淺析阻尼材料阻尼性能測(cè)試方法

【摘 要】綜合測(cè)定復(fù)合阻尼材料的阻尼性能，保證其對(duì)結(jié)構(gòu)有緩沖振動(dòng)沖擊、噪聲和疲勞破壞的作用，對(duì)促進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展有著積極的意義。本文結(jié)合試驗(yàn)展開探討，使用科學(xué)合理的方法對(duì)比分析了玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料單向板試件阻尼，期望能給人們這方面有意的參考。

【關(guān)鍵詞】阻尼；懸臂梁；纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；試驗(yàn)

0.引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)復(fù)合材料的使用越來越多。但是由于復(fù)合材料的阻尼性能受到許多因素的影響，如何深入研究這些因素來提高復(fù)合材料的阻尼性能，更好地使用復(fù)合材料成為了人們關(guān)心的問題。下面就通過試驗(yàn)對(duì)這方面進(jìn)行相關(guān)的討論分析。

1.理論預(yù)測(cè)模型

預(yù)測(cè)正交各向復(fù)合材料梁的阻尼性能是由Adamset、Bacon和Ni-Adams開始研究的。Ni-Adams通過考慮對(duì)稱鋪設(shè)復(fù)合材料梁的正應(yīng)力σ1、正應(yīng)變?chǔ)?、剪切應(yīng)變?chǔ)?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.實(shí)驗(yàn)分析

復(fù)合材料阻尼性能與纖維角度、振動(dòng)頻率、樹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。

2.1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：

δ=In （1）

自由衰減法的測(cè)設(shè)系統(tǒng)主要包括試樣端部裝置，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。

2.2相位法

通過測(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（ΔW）與其最大應(yīng)變能（W）的比值，即耗能比（Ψ）表征阻尼大小：

Ψ= （2）

粘彈性材料的阻尼，當(dāng)其受到的外力與角頻率為ω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。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，另一端通過工裝和自由轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性體相連。

2.3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測(cè)試玻璃纖維/DX310樹脂試件相同，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，美國(guó)國(guó)標(biāo)ASTME756-04，采用振動(dòng)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

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ζ，通過公式間接求出材料的結(jié)構(gòu)阻尼（損耗因子η）。

試件為纖維單向角度，試件尺寸分為200×10×2mm、180×10×2mm，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)氧樹脂，纖維體積分?jǐn)?shù)60%。

3.阻尼與頻率的關(guān)系

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，

ν=0.3

Q11=50.5GPa，Q12=2.57GPa，Q16=0

Q22=11GPa，Q26=0，Q66=4.6GPa

碳纖維單向板工程常數(shù)為：

EL=144GPa，ET=12GPa，GLT=4GPa，

ν=0.3

Q11=158.2GPa，Q12=2.32GPa，Q16=0

Q22=13.2GPa，Q26=0，Q66=4GPa

從圖2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，θ=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Ψ大些。從而可以得出，如果提高材料或結(jié)構(gòu)的損耗因子，可以通過降低頻率來實(shí)現(xiàn)。

圖3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ψ峰值出現(xiàn)在θ=35°時(shí)，ψ=2.09%，實(shí)驗(yàn)值為θ=30°時(shí)，ψ=2.236%；碳纖維數(shù)值結(jié)果ψ峰值出現(xiàn)在θ=35°時(shí)，ψ=1.78%，實(shí)驗(yàn)值為θ=30°時(shí)，ψ=1.77%。

4.結(jié)語

綜上所述，上文對(duì)比分析了玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料試件的損耗因子，可以知道復(fù)合材料的損耗因子受到許多因素的影響，降低測(cè)試頻率能有效提高復(fù)合材料的阻尼性能，不同的復(fù)合材料損耗因子和阻尼性能都不同，我們要嚴(yán)格通過相關(guān)的試驗(yàn)來探討復(fù)合材料的性能，才能更好地對(duì)其進(jìn)行使用。

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