最差,可其剛度和重量都較大,響應(yīng)峰值在混在纖維夾層板和玻纖夾層板之間;填充型夾層板由于同時具備較好的剛度和阻尼性能,且其重量最大,其峰值響應(yīng)在所有夾層板中最小,首階共振峰值大幅降低.
表2為四種夾層板各測點的平均加速度級.
表2 各夾層板平均加速度級 dB
由表2可知,在整個測試頻段范圍內(nèi),響應(yīng)大小順序為:混雜纖維夾層板>玻纖夾層板>鋼質(zhì)夾層板>填充型夾層板,填充型夾層板平均加速度級最小,較相應(yīng)未填充夾層板降低約28 dB,較鋼質(zhì)夾層板降低7.6 dB.結(jié)合填充型夾層板重量僅較鋼質(zhì)夾層板重量增加約20%,結(jié)構(gòu)剛度減小約16%,卻得到降低7.6 dB的減振效果,有力說明了工程承載結(jié)構(gòu)若采用復(fù)合材料和高分子材料進(jìn)行減振設(shè)計,可考慮這種“鋼質(zhì)正交加筋芯層確保結(jié)構(gòu)主要剛度,面板采用碳/?;祀s纖維復(fù)合材料同時保證質(zhì)量較輕且剛度不大幅下降,加筋間隔填充阻尼材料保證結(jié)構(gòu)高頻振動抑制效果“的設(shè)計思路.
1) 填充型夾層板重量較鋼質(zhì)夾層板大,剛度小,其首階模態(tài)頻率低約14%.
2) 填充型夾層板較無填充復(fù)合材料夾層板和鋼質(zhì)夾層板具備對高頻振動更優(yōu)異的抑制能力,包括結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)和局部響應(yīng),平均加速度級最小,較鋼質(zhì)夾層板降低7.6 dB.
3) 相比其他三型夾層板結(jié)構(gòu),由于填充型夾層板具備最優(yōu)異的阻尼性能,同時其重量又最大,其首階共振峰值響應(yīng)最小,較其它三者大幅降低.