復(fù)合材料阻尼性能的測(cè)試與分析武海鵬【摘要】對(duì)復(fù)合材料的阻尼性能準(zhǔn)確測(cè)試,實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)沖擊、噪聲和疲勞破壞的有效控制，有著極其重要的工程實(shí)際意義.本文從試驗(yàn)出發(fā)，通過(guò)Adams-Bacon法和Ni-Adams法對(duì)玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料單向板試件阻尼進(jìn)行分析對(duì)比，討論本文采用實(shí)驗(yàn)方法的可靠性.【期刊名稱】《纖維復(fù)合材料》【年(卷)，期】2015(032)001【總頁(yè)?】5頁(yè)(P26-30)【關(guān)鍵詞】阻尼;懸臂梁;纖維增強(qiáng)復(fù)合材料【作者】武海鵬【作者單位】哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱150036【正文語(yǔ)種】中文先進(jìn)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于高比強(qiáng)、高比模等優(yōu)越性能，在航空航天、建筑、交通、機(jī)械等領(lǐng)域得到了愈來(lái)越廣泛的應(yīng)用。阻尼性能是先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)用中的重要組成部分，尤其在沖擊、噪聲領(lǐng)域中。在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料阻尼性能分析及其預(yù)報(bào)方面，Schultz和Tsai[1]、Hashin[2]及Adams[3-5]進(jìn)行復(fù)合材料阻尼開(kāi)創(chuàng)性研究工作；其后德國(guó)的H.Oberst和法國(guó)的P.Lienard[6]對(duì)懸臂梁的結(jié)構(gòu)損耗因子進(jìn)行了理論分析和計(jì)算，其結(jié)構(gòu)阻尼損耗因子可達(dá)到0.06~0.25左右；J.M.Berthelot和Y.Sefrani[6]對(duì)單向玻纖和芳綸纖維復(fù)合材料進(jìn)行了研究，考察頻率和纖維角度對(duì)復(fù)合材料損耗因子的影響。Adams&Bacon［4-5］以層合板阻尼性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，提出了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料阻尼元模型；Adams和Maheri［7］通過(guò)對(duì)不同鋪設(shè)角度的層和板振動(dòng)進(jìn)行研究，得出鋪設(shè)角度對(duì)于結(jié)構(gòu)阻尼的耦合效應(yīng)。Adams等［8-9］利用自由梁彎曲振動(dòng)方法，研究了單向增強(qiáng)復(fù)合材料在不同溫度下的動(dòng)態(tài)特性和阻尼。馮文賢、陳新［10］等通過(guò)討論振動(dòng)系統(tǒng)的阻尼矩陣，構(gòu)造了一個(gè)利用動(dòng)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定多項(xiàng)式的優(yōu)化估計(jì)算法；丁康等［11］通過(guò)對(duì)自由衰減振動(dòng)信號(hào)采集，利用離散頻譜峰值，提出一種精確計(jì)算結(jié)構(gòu)小阻尼的新方法；徐興［12］等利用流變振動(dòng)儀測(cè)設(shè)等截面桿的振動(dòng)，來(lái)確定材料的阻尼，同樣十分方便有效。R.F.Gibson等［13］研究了短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中纖維相互作用、纖維長(zhǎng)徑比、界面結(jié)合狀況等因素對(duì)材料阻尼性能的影響。預(yù)測(cè)正交各向復(fù)合材料梁的阻尼性能是由Adamset、Bacon［14］和Ni-Adams［15］開(kāi)始研究的。Ni-Adams［15］通過(guò)考慮對(duì)稱鋪設(shè)復(fù)合材料梁的正應(yīng)力。1、正應(yīng)變￡1、剪切應(yīng)變Y1及其耦合的影響，對(duì)阻尼元的模型進(jìn)行了修改，提高了預(yù)報(bào)的精度。主要考慮纖維角度和固有頻率對(duì)于材料阻尼的影響。