填充型正交加筋復合材料夾層結構動響應試驗及仿真研究

楊 坤 葉開富 杜 度 張 瑋

(中國人民解放軍92578部隊 北京 100161)

0 引 言

復合材料夾層結構由纖維增強復合材料上下表層和芯層復合而成，通常芯層采用連續均質材料，呈現典型的“三明治”結構形式.近年來，出現“正交加筋(方形蜂窩)不連續離散強結構+不連續空間填充阻尼材料”的芯層結構形式，形成一種填充型正交加筋復合材料夾層結構，該結構具備更好的剛度、阻尼性能，加上纖維復合材料表層具備輕質、高強、防腐蝕等特性和優異的鋪層可設計性，使得其在航空、航天、船舶等工程領域，特別是減振結構應用越來越廣泛.

正交加筋復合材料夾層結構動力學問題主要進行等效參數法理論解析求解和數值仿真研究，徐勝今等[1-2]采用等效參數法，針對表層為各向異性纖維復合材料的蜂窩夾層結構的動力學固有特性問題進行了理論求解.Liu等[3]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.Xin等[4]考慮加筋的拉伸、彎曲和扭轉運動，以及加筋的慣性影響，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.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.針對正交加筋夾層板的屈曲、抗沖擊問題，不少學者開展了試驗[6]和仿真[7]研究，可見文獻中，僅Russell等[8]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，本文通過制備填充型正交加筋復合材料夾層板結構模型，并進行動力學響應試驗，同步采用ABAQUS結構有限元分析軟件建立動響應數值仿真模型，驗證并探討了該型夾層結構動力學建模方法和響應計算方法.

1 填充型正交加筋復合材料夾層板模型制備

為探討黏彈性填充型正交加筋復合材料夾層結構動力學響應計算方法，設計制作一型填充型碳/玻混雜纖維表層鋼質正交加筋夾層板結構模型，為滿足安裝邊界空間尺寸需要，模型鋼質正交加筋芯層沿長度方向延長一格，正交加筋尺寸見圖1.

圖1 復合材料夾層板試驗模型尺寸

模型制備步驟如下：①將碳/玻混雜復合材料層合板粘接面和鋼質正交加筋上、下兩面打磨，用丙酮清洗干凈；②將一側復合材料板和鋼質芯層均勻涂滿膩子，帶膩子膠上緊螺釘；③膩子膠固化后，在不連續空間間隔安裝阻尼材料塊，再澆注膩子膠；④膩子膠灌滿后，將另一側復合材料板的粘接面涂滿膩子膠，將另一面復合材料板與鋼質芯層粘接，用螺釘帶膠擰緊.

2 模型動響應試驗準備及過程

2.1 工裝邊界

夾層板試驗模型通過工裝1和工裝2夾持，模擬邊界固定，工尺寸圖見圖2.工裝1與結構桁架通過六個螺栓連接，圖3展現了結構桁架、工裝1以及兩者之間的螺栓固定方式，圖3中左下方的螺栓用于擰緊工裝1和2，以夾持試驗模型.

圖2 工裝尺寸

圖3 工裝安裝現場

2.2 測點布置

圖4為試驗模型動響應測試測點分布，測點布置遵循的原則：測點1(F)為激振點，測點5，6，8和10布置在夾層板板格中心，以采集到測試頻段內板格出現的局部共振峰值響應信號，其他正交加筋交叉處的測點則可反映模型的整體響應.

圖4 動響應測點布置

2.3 測試過程

動響應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，動響應試驗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，頻率范圍5～1 000 Hz.

3 動力學響應仿真計算方法研究

3.1 填充材料動態力學性能試驗

由于試模型填充材料為黏彈性阻尼材料，研究該型結構動力學響應特性，首先需獲取準確材料黏彈性動態力學性能，材料動態力學參數(儲能模量、損耗模量、損耗因子)通常采用動態力學熱分析(DMTA)試驗測試得到.目前，動態力學熱分析儀僅能直接測量較低頻率下(1～150 Hz)的參數，要獲得較高頻率下的動態力學參數，需依靠高聚物粘彈性行為的時-溫等效原理進行平移計算.模型填充材料采用某公司生產的HW050，制備50 mm×6 mm×1 mm尺寸的DMTA測試試件，見圖5.DMTA試驗委托北京化工大學材料評價與測試中心進行.

