淺析阻尼材料阻尼性能測試方法

【摘 要】綜合測定復(fù)合阻尼材料的阻尼性能，保證其對結(jié)構(gòu)有緩沖振動沖擊、噪聲和疲勞破壞的作用，對促進復(fù)合材料的發(fā)展有著積極的意義。本文結(jié)合試驗展開探討，使用科學(xué)合理的方法對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；纖維增強復(fù)合材料；試驗

0.引言

隨著我國經(jīng)濟的不斷增長和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各行各業(yè)對復(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。下面就通過試驗對這方面進行相關(guān)的討論分析。

1.理論預(yù)測模型

預(yù)測正交各向復(fù)合材料梁的阻尼性能是由Adamset、Bacon和Ni-Adams開始研究的。Ni-Adams通過考慮對稱鋪設(shè)復(fù)合材料梁的正應(yīng)力σ1、正應(yīng)變ε1、剪切應(yīng)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(yù)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(fù)合材料層合板面內(nèi)剪切時的阻尼因子的情況。

2.實驗分析

復(fù)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(guān)，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(fù)合材料制成試樣，測定試樣底部響應(yīng)衰減曲線，自由振動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。以自由振動時相繼兩次振動振幅比值的自然對數(shù)表示阻尼：

δ=In （1）

自由衰減法的測設(shè)系統(tǒng)主要包括試樣端部裝置，激勵信號系統(tǒng)和接受信號部分，由信號發(fā)生器通過電磁能轉(zhuǎn)換器對試樣施加激振力，然后由檢測裝置經(jīng)信號放大器送入記錄和分析儀器進行數(shù)據(jù)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(xù)頻率譜線。系統(tǒng)在運動每周振動所消耗的能量（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，材料的應(yīng)力應(yīng)變會有滯后現(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設(shè)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(zhuǎn)動的慣性體相連。

2.3振動法

將測試的復(fù)合材料制成梁，測定梁的振幅-頻率曲線，可得到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)損耗因子。

懸臂梁法測設(shè)阻尼因子的實驗裝置最初是由和Adams-Bacon與AdamsAdams共同發(fā)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(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)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(jié)果阻尼的峰值出現(xiàn)在纏繞角30°左右。

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

測試系統(tǒng)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(yīng)信號，經(jīng)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(yīng)函數(shù)曲線。根據(jù)半功率帶寬法計算阻尼比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°。

本次實驗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

靜力實驗中測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(jié)構(gòu)的損耗因子，可以通過降低頻率來實現(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模型與實驗結(jié)果的對比。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，ψ=2.09%，實驗值為θ=30°時，ψ=2.236%；碳纖維數(shù)值結(jié)果ψ峰值出現(xiàn)在θ=35°時，ψ=1.78%，實驗值為θ=30°時，ψ=1.77%。

4.結(jié)語

綜上所述，上文對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)的試驗來探討復(fù)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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