Adams和Maheri［7］同樣使用了Adams-Bacon法對(duì)玻璃纖維和碳纖維層合板阻尼性能隨著纏繞角度變化影響的研究。Yim-Jang［16］更多的使用了Adams-Bacon法研究各種類型的復(fù)合材料層合板面內(nèi)剪切時(shí)的阻尼因子的情況。2.1Adams-Bacon法對(duì)于正交各向異性材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可表述為：其中柔度系數(shù)：材料的損耗因子W表達(dá)為：其中SU:單元應(yīng)變能存儲(chǔ)可表達(dá)為：8U=SU11+SU22+8U666(AU)：?jiǎn)卧獞?yīng)變能耗散表達(dá)為：8(AU)=8(AU11)+S(AU22)+8(AU66)單元在材料主軸方向的應(yīng)力表達(dá)式：a1=axxcos20a2=axxsin20a6=-axxsin0cos0所以：與坐標(biāo)軸成0方向的能量損耗率即損耗因子px可表達(dá)為：2.2Ni-Adams分析取試件作懸臂梁，長(zhǎng)度為a，寬度為6自由端x方向上加載Mx的彎矩，且My=Mxy=0。根據(jù)經(jīng)典層合理論，彎曲率為：為懸臂梁彎曲剛度矩陣的逆陣分量。kx：沿x軸向的彎曲曲率；ky:波松耦合曲率；kxy：扭轉(zhuǎn)彎曲耦合曲率。對(duì)于懸臂梁結(jié)構(gòu)，同樣只ox考慮存在：應(yīng)力分量表達(dá)式為：。6=單元的耗散能量和總應(yīng)變能表達(dá)式為：AU=AU11+AU22+AU66My和Mxy可忽略，則U的表達(dá)式：則x坐標(biāo)軸向的損耗因子：ip(0)=px+py+pxy=p11a11(0)+p22a22(0)+p66a66(0)其中：復(fù)合材料阻尼性能與纖維角度、振動(dòng)頻率、樹(shù)脂含量等多種因素有關(guān)，常用的測(cè)試方法有自由衰減法、相位法、振動(dòng)法等。3.1自由衰減法將所測(cè)試復(fù)合材料制成試樣，測(cè)定試樣底部響應(yīng)衰減曲線，自由振動(dòng)的振幅衰減速度和阻尼直接相關(guān)，用來(lái)衡量系統(tǒng)的阻尼特性。以自由振動(dòng)時(shí)相繼兩次振動(dòng)振幅比值的自然對(duì)數(shù)表示阻尼［17］:自由衰減法的測(cè)設(shè)系統(tǒng)主要包括試樣端部裝置［16］,激勵(lì)信號(hào)系統(tǒng)和接受信號(hào)部分，由信號(hào)發(fā)生器通過(guò)電磁能轉(zhuǎn)換器對(duì)試樣施加激振力，然后由檢測(cè)裝置經(jīng)信號(hào)放大器送入記錄和分析儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算阻尼因子。3.2相位法通過(guò)測(cè)量頻率而變化的相位差求的材料損耗因子的連續(xù)頻率譜線。系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)每周振動(dòng)所消耗的能量(AW)與其最大應(yīng)變能(W)的比值，即耗能比(W)表征阻尼大?。赫硰椥圆牧系淖枘?，當(dāng)其受到的夕卜力與角頻率為3有關(guān)時(shí)，材料的應(yīng)力應(yīng)變會(huì)有滯后現(xiàn)象，即應(yīng)力-應(yīng)變曲線為橢圓形的滯回曲線。相位法主要采用扭擺儀測(cè)設(shè)各類材料的機(jī)械振動(dòng)能吸收譜［17］。扭擺儀主要由試樣、夾頭和慣性體組成，試樣的一端用工裝固定，另一端通過(guò)工裝和自由轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性體相連。3.3振動(dòng)法將測(cè)試的復(fù)合材料制成梁，測(cè)定梁的振幅-頻率曲線，可得到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)損耗因子。懸臂梁法測(cè)設(shè)阻尼因子的實(shí)驗(yàn)裝置最初是由和Adams-Bacon與AdamsAdams［4-5］共同發(fā)展的。測(cè)試阻尼的懸臂梁振動(dòng)頻率一般在30-1000Hz。在懸臂梁中間放傳感器，通過(guò)電荷放大器將測(cè)力計(jì)所測(cè)數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)分析儀。這套裝置與Gibsonetal［18］測(cè)試玻璃纖維/DX310樹(shù)脂試件相同，所測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果阻尼的峰值出現(xiàn)在纏繞角30°左右。