正交加筋復合材料夾層結構振動響應試驗研究

楊 坤 葉開富 張 瑋 杜 度

(中國人民解放軍92578部隊 北京 100161)

0 引 言

復合材料夾層結構典型形式為“三明治”結構，近年來，出現“正交加筋(方形蜂窩)不連續離散金屬強結構+不連續空間填充阻尼材料”的芯層結構形式，與上下面板復合材料層合板膠接復合，形成一種填充型正交加筋復合材料夾層結構，較金屬蜂窩板、復合材料三明治夾層結構等，具備更好的剛度、阻尼性能、防腐蝕等特性，加上復合材料先天的輕質高強和鋪層可設計性，使得其在船舶與海洋工程結構物的減振設計中采用越來越廣泛.

正交加筋夾層板作為該型結構最典型、最基礎的形式，不少學者對其動力學特性進行了研究[1-3]，主要采用等效參數法理論求解研究和數值仿真研究，Liu等[4]通過建立正交加筋夾層板解析計算模型，求解了正交加筋夾層板的彎曲、屈曲和振動問題.劉均等[5]考慮正交加筋的離散特性，建立了正交加筋夾層板的自由振動計算模型.考慮加筋的拉伸、彎曲和扭轉運動以及加筋的慣性影響，Xin等[6]建立了正交加筋夾層板的振動和聲輻射解析模型，并得到了級數解.針對正交加筋夾層板的屈曲、抗沖擊問題，也有學者開展了試驗研究[7]，可見文獻中，僅Russell等[8]研究的對象與填充型正交加筋復合材料夾層板最為接近，并通過試驗和數值計算研究了填充吸能芯材、碳纖維復合材料正交加筋、碳纖維復合材料面板構成的填充型正交加筋復合材料夾層結構的沖擊問題.

目前，還尚未見填充型正交加筋復合材料夾層板動力學響應問題有關研究報道，其相關振動響應特征和影響機理尚不可知，本文通過制備多種對比試驗模型，并進行結構動力學試驗，以試驗數據對比分析多種模型的動力學響應特征和影響規律.

1 試驗模型設計與制備

設計四個試驗模型，具體是正交加筋鋼質夾層板，模型1，稱為鋼質夾層板，具體尺寸見圖1；以圖2鋼質正交加筋為芯層，上下面板采用玻璃纖維復合材料，通過螺栓連接的模型2，稱為玻纖夾層板；以圖2鋼質正交加筋為芯層，上下面板采用碳/玻混雜纖維面板，通過螺栓連接的模型3，稱為混雜纖維夾層板；在模型3芯層間隙中填充阻尼材料為模型4，稱為填充型夾層板.圖1～2中最右側一格尺寸范圍內為試驗邊界固定區域.

圖1 鋼質夾層板尺寸

圖2 模型2，3，4的鋼質正價加筋芯層尺寸

圖3為試驗模型2，3，4的鋼質正交加筋芯層，圖4為厚度均為4 mm的玻纖復合材料層合板和碳/玻混雜纖維復合材料層合板(黑色)，其中，碳/玻混雜纖維復合材料層合板碳纖維沿較長邊方向鋪設，玻纖沿較短邊方向，鋪層全為0°；玻纖復合材料層合板采用E800多軸向布，圖3～4可較為清晰地看出螺栓連接孔.

圖3 鋼質正交加筋芯層

圖4 兩種復合材料層合板

2 試驗準備和試驗過程

2.1 試驗工裝設計

圖5為試驗模型示意圖，各試驗模型夾層板采用上下兩塊工裝板螺栓緊固夾持，底座用螺栓安裝于桁架平臺，圖6為工裝及桁架安裝現場，圖中左下方的螺栓用于鎖緊夾層板.

圖5 試驗模型安裝示意圖

圖6 工裝實物

2.2 測點布置

針對四個試驗模型進行模態試驗和動力學響應激振試驗，由于錘擊激勵力在較高頻段能量譜密度呈現下降趨勢，難以激起正交加筋夾層板板格的高頻局部振動，模態試驗測點僅采集反映較低頻段內結構整體模態的響應信號，加速度測點布置在加筋交叉處，方向垂直于板面，見圖7(右端為固支端).圖8為試驗模型激振試驗動響應測點布置圖，測點1(F)為激振點，測點5，6，8和10用以采集板格局部振動信號，其他加筋交叉處測點采集反映結構整體響應的振動信號.

圖7 模態測試測點布置

圖8 動響應測點布置

2.3 模態試驗

模態測試系統包括力錘、加速度傳感器、信號采集器、級聯設備、采集計算機等；激振試驗測試系統包括信號發生器、功率放大器、激振器、力和加速度傳感器、信號采集器、計算機、信號發生器等設備[9-10].

模態試驗加速度傳感器膠接固定于結構表面，分4個試驗模型進行模態試驗.后進行4個試驗模型動響應測試，激振器采用彈性吊裝方式，結構動響應激勵信號采用白噪聲，采集頻率范圍5～1 000 Hz.

3 試驗結果分析

3.1 模態分析

四個試驗模型前2階固有頻率測試結果見表1，圖9為鋼質夾層板前2階模態振型，1階模態呈現懸臂一階整體偏振，2階則為扭轉振動，為其他模型模態振型與之基本相同.

