填充型正交加筋復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)及仿真研究

楊 坤 葉開富 杜 度 張 瑋

(中國人民解放軍92578部隊(duì) 北京 100161)

0 引 言

復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)由纖維增強(qiáng)復(fù)合材料上下表層和芯層復(fù)合而成，通常芯層采用連續(xù)均質(zhì)材料，呈現(xiàn)典型的“三明治”結(jié)構(gòu)形式.近年來，出現(xiàn)“正交加筋(方形蜂窩)不連續(xù)離散強(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，形成一種填充型正交加筋復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具備更好的剛度、阻尼性能，加上纖維復(fù)合材料表層具備輕質(zhì)、高強(qiáng)、防腐蝕等特性和優(yōu)異的鋪層可設(shè)計(jì)性，使得其在航空、航天、船舶等工程領(lǐng)域，特別是減振結(jié)構(gòu)應(yīng)用越來越廣泛.

正交加筋復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問題主要進(jìn)行等效參數(shù)法理論解析求解和數(shù)值仿真研究，徐勝今等[1-2]采用等效參數(shù)法，針對(duì)表層為各向異性纖維復(fù)合材料的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)固有特性問題進(jìn)行了理論求解.Liu等[3]通過建立正交加筋?yuàn)A層板解析計(jì)算模型，求解了正交加筋?yuàn)A層板的彎曲、屈曲和振動(dòng)問題.Xin等[4]考慮加筋的拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以及加筋的慣性影響，建立了正交加筋?yuàn)A層板的振動(dòng)和聲輻射解析模型，并得到了級(jí)數(shù)解.劉均等[5]考慮正交加筋的離散特性，建立了正交加筋?yuàn)A層板的自由振動(dòng)計(jì)算模型.針對(duì)正交加筋?yuàn)A層板的屈曲、抗沖擊問題，不少學(xué)者開展了試驗(yàn)[6]和仿真[7]研究，可見文獻(xiàn)中，僅Russell等[8]通過試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)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(dòng)力學(xué)響應(yīng)問題有關(guān)研究報(bào)道，本文通過制備填充型正交加筋復(fù)合材料夾層板結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)響應(yīng)試驗(yàn)，同步采用ABAQUS結(jié)構(gòu)有限元分析軟件建立動(dòng)響應(yīng)數(shù)值仿真模型，驗(yàn)證并探討了該型夾層結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模方法和響應(yīng)計(jì)算方法.

1 填充型正交加筋復(fù)合材料夾層板模型制備

為探討?zhàn)椥蕴畛湫驼患咏顝?fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)計(jì)算方法，設(shè)計(jì)制作一型填充型碳/?；祀s纖維表層鋼質(zhì)正交加筋?yuàn)A層板結(jié)構(gòu)模型，為滿足安裝邊界空間尺寸需要，模型鋼質(zhì)正交加筋芯層沿長(zhǎng)度方向延長(zhǎng)一格，正交加筋尺寸見圖1.

圖1 復(fù)合材料夾層板試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽?/p>

模型制備步驟如下：①將碳/?；祀s復(fù)合材料層合板粘接面和鋼質(zhì)正交加筋上、下兩面打磨，用丙酮清洗干凈；②將一側(cè)復(fù)合材料板和鋼質(zhì)芯層均勻涂滿膩?zhàn)?，帶膩?zhàn)幽z上緊螺釘；③膩?zhàn)幽z固化后，在不連續(xù)空間間隔安裝阻尼材料塊，再澆注膩?zhàn)幽z；④膩?zhàn)幽z灌滿后，將另一側(cè)復(fù)合材料板的粘接面涂滿膩?zhàn)幽z，將另一面復(fù)合材料板與鋼質(zhì)芯層粘接，用螺釘帶膠擰緊.

