淺析阻尼材料阻尼性能測試方法

【摘 要】綜合測定復合阻尼材料的阻尼性能，保證其對結構有緩沖振動沖擊、噪聲和疲勞破壞的作用，對促進復合材料的發展有著積極的意義。本文結合試驗展開探討，使用科學合理的方法對比分析了玻璃纖維和碳纖維復合材料單向板試件阻尼，期望能給人們這方面有意的參考。

【關鍵詞】阻尼；懸臂梁；纖維增強復合材料；試驗

0.引言

隨著我國經濟的不斷增長和科學技術的發展，各行各業對復合材料的使用越來越多。但是由于復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合材料的阻尼性能，更好地使用復合材料成為了人們關心的問題。下面就通過試驗對這方面進行相關的討論分析。

1.理論預測模型

預測正交各向復合材料梁的阻尼性能是由Adamset、Bacon和Ni-Adams開始研究的。Ni-Adams通過考慮對稱鋪設復合材料梁的正應力σ1、正應變ε1、剪切應變γ1及其耦合的影響，對阻尼元的模型進行了修改，提高了預報的精度。主要考慮纖維角度和固有頻率對于材料阻尼的影響。Adams和Maheri同樣使用了Adams-Bacon法對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合材料層合板面內剪切時的阻尼因子的情況。

2.實驗分析

復合材料阻尼性能與纖維角度、振動頻率、樹脂含量等多種因素有關，常用的測試方法有自由衰減法、相位法、振動法等。

2.1自由衰減法

將所測試復合材料制成試樣，測定試樣底部響應衰減曲線，自由振動的振幅衰減速度和阻尼直接相關，用來衡量系統的阻尼特性。以自由振動時相繼兩次振動振幅比值的自然對數表示阻尼：

δ=In （1）

自由衰減法的測設系統主要包括試樣端部裝置，激勵信號系統和接受信號部分，由信號發生器通過電磁能轉換器對試樣施加激振力，然后由檢測裝置經信號放大器送入記錄和分析儀器進行數據處理，計算阻尼因子。

2.2相位法

通過測量頻率而變化的相位差求的材料損耗因子的連續頻率譜線。系統在運動每周振動所消耗的能量（ΔW）與其最大應變能（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，當其受到的外力與角頻率為ω有關時，材料的應力應變會有滯后現象，即應力-應變曲線為橢圓形的滯回曲線。

相位法主要采用扭擺儀測設各類材料的機械振動能吸收譜。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動的慣性體相連。

2.3振動法

將測試的復合材料制成梁，測定梁的振幅-頻率曲線，可得到相應的結構損耗因子。

懸臂梁法測設阻尼因子的實驗裝置最初是由和Adams-Bacon與AdamsAdams共同發展的。測試阻尼的懸臂梁振動頻率一般在30-1000Hz。在懸臂梁中間放傳感器，通過電荷放大器將測力計所測數據傳遞給數據分析儀。這套裝置與Gibsonetal測試玻璃纖維/DX310樹脂試件相同，所測實驗結果阻尼的峰值出現在纏繞角30°左右。

本文試件參照中國國標GB/T18258-2000，美國國標ASTME756-04，采用振動法進行實驗。

測試系統的儀器由激勵部分和檢測部分組成，對試樣一端施加激振載荷。由檢測傳感器檢測試樣的振動響應信號，經信號放大器后送入顯示與記錄儀。輸出信號計算得到頻率-響應函數曲線。根據半功率帶寬法計算阻尼比ζ，通過公式間接求出材料的結構阻尼（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于阻尼結果的影響。試件纖維與主軸方向取7種角度：0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°。

本次實驗中使用的試件材料為玻璃纖維、碳纖維（T700）和環氧樹脂，纖維體積分數60%。

3.阻尼與頻率的關系

靜力實驗中測得玻璃纖維單向板工程常數：

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，玻纖復合材料的損耗因子與測設頻率變化相關，頻率增，損耗因子反而減小。損耗因子的峰值是出現在f=50Hz，θ=30°左右。從圖3可以明顯的得出，f=50Hz在時比100Hz和300Hz時，損耗因子Ψ大些。從而可以得出，如果提高材料或結構的損耗因子，可以通過降低頻率來實現。

圖3所示為玻纖和碳纖維復合材料單向試件阻尼與Adamset-Bacon模型、Ni-Adams模型與實驗結果的對比。從圖中可以得出，復合材料的阻尼性能受到纖維角度影響比較明顯。玻璃纖維數值結果ψ峰值出現在θ=35°時，ψ=2.09%，實驗值為θ=30°時，ψ=2.236%；碳纖維數值結果ψ峰值出現在θ=35°時，ψ=1.78%，實驗值為θ=30°時，ψ=1.77%。

4.結語

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

【參考文獻】

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