大阻尼高比剛度復合材料儀表板結構設計及動態特性分析

梁 森 ， 張術國， 梁天錫， 韋利明

(1. 青島理工大學 機械工程學院，山東 青島 266033；2 中國工程物理研究院，四川 綿陽 621900)

大阻尼高比剛度復合材料儀表板結構設計及動態特性分析

梁 森1， 張術國1， 梁天錫2， 韋利明2

(1. 青島理工大學 機械工程學院，山東 青島 266033；2 中國工程物理研究院，四川 綿陽 621900)

提出了一種新型五層夾芯復合材料儀表板的設計結構，其中上、下蒙皮和中心層設計成嵌入式共固化多層阻尼復合材料結構，并在上蒙皮和中心層以及在下蒙皮和中心層之間設計成一定厚度的聚甲基丙烯酰亞胺泡沫材料，通過有限元數值模擬對其動力學性能進行研究，并與制作出試件的模態分析實驗結果進行對比，表明此種設計結構具有非常高的阻尼和比剛度特性，為輕質精密復合材料儀表板設計理論和制作工藝的進一步研究奠定了堅實的基礎。

夾芯復合材料結構；嵌入式共固化多層阻尼復合材料；結構設計；數值模擬；模態分析實驗

在各種航天器、航空器的設計中，幾乎都想將精密儀表、導航裝置、控制裝置等多種元器件安裝于同一面板上，形成結構和受力比較復雜的綜合儀表板[1]。隨著科學技術的飛速發展，人們對航天器和航空器運行速度和運動精度的要求在不斷提高，這就想使儀表板在復雜運行狀態和遇到突發狀況時還能保持較高的運動平穩性和精度，傳統材料已無法滿足其使用要求，以復合材料為代表的新事物不斷涌現，并得到廣泛應用，特別是在復雜工作環境下復合材料板的制作中也涌現出了一系列符合特殊功能要求、并且組分配合性能優異的結構，它為復雜設計奠定了基礎[2]，也讓人們把注意力聚集到高比剛度、大阻尼且力學性能均衡的高性能儀表板上。然而傳統的自由阻尼和約束阻尼及阻尼共固化優化形式[3-5]均不能滿足儀表板高比剛度和大阻尼的要求，因此如何在保證儀表板高比剛度要求的前提下提高阻尼性能成為結構設計的一個難點課題。為此本文設計了一種新型五層夾芯復合材料儀表板結構，在該結構的上、下蒙皮和中心層提出使用嵌入式共固化多層阻尼復合材料結構形式[6-11]，并在上蒙皮和中心層以及在下蒙皮和中心層之間設計一定厚度的聚甲基丙烯酰亞胺(Polymethacrylimide, PMI) 泡沫。通過有限元數值模擬對其動力學性能進行研究，并與制作出試件的模態分析實驗結果進行對比，說明此種設計結構具有非常高的阻尼特性，結論為輕質精密復合材料儀表板設計理論和制作工藝的進一步研究奠定了堅實的基礎。

1 結構設計

在分析前人鋁合金儀表板減振結構設計和受力特點的基礎上，提出圖1所示新型儀表板結構，特點是運用嵌入式共固化大阻尼復合材料結構分別制作儀表板的上、下蒙皮和中心層，以保證結構的大阻尼特性；并在上蒙皮和中心層以及在下蒙皮和中心層之間設計一定厚度的PMI泡沫，以保證結構的高比剛度特性。與儀器和支架相連的螺釘套就預埋在其中，整個結構采用五層夾芯結構。儀表板設計直徑為340 mm，總體厚度為15 mm。其上、下蒙皮鋪層的方式為[45°/s/90° /s/0°/s/-45°]，中間層的鋪層方式為[45°/s/90°/s/0°/s/90° /s/45°]，其中s表示黏彈性材料層，每層厚度0.1 mm, 共厚為1 mm。碳纖維預浸料(CF3031/QY 8911)層厚為0. 25 mm，上、下蒙皮和中間層的制作過程及其力學性能，在參考文獻[6-11]中有詳細論述。