2 模型動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)準(zhǔn)備及過程

2.1 工裝邊界

夾層板試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄟ^工裝1和工裝2夾持，模擬邊界固定，工尺寸圖見圖2.工裝1與結(jié)構(gòu)桁架通過六個(gè)螺栓連接，圖3展現(xiàn)了結(jié)構(gòu)桁架、工裝1以及兩者之間的螺栓固定方式，圖3中左下方的螺栓用于擰緊工裝1和2，以夾持試驗(yàn)?zāi)Ｐ?

圖2 工裝尺寸

圖3 工裝安裝現(xiàn)場(chǎng)

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

圖4為試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛣?dòng)響應(yīng)測(cè)試測(cè)點(diǎn)分布，測(cè)點(diǎn)布置遵循的原則：測(cè)點(diǎn)1(F)為激振點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)5，6，8和10布置在夾層板板格中心，以采集到測(cè)試頻段內(nèi)板格出現(xiàn)的局部共振峰值響應(yīng)信號(hào)，其他正交加筋交叉處的測(cè)點(diǎn)則可反映模型的整體響應(yīng).

圖4 動(dòng)響應(yīng)測(cè)點(diǎn)布置

2.3 測(cè)試過程

動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、激振器、力和加速度傳感器、信號(hào)采集器，計(jì)算機(jī)，動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)激振器采用彈性吊裝方式，結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)激勵(lì)信號(hào)采用白噪聲，頻率范圍5～1 000 Hz.

3 動(dòng)力學(xué)響應(yīng)仿真計(jì)算方法研究

3.1 填充材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)

由于試模型填充材料為黏彈性阻尼材料，研究該型結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性，首先需獲取準(zhǔn)確材料黏彈性動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，材料動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)(儲(chǔ)能模量、損耗模量、損耗因子)通常采用動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析(DMTA)試驗(yàn)測(cè)試得到.目前，動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析儀僅能直接測(cè)量較低頻率下(1～150 Hz)的參數(shù)，要獲得較高頻率下的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)，需依靠高聚物粘彈性行為的時(shí)-溫等效原理進(jìn)行平移計(jì)算.模型填充材料采用某公司生產(chǎn)的HW050，制備50 mm×6 mm×1 mm尺寸的DMTA測(cè)試試件，見圖5.DMTA試驗(yàn)委托北京化工大學(xué)材料評(píng)價(jià)與測(cè)試中心進(jìn)行.

圖5 DMTA阻尼試件

在溫度0～150 ℃范圍內(nèi)每隔10 ℃做1～135 Hz的頻率掃描，測(cè)得HW050材料儲(chǔ)能模量、損耗模量隨頻率變化的曲線，見圖6.

圖6 不同溫度下HW050動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試頻譜

圖7為利用時(shí)-溫等效原理，將TTS掃描結(jié)果疊加轉(zhuǎn)換得到30 ℃下，HW050在0.1～1 000 Hz頻段內(nèi)損耗因子與頻率的關(guān)系曲線.

圖7 30 ℃下材料損耗因子頻譜

3.2 有限元建模

為較為準(zhǔn)確的反映結(jié)構(gòu)試驗(yàn)邊界條件，連同夾持工裝一道建立填充型碳/玻纖維復(fù)合材料夾層板ABAQUS動(dòng)響應(yīng)仿真模型，試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c工裝之間采用綁定約束，動(dòng)響應(yīng)計(jì)算測(cè)點(diǎn)與試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅３忠恢?，激?lì)力大小1 N，計(jì)算頻率范圍1～500 Hz，頻率間隔1 Hz.

鋼質(zhì)材料阻尼值通常取為0.005，復(fù)合材料面板采用單層板建模，其力學(xué)參數(shù)E1=E2=135 GPa,μ12=0.3，G12=5 GPa，ρ=1.61×103kg/m3.按照黏彈性材料頻變阻尼建模方法設(shè)置HW050浮體材料黏彈性動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)，暫不考慮纖維增強(qiáng)復(fù)合材料黏彈性頻變特性和阻尼系數(shù)各向異性，認(rèn)為表層碳/玻混雜纖維復(fù)合材料具備與均質(zhì)材料類似的阻尼特性，調(diào)整阻尼系數(shù)輸入，對(duì)比計(jì)算與試驗(yàn)曲線加以確定.