本文試件參照中國(guó)國(guó)標(biāo)GB/T18258-2000[19],美國(guó)國(guó)標(biāo)ASTME756-04[20],采用振動(dòng)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置如下：測(cè)試系統(tǒng)的儀器由激勵(lì)部分和檢測(cè)部分組成，對(duì)試樣一端施加激振載荷。由檢測(cè)傳感器檢測(cè)試樣的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大器后送入顯示與記錄儀。輸出信號(hào)計(jì)算得到頻率-響應(yīng)函數(shù)曲線。根據(jù)半功率帶寬法計(jì)算阻尼比Z,通過(guò)公式間接求出材料的結(jié)構(gòu)阻尼(損耗因子n)。試件為纖維單向角度，試件尺寸分為200x10x2mm、180x10x2mm,目的在于獲取不同的頻率對(duì)于阻尼結(jié)果的影響。試件纖維與主軸方向取7種角度：0°,15°,30°,45°,60°,75°,90°。本次實(shí)驗(yàn)中使用的試件材料為玻璃纖維、碳纖維(T700)和環(huán)氧樹(shù)脂，纖維體積分?jǐn)?shù)60%。靜力實(shí)驗(yàn)中測(cè)得玻璃纖維單向板工程常數(shù)：EL=46GPa,,ET=10GPa,GLT=4.6GPa,v=0.3Q11=50.5GPa,Q12=2.57GPa,Q16=0Q22=11GPa,Q26=0,Q66=4.6GPa碳纖維單向板工程常數(shù)為：EL=144GPa,,ET=12GPa,GLT=4GPa,v=0.3Q11=158.2GPa,Q12=2.32GPa,Q16=0Q22=13.2GPa,Q26=0,Q66=4GPa圖3-圖5為玻璃纖維復(fù)合材料的不同角度試件損耗因子與頻率變化時(shí)的曲線關(guān)系。從圖3-圖5可以看出，玻纖復(fù)合材料的損耗因子與測(cè)設(shè)頻率變化相關(guān)，頻率增，損耗因子反而減小。損耗因子的峰值是出現(xiàn)在f=50Hz,0=30°左右。從圖3可以明顯的得出，f=50Hz在時(shí)比100Hz和300Hz時(shí)，損耗因子W大些。從而可以得出，如果提高材料或結(jié)構(gòu)的損耗因子，可以通過(guò)降低頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖6-圖7所示為玻纖和碳纖維復(fù)合材料單向試件阻尼與Adamset-Bacon模型、Ni-Adams模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。從圖中可以得出，復(fù)合材料的阻尼性能受到纖維角度影響比較明顯。玻璃纖維數(shù)值結(jié)果W峰值出現(xiàn)在0=35°時(shí)，W=2.09%,實(shí)驗(yàn)值為0=30°時(shí)，『2.236%;碳纖維數(shù)值結(jié)果W峰值出現(xiàn)在0=35°時(shí)，W=1.78%，實(shí)驗(yàn)值為0=30。時(shí)，W=1.77%。通過(guò)對(duì)玻纖和碳纖維復(fù)合材料試件損耗因子的兩種預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，可得出如下結(jié)論：復(fù)合材料的損耗因子有很多影響相關(guān)因素，比如纖維的角度0、纖維體積分?jǐn)?shù)、測(cè)試頻率等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得出，降低測(cè)試頻率有利于提高復(fù)合材料的阻尼性能；不同的復(fù)合材料損耗因子出現(xiàn)的峰值不同，這主要是由材料本身阻尼性能不同弓I起的。纖維體積分?jǐn)?shù)相同時(shí)，玻纖比碳纖維復(fù)合材料阻尼性能更優(yōu)越；本文所選用的振動(dòng)法測(cè)試復(fù)合材料阻尼，與Adamset-Bacon法和Ni-Adams法2種理論預(yù)測(cè)結(jié)果符合，可以準(zhǔn)確的得到復(fù)合材料材料單向板的阻尼性能?