圖1 儀表板整體結構示意圖Fig.1 The schematic diagram of the instrument panel structure

由于PMI泡沫材料具有高的比強度、比模量，同時還具有耐疲勞、減振、降噪、隔聲、隔熱的作用。根據固體力學理論，板的彎曲剛度與厚度的3次方成正比，厚度越大，板的剛度也就越大，但是單純的增加厚度也會帶來整體儀表板重量的加大，為滿足重量要求，這里采用面板與PMI多層夾芯組合的形式，其主要作用就是在保證整體結構剛度和尺寸的前提下降低整體質量和提高結構比剛度[12-15]。而在上、下蒙皮和中間層與PMI泡沫之間采用耐高溫、強度大、耐持久的J-116A膠黏劑實現各板與PMI泡沫的連接[16-17]。

為降低儀表板的質量和提高螺釘套的粘接強度，本文設計的螺釘套選用鈦合金，具體結構如圖1所示，其中左邊的螺釘套用于儀表板與儀表之間的連接；右邊的螺釘套用于儀表板和支架之間的連接[18-20]。

2 數值模擬與實驗驗證

為了驗證本文設計出儀表板優良的動力學性能，采用ANSYS有限元分析軟件進行數值模擬，探索這種大阻尼、高比剛度復合材料儀表板的動力學特性。具體模擬分析過程主要包括：構建有限元模型、添加邊界條件及求解、結果提取和分析。

2.1 構建有限元模型

有限元軟件ANSYS14.0提供了多種用于纖維增強復合材料結構分析的專用單元, 這里選用的單元為SOLID185,它是一種三維多層實體單元, 具有八個節點,每個節點具有三個自由度,分別是x,y,z方向的位移, 在SOLID185實常數的定義中可以輸入每一鋪層的材料特性、鋪設角度以及厚度。粘彈性材料、金屬螺釘套固定件和PMI泡沫材料也采用了SOLID185建模,此時輸入的材料特性為各向同性。

碳纖維復合材料為各向異性材料，本文選用的碳纖維復合材料的參數見表1，黏彈性材料、PMI泡沫材料、鈦合金材料均為各向同性材料，其參數見表2～表4。

表1 碳纖維復合材料的材料參數Tab.1 Material parameters of carbon fiber composite

表2 黏彈性材料參數Tab.2 Viscoelastic material parameters

表3 PMI泡沫材料參數Tab.3 PMI Foam material parameters

表4 鈦合金材料參數Tab.4 Titanium alloy material parameters

2.2 邊界條件

儀表板是通過周邊的12個螺栓孔緊固在圓環寬度為10 mm的支架表面上，為此有限元模型就約束了該圓環上所有節點x,y,z方向的自由度，使得儀表板數值模擬邊界條件與實際情況基本一致，具體如圖2所示，周邊單元節點是約束節點。

圖2 網格劃分和邊界條件Fig.2 Meshing and boundary condition

2.3 實驗驗證

為了比較，本文對制作出儀表板試件進行模態實驗，通過模態分析技術研究其動力學特性。

2.3.1 實驗所用儀器

圖3 實驗儀器和試件裝夾Fig.3 Experimental instrument and specimen clamped

2.3.2 實驗方法

實驗所采用夾具是自制的，目的是為模擬儀表板的實際工作環境，同樣采用12個螺釘將儀表板固定在夾具頂面寬度為10 mm的圓環表面上，夾具下側為方形板用于和試驗臺固定。

實驗使用放射狀網格，測點分為4圈，每圈有8個測點，各圈之間距離并不相等，而是由里向外逐漸減小以使整個測點均勻分布在儀表板上，具體見圖3(b)。測量按多點激勵單點響應的原理進行，采用5次平均獲各測量點的振動信號，通過數據分析就能得到儀表板的實驗模態參數，即模態阻尼，模態頻率，模態振型等。

2.3.3 模擬結果和實驗結果對比

本文采用模態分析，通過*GET命令提取每種材料應變能，再用自編程序計算模態損耗因子，輸出固有頻率，并將模擬結果與實驗結果進行對比。具體如表5、圖4、圖5、圖6和圖7，其中圖的左邊為模擬結果，右邊為實驗結果。