圖5 DMTA阻尼試件

在溫度0～150 ℃范圍內每隔10 ℃做1～135 Hz的頻率掃描，測得HW050材料儲能模量、損耗模量隨頻率變化的曲線，見圖6.

圖6 不同溫度下HW050動態參數測試頻譜

圖7為利用時-溫等效原理，將TTS掃描結果疊加轉換得到30 ℃下，HW050在0.1～1 000 Hz頻段內損耗因子與頻率的關系曲線.

圖7 30 ℃下材料損耗因子頻譜

3.2 有限元建模

為較為準確的反映結構試驗邊界條件，連同夾持工裝一道建立填充型碳/玻纖維復合材料夾層板ABAQUS動響應仿真模型，試驗模型與工裝之間采用綁定約束，動響應計算測點與試驗模型保持一致，激勵力大小1 N，計算頻率范圍1～500 Hz，頻率間隔1 Hz.

鋼質材料阻尼值通常取為0.005，復合材料面板采用單層板建模，其力學參數E1=E2=135 GPa,μ12=0.3，G12=5 GPa，ρ=1.61×103kg/m3.按照黏彈性材料頻變阻尼建模方法設置HW050浮體材料黏彈性動態力學參數，暫不考慮纖維增強復合材料黏彈性頻變特性和阻尼系數各向異性，認為表層碳/玻混雜纖維復合材料具備與均質材料類似的阻尼特性，調整阻尼系數輸入，對比計算與試驗曲線加以確定.

3.3 頻響曲線計算驗證

針對夾層板給出離激勵點較近的板邊緣測點2和自由端測點13兩個測點頻率響應計算和試驗曲線，由于模型制作本身的誤差和邊界條件難以模擬，隨著頻率的增加，試驗動響應較為復雜，模態密度增加，因此，僅給出1～500 Hz內頻率響應曲線，見圖8.

圖8 填充型正交加筋復合材料夾層板典型測點頻響曲線

由圖8可知：①在低頻段(f<5 Hz)，試驗值與計算值差別很大，這是因為一方面結構剛度較大，另一方面白噪聲信號低頻段輸出能量不足；②夾層板計算值和試驗值的總體趨勢基本相同，兩者的首階共振頻率和共振峰值基本吻合，首階共振頻率為15.6 Hz，計算值為16.9，差值百分比7.7%；③由于仿真模型激勵點位置正處于二階共振模態的節線上，導致測點2頻響計算曲線沒有出現二階共振峰值，而呈現反共振谷值.試驗頻響曲線卻出現了二階共振峰值，這是由于試驗中邊界存在反作用力，相當于桁架平臺對試驗模型施加載荷，激起結構二階共振，試驗共振頻率和計算反共振頻率接近；④結構三階共振頻率差值百分比為17%，隨著模態階數升高，曲線共振頻率和峰值差別較大，這與仿真邊界條件固定過強(導致計算值高于試驗值且對高階模態的影響更明顯)、試驗中存在摩擦阻尼、結構阻尼以及復合材料阻尼頻變特性等因素有關.總的來說，采用ABAQUS仿真建模，在頻段200 Hz以下，計算曲線在整體趨勢上能較好地模擬試驗結果，其前三階固有頻率差值百分比控制在20%以內.雖然共振頻率存在錯位，但從共振峰值尖銳度來看，夾層板計算和試驗曲線基本相同，說明計算所采用的阻尼系數能較好地反映結構阻尼耗能特性，由此可認為，本文給出的計算方法基本可靠，在采用ABAQUS計算碳/玻混雜纖維復合材料動響應時，復合材料阻尼值取0.05可行.

4 結 束 語

本文通過制備填充型正交加筋復合材料夾層板結構模型，并進行動力學響應試驗，同步采用ABAQUS結構有限元分析軟件建立響應數值仿真模型，探討該型夾層結構建模方法和動力學響應計算方法.基于黏彈性材料DMTA測試結果，采用ABAQUS建立的填充型正交加筋復合材料夾層板動力學仿真模型和計算方法基本可靠，其碳/玻混雜纖維復合材料的阻尼值取0.05較為合理.