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】SchultzAB,TsaiSW.Dynamicmodulianddampingratioinfiber-reinforcedcomposites[J].JCompositeMaterials,1968(2):368-379.Hashin/.ComplexmoduliofviscoelasticcompositesGeneraltheoryandapplicationtoparticulatecomposites[J].IntJSolidsandStruct,1970(6):539-552.AdamsRD,FoxMao,Flood.Thedynamicpropertiesofunidirectionalcarbonandglassfiber-reinforcedplasticsintorsionandflexure[J].JCompMater,1969(3):594-603.AdamsRD,BaconDGC.MeasurementofflexuraldynamiccapacityanddynamicYoung’smodulusofmetalsandreinforcedplastic[J].JPhysD:ApplPlys,1973(6):27-41.AdamsRD,BaconDGC.Effectfiber-orinentationandlaminategeometryonpropertiesofCFRP[J].JCompMater,19737):402-428.BerthelotJM,SefraniY.DampinganalysisofunidirectionalglassandKelvarfibrecomposites[J].CompositesScienceandTechnology,2004,64(9):1261-1278.AdamsRD,MasheriMR.Dynamicflexuralpropertiesofanisotropicfibrouscompositesbeam[J].CompSciTechnol,1994(50):497-514.AdamsRD,MaheriMR.Dampinginadvancedpolymer-matrixcomposites[J].JournalofAlloysCompounds,2003,355(1):126-130.MaheriMR,AdamsRD.ModalvibrationdampingofanisotropicFRPlaminatesusingtheRay-Ritzenergyminimizationscheme[J].Journalofsoundandvibration,2003,259(1):17-29.馮文賢，陳新.結(jié)構(gòu)振動(dòng)系統(tǒng)阻尼矩陣的估計(jì)方法[J]廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006,18(3):57-60.丁康，謝明，蘇向榮.一種精確計(jì)算結(jié)構(gòu)小阻尼的新方法[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009,37(9):17-20.徐興，凌道盛，吳強(qiáng).阻尼材料復(fù)模量測(cè)設(shè)中的動(dòng)力學(xué)分析[J].振動(dòng)工程，1996，9(4):20-21.GisionRF.Theuseofstrainenergy-basedfiniteelementtechniquesintheanalysisofvariousaspectsofcompositematerialsandstructures[J].JournalofCompositesMaterials,1992,26(17):2585-2605.AdamsRD,BaconDGC.EffectoffiberorientationandlaminategeometryonthedynamicpropertiesofCFRP[J].JCompMater,1973(7):402-408.NiRG,AdamsRD.Thedampinganddynamicmoduliofsymmetriclaminatedcompositebeamstheoreticalandexperimentalresults[J].CompSciTechnol,1984(18):104-121.YimJH,JangBZ.Ananalyticalmethodforpredictionofthedampinginsymmetricbalancedlaminatescomposites[J].PolymComp,1990(20):192-199.AdamsRD,FoxMao,FloodRJL.Thedynamicpropertiesofunidirectionalcarbonandglassfiberreinforcedplasticsintorsion