表5 模擬數據與實驗結果Tab.5 Simulation data and experimental results

圖4 一階模態振型對比Fig.4 Comparison of first order mode shapes

圖5 二階模態振型對比Fig.5 Comparison of second order mode shapes

圖6 三階模態振型對比Fig.6 Comparison of third order mode shapes

圖7 四階模態振型對比Fig.7 Comparison of fourth order mode shapes

通過對比知，實驗結果與模擬數據基本吻合，證明了本文數值模擬模型和方法的有效性，為今后復合材料儀表板的數值模擬和設計方法奠定基礎。由于分析的一階模態損耗因子超過6%，一階固有頻率也在25 Hz以上，可見本復合材料儀表板附和了大阻尼高比剛度的設計要求，也證明了嵌入式多層分布的粘彈性材料結構能夠切實有效地增加儀表板的阻尼性能。但是實驗結果與模擬數據之間仍存在一定誤差，究其主要原是：數值模擬的邊界約束僅在儀表板底面10 mm圓環上，與實際螺釘固定周邊圓環還存在一定差異。

3 儀表板結構的進一步數值模擬

按照上述方法進一步對儀表板結構進行數值模擬，探索儀表板性能與中間黏彈性層厚度、PMI層厚度以及PMI材質參數之間的變化規律。

3.1 中間黏彈性層厚度對阻尼性能影響

改變中間4層阻尼厚度，通過改變PMI泡沫層厚度使適應儀表板總厚為15 mm，上下蒙皮中的彈黏性層厚度保持不變，以探索儀表板阻尼性能隨中間層黏彈性層厚度的變化規律。

由表6、圖8和圖9可知：損耗因子隨著阻尼層厚度增大而提高，固有頻率則隨之降低。究其原因是當阻尼層厚度增加時，黏彈性材料在結構中所占的比重增加，使得整體結構阻尼和質量增加而剛度下降，結構模態頻率又與其模態剛度與模態質量比的平方根成正比，從而使其頻率隨著黏彈性層厚度增加而下降低。

表6 損耗因子與黏彈性厚度模擬結果Tab.6 Loss factor vs viscoelastic layer thickness

圖8 損耗因子與黏彈性層厚度的模擬結果Fig 8 Loss factor vs viscoelastic layer thickness

3.2 PMI層厚度對阻尼性能影響

改變PMI層厚度，儀表板總厚隨PMI層厚度變化而變化，保持阻尼層數和厚度不變，以探索儀表板阻尼隨PMI泡沫層厚度的變化規律。

圖9 一階頻率與黏彈性層厚度的模擬結果Fig 9 Natural frequency vs viscoelastic layer thickness

由表7、圖10和圖11可知：損耗因子隨著PMI層厚度增大而減小，固有頻率則隨之增大。原因在于PMI泡沫層厚度的增加，黏彈性材料所占的比重也隨之減小，導致整體結構的阻尼減小；而PMI泡沫層厚度的增加使儀表板的比彎曲剛度提升，因此，阻尼損耗因子隨著PMI泡沫層厚度的增加而減小，模態頻率則隨著PMI泡沫層厚度的增加而增大。

表7 損耗因子與PMI厚度模擬結果Tab.7 Loss factor vs PMI foam layer thickness

圖10 損耗因子與PMI泡沫厚度的模擬結果Fig10 Loss factor vs PMI foam layer thickness

圖11 一階頻率與PMI泡沫厚度的模擬結果Fig11 Natural frequency vs PMI foam layer thickness

3.3 PMI材料參數對阻尼性能影響

保持PMI層厚度不變，這樣儀表板厚度為15 mm，市面上常見的PMI泡沫材料牌號共有四種，在有限元分析中通過改變PMI泡沫層材質參數，探索儀表板阻尼性能隨PMI泡沫層材質參數的變化規律。

由表8、表9、圖12和圖13知：損耗因子隨著PMI泡沫材料彈性模量的減小而增加，固有頻率則隨之降低。究其原因是當PMI泡沫材料彈性模量增加時，整個結構的剛度在提高，在其它條件幾乎不變情況下整體結構的阻尼會減小(質量會微微增加)；由于結構固有頻率與結構模態剛度與模態質量比的平方根成正比，所以一階模態頻率隨著PMI泡沫材料彈性模量的降低而降低。

表8 PMI材料型號、密度與模量Tab.8 The density and modulus vs PMI model number

表9 損耗因子和固有頻率隨PMI材料型號的變化結果Tab.9 Loss factor and nature frequency vs PMI model number

圖12 損耗因子與PMI泡沫材料彈性模量的模擬結果Fig12 Loss factor vs modulus of elasticity of PMI

從本文的第2、3節來看，設計確定的阻尼層0.1 mm、PMI材質型號為rohace11厚5.505 mm未必是最優秀的結構，但是如果兼顧了儀表板的重量和靜力學性能，該設計結果應當是比較好的選擇。