表1 固有頻率測試結果 Hz

圖9 鋼質夾層板模態振型

由表1可知，填充型夾層板由于剛度較鋼質夾層板小且質量稍大，導致首階固有頻率低2.6 Hz，約為14%，2階模態頻率差距受剛度和質量影響更明顯；由于玻纖夾層板面板復合材料主方向彈性模量較混雜纖維夾層板要小，在兩型夾層板質量基本相當(各自面板質量遠小于鋼質正交加筋芯層)的前提下，剛度因素起主要作用，導致玻纖夾層板首階固有頻率小于混雜纖維夾層板；填充芯材使得填充型夾層板結構重量增加，但對剛度增加卻不明顯，使得其較碳/玻纖維夾層板首階固有頻率低6%.

3.2 動響應分析

圖10為鋼質夾層板和填充型夾層板典型測點的加速度頻響曲線，測點3和測點9代表夾層板對稱線上的振動，測點5代表板格振動，測點14處于夾層板自由端，代表夾層板最大振動響應.

圖10 部分測點加速度頻響曲線

由圖10可知：①所有測點前二階共振峰值與模態試驗結果均能對應，由于測點3和測點9處在夾層板二階共振(f=79.2 Hz)模態振型駐線上，理論上結構振動響應為零，振動響應非常小，其他測點在該頻率處有明顯響應峰值；②在測試頻段范圍內，相比鋼質夾層板，填充型夾層板的共振峰數目較少，響應幅值也要小很多；③填充型夾層板不同部位首階響應峰值較鋼質夾層板均略小，因為在低頻段處于質量控制區，填充型夾層板質量略大于鋼質夾層板，導致響應僅僅偏小一點，隨著頻率升高，逐漸進入阻尼控制區，填充材料對板格的剛度支撐和阻尼消峰作用，使得填充型夾層板減振消峰作用更明顯，響應普遍小于鋼質夾層板，特別是，測點5板格振動響應差異最為明顯.

圖11為玻纖夾層板、混雜纖維夾層板和填充型夾層板分別代表夾層板整體響應和板格響應的典型測點頻率響應對比曲線.

圖11 三種復合材料夾層板典型測點頻率響應曲線

在低頻段，填充芯材對夾層板板格振動的抑制作用體現還不明顯，因結構低頻段呈現整體響應，隨著頻率升高，未填充芯材的兩種夾層板的板格振動(測點5)較整體振動(測點4)幅值大且共振峰數目多，填充型夾層板卻很好地抑制了這種板格局部振動.測點4位于螺栓附近而測點5位于正交加筋板格中間，即使模型2和模型3不能實現復合材料面板和鋼質正交加筋芯層界面的完全結合，試驗結果仍較好地展現了填充型夾層板較無填充夾層板在抑制高頻振動方面(包括整體和局部振動)所具備的優勢.

圖12為四種夾層板自由端測點12的頻率響應曲線.

圖12 夾層板測點12頻率響應曲線

由圖12可知，四種夾層板首階共振峰值大小依次為：混雜纖維夾層板>鋼質夾層板>玻纖夾層板>填充型夾層板，主要是因為混雜纖維夾層板剛度較鋼質夾層板要小，且阻尼性能較差，所以其響應最大；玻纖夾層板剛度雖然最小，但由于其玻纖面板阻尼性能較碳/玻混雜纖維面板要好，其響應峰值相對較小；雖然鋼質夾層板阻尼性能最差，可其剛度和重量都較大，響應峰值在混在纖維夾層板和玻纖夾層板之間；填充型夾層板由于同時具備較好的剛度和阻尼性能，且其重量最大，其峰值響應在所有夾層板中最小，首階共振峰值大幅降低.

表2為四種夾層板各測點的平均加速度級.

表2 各夾層板平均加速度級 dB

由表2可知，在整個測試頻段范圍內，響應大小順序為：混雜纖維夾層板>玻纖夾層板>鋼質夾層板>填充型夾層板，填充型夾層板平均加速度級最小，較相應未填充夾層板降低約28 dB，較鋼質夾層板降低7.6 dB.結合填充型夾層板重量僅較鋼質夾層板重量增加約20%，結構剛度減小約16%，卻得到降低7.6 dB的減振效果，有力說明了工程承載結構若采用復合材料和高分子材料進行減振設計，可考慮這種“鋼質正交加筋芯層確保結構主要剛度，面板采用碳/玻混雜纖維復合材料同時保證質量較輕且剛度不大幅下降，加筋間隔填充阻尼材料保證結構高頻振動抑制效果“的設計思路.

4 結 論

1) 填充型夾層板重量較鋼質夾層板大，剛度小，其首階模態頻率低約14%.

2) 填充型夾層板較無填充復合材料夾層板和鋼質夾層板具備對高頻振動更優異的抑制能力，包括結構整體響應和局部響應，平均加速度級最小，較鋼質夾層板降低7.6 dB.

3) 相比其他三型夾層板結構，由于填充型夾層板具備最優異的阻尼性能，同時其重量又最大，其首階共振峰值響應最小，較其它三者大幅降低.