3.3 頻響曲線計(jì)算驗(yàn)證

針對(duì)夾層板給出離激勵(lì)點(diǎn)較近的板邊緣測(cè)點(diǎn)2和自由端測(cè)點(diǎn)13兩個(gè)測(cè)點(diǎn)頻率響應(yīng)計(jì)算和試驗(yàn)曲線，由于模型制作本身的誤差和邊界條件難以模擬，隨著頻率的增加，試驗(yàn)動(dòng)響應(yīng)較為復(fù)雜，模態(tài)密度增加，因此，僅給出1～500 Hz內(nèi)頻率響應(yīng)曲線，見圖8.

圖8 填充型正交加筋復(fù)合材料夾層板典型測(cè)點(diǎn)頻響曲線

由圖8可知：①在低頻段(f<5 Hz)，試驗(yàn)值與計(jì)算值差別很大，這是因?yàn)橐环矫娼Y(jié)構(gòu)剛度較大，另一方面白噪聲信號(hào)低頻段輸出能量不足；②夾層板計(jì)算值和試驗(yàn)值的總體趨勢(shì)基本相同，兩者的首階共振頻率和共振峰值基本吻合，首階共振頻率為15.6 Hz，計(jì)算值為16.9，差值百分比7.7%；③由于仿真模型激勵(lì)點(diǎn)位置正處于二階共振模態(tài)的節(jié)線上，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)2頻響計(jì)算曲線沒有出現(xiàn)二階共振峰值，而呈現(xiàn)反共振谷值.試驗(yàn)頻響曲線卻出現(xiàn)了二階共振峰值，這是由于試驗(yàn)中邊界存在反作用力，相當(dāng)于桁架平臺(tái)對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪┘虞d荷，激起結(jié)構(gòu)二階共振，試驗(yàn)共振頻率和計(jì)算反共振頻率接近；④結(jié)構(gòu)三階共振頻率差值百分比為17%，隨著模態(tài)階數(shù)升高，曲線共振頻率和峰值差別較大，這與仿真邊界條件固定過強(qiáng)(導(dǎo)致計(jì)算值高于試驗(yàn)值且對(duì)高階模態(tài)的影響更明顯)、試驗(yàn)中存在摩擦阻尼、結(jié)構(gòu)阻尼以及復(fù)合材料阻尼頻變特性等因素有關(guān).總的來說，采用ABAQUS仿真建模，在頻段200 Hz以下，計(jì)算曲線在整體趨勢(shì)上能較好地模擬試驗(yàn)結(jié)果，其前三階固有頻率差值百分比控制在20%以內(nèi).雖然共振頻率存在錯(cuò)位，但從共振峰值尖銳度來看，夾層板計(jì)算和試驗(yàn)曲線基本相同，說明計(jì)算所采用的阻尼系數(shù)能較好地反映結(jié)構(gòu)阻尼耗能特性，由此可認(rèn)為，本文給出的計(jì)算方法基本可靠，在采用ABAQUS計(jì)算碳/?；祀s纖維復(fù)合材料動(dòng)響應(yīng)時(shí)，復(fù)合材料阻尼值取0.05可行.

4 結(jié) 束 語

本文通過制備填充型正交加筋復(fù)合材料夾層板結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)響應(yīng)試驗(yàn)，同步采用ABAQUS結(jié)構(gòu)有限元分析軟件建立響應(yīng)數(shù)值仿真模型，探討該型夾層結(jié)構(gòu)建模方法和動(dòng)力學(xué)響應(yīng)計(jì)算方法.基于黏彈性材料DMTA測(cè)試結(jié)果，采用ABAQUS建立的填充型正交加筋復(fù)合材料夾層板動(dòng)力學(xué)仿真模型和計(jì)算方法基本可靠，其碳/玻混雜纖維復(fù)合材料的阻尼值取0.05較為合理.