圖13 一階頻率與PMI泡沫材料彈性模量的模擬結果Fig13 Natural frequency vs modulus of elasticity of PMI

4 結 論

本文提出了一種新型五層夾芯復合材料儀表板的設計結構，其中上、下蒙皮和中心層設計成嵌入式共固化多層阻尼復合材料結構，并在上蒙皮和中心層以及在下蒙皮和中心層之間設計成一定厚度的PMI泡沫材料，通過有限元數值模擬軟件對其動力學性能進行研究，并與制作出試件的模態分析實驗結果進行對比，驗證了本文所建模型和分析方法的有效性，通過用驗證的模型和方法對該結構作進一步探索，得出了如下重要結論：

(1) 儀表板的阻尼損耗因子隨著粘彈性材料層相對厚度增加而增加，固有頻率則隨著粘彈性材料層相對厚度增加而降低；

(2) 儀表板的阻尼損耗因子隨著PMI泡沫材料層厚度的增大而減小，固有頻率則隨之增大；

(3) 儀表板的阻尼損耗因子隨著PMI泡沫材料彈性模量的減小而增加，固有頻率則隨之降低，結論為輕質精密復合材料儀表板設計理論和制作工藝的進一步研究奠定了堅實基礎。

致謝

感謝北京625所曹正華、陳靜、梁恒亮等研究員的支持，有了他們的幫助才使得復合材料儀表板制作得以實現。

[ 1 ] 祁麗霞,段俊法,白雅娟,等.復雜儀表板元件設計序列確定方法研究[J].工程設計學報,2008(5):357-360. QI Lixia, DUAN Junfa, BAI Yajuan ,et al. Method to ascertain design sequence of components on panel of complex instrument [J].Journal of Engineering Design,2008(5):357 -360.

[ 2 ] 賴盛景,鄧克文,李火生.儀表板黏彈阻尼減振設計[J].中國工程物理研究院科技年報, 2005(1): 143-143. LAI Shengjing, DENG Kewen, LI Huosheng. The dashboard sticky elastic damping vibration reduction design [J]. Chinese Academy of Engineering Physics Science and Technology Annual Report, 2005(1): 143-143.

[ 3 ] 劉天雄,華宏星,陳兆能,等.約束層阻尼板的有限元建模研究[J].機械工程學報,2002,38(4):108-114. LIU Tianxiong, HUA Hongxing, CHEN Zhaoneng, et al. Study on the model of finite element of constrained layer damping plate[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2002 ,38(4):108-114.

[ 4 ] 郭亞娟,李惠清,孟光,等.彈性自由層阻尼管的有限元建模黏與試驗研究[J]. 振動與沖擊, 2008，27(5):99-102. GUO Yajuan, LI Huiqing, MENG Guang, et al. Finite element modeling and experimental research on pipes sticked with viscoelastic free layer damping[J]. Journal of Vibration and Shock, 2008,27(5):99-102.

[ 5 ] 林松,徐超,吳斌.共固化黏彈性復合材料的結構多目標進化優化設計[J].宇航學報,2010,31(8):1900-1905. LIN Song, XU Chao, WU Bin. Multi-objective evolutionary optimization design of composite structure embedded with cocured viscoelastic layers[J]. Journal of Astronautics, 2010,31(8):1900-1905.

[ 6 ] 張忠勝,梁森.嵌入式中溫共固化復合材料阻尼結構制作工藝及層間結合性能[J]. 航空學報,2013(8):1972-1979. ZHANG Zhongsheng, LIANG Sen. Manufacturing process and interlaminar bonding property of embedded medium-temperature co-cured composite material damping structure[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2013(8):1972-1979.

[ 7 ] 梁森,王輝,張忠勝. 嵌入式高溫共固化復合材料阻尼結構動力學性能實驗研究[J]. 振動與沖擊,2013,32(20):97-101. LIANG Sen, WANG Hui, ZHANG Zhongsheng. Tests for dynamic performance of embedded high-temperature co-cured composite damping structures [J]. Journal of Vibration and Shock, 2013, 32(20):97-101.

[ 8 ] LIANG Sen, XIU Yaoyao, WANG Hui. A research on sound insulation characteristics and processing of the embedded and co-cured composite damping structures [J]. Journal of Composite Materials, 2013,47(9):1169-1177.

[ 9 ] 梁森,王輝,修瑤瑤.基于遺傳算法的嵌入式共固化穿孔阻尼層復合材料結構優化[J]振動與沖擊,2013,32(11):51-55. LIANG Sen, WANG Hui, XIU Yaoyao. Based on genetic algorithm embedded in curing perforation damping layer composite structural optimization [J]. Journal of Vibration and Shock, 2013,32(11) : 51-55.

[10] 梁森,王輝,張忠勝.嵌入式高溫共固化復合材料阻尼結構動力學性能實驗研究[J]振動與沖擊. 2013,32(20):97-101. LIANG Sen, WANG Hui, ZHANG Zhongsheng. Embedded high temperature curing composite damping structure dynamic performance [J]. Journal of Vibration and Shock, 2013,32(20): 97-101.

[11] LIANG Sen, LIANG Keyao, LUO Lei, et al. Study on low-velocity impact of embedded and co-cured composite damping panels with numerical simulation method[J]. Composite Structures, 2014,107:1-10.

[12] 張潔. 復合材料鋪層設計準則的一些理解[J]. 科技創新導報,2013(14):57-58. ZHANG Jie. Composite layer design criteria of some understanding [J]. Science and Technology Innovation Herald, 2013(14):57-58.

[13] 楊永文. 復合材料層合板及飛機進氣道鋪層設計與分析[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學,2009.

[14] 侯玉品. 復合材料層合板鋪層設計與離散結構選型優化方法研究[D]. 大連:大連理工大學,2013.

[15] 梁森,王常松,張術國,等.大阻尼高剛度復合材料多層夾芯精密儀表板制作工藝:CN104015377A [P]. 2014-09 -03.

[16] 張恩天,曲春艷,陳維君. 結構膠粘劑的發展和應用[J].中國材料進展,2009(9):74-78. ZHANG Entian, QU Chunyan ,CHEN Weijun. Development and application of structural adhesive [J]. Materials China ,2009(9):74-78.

[17] MI Peng, LIANG Sen. A research on loss factor of embedded and co-cured composite damping structure [J]. Emerging Materials and Mechanics Applications, 2012,487: 593-597.

[18] 張慶玲,王慶如,李興無. 航空用鈦合金緊固件選材分析[J]. 材料工程,2007(1):11-14. ZHANG Qingling,WANG Qingru,LI Xingwu. Materials selection analysis for titanium alloy fasteners in aviation industry[J]. Journal of Materials Engineering, 2007(1):11-14.

[19] ROBINSON M J, KOSMATKA J B. Embedding viscoelastic damping materials in low-cost VARTM composite structures [J]. SPIE Proceedings Smart Structure and Materials, 2005, 5760: 349-360.

[20] 劉風雷,劉丹,劉健光.復合材料結構用緊固件及機械連接技術[J]. 航空制造技術,2013(1):102-104. LIU Fenglei, LIU Dan, LIU Jianguang. Fastener and Mechanical Joining Technology for Composites Structure [J]. Aviation Manufacturing Technology, 2013(1):102-104.

Structural design and dynamic characteristics of large damping and high specific stiffness composite panels

LIANG Sen1, ZHANG Shuguo1，LIANG Tianxi2，WEI Liming2

(1. School of Mechanical Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao 266033， China；2．China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900，China)

A new type of five-layer sandwich composite panels was presented in detail. The upper and lower skins and center layer were designed as embedded co-cured composite structures with multilayer damping films. Between the upper skin and center layer as well as between the lower skin and the center layer, a layer of polymethacrylimide foam material with a certain thickness was put in. The dynamic performances of the specimen were analysed deeply by using the finite element simulation and experimental modal analysis. By making comparison between the relative results, the conclusion shows that the designed structure has very high damping and specific stiffness characteristics, and will provide a foundation to the design principle and application of light-weight, large-damping and high-precision composite materials instrument panels.

composite sandwich structure; embedded co-cured composite structure with multilayer damping films; structure design; numerical simulation; experimental modal analysis

國家自然科學基金(51375248)；中國工程物理研究院“嵌入式共固化大阻尼復合材料儀表板研制”項目資助(B2-2015-0112)

2015-06-17 修改稿收到日期： 2016-01-19

梁森 男，博士，高級工程師，教授，博士生導師，1962年生

E-mail: liangsen888111@163.com.

TB332

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.06.033