2.5維樹脂基編織復(fù)合材料遲滯阻尼特性試驗(yàn)研究

劉杰明

(南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

樹脂基復(fù)合材料由于其優(yōu)異的性能與廣闊的前景，正得到越來(lái)越多的關(guān)注。除了航空和航天等軍工領(lǐng)域外，該類材料還逐漸在機(jī)械、汽車、化工、電子電工、醫(yī)療器械和體育器材等多種領(lǐng)域運(yùn)用。先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度、材料/結(jié)構(gòu)一體化、設(shè)計(jì)性突出、抗分層能力強(qiáng)、抗疲勞斷裂性能好和易大面積整體成型的優(yōu)點(diǎn)，將其用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)上可以為飛機(jī)整體減質(zhì)量20%～30%，維修成本可節(jié)約15%～20%[1]。因此，先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用程度已成為衡量飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一。

近年來(lái)有關(guān)2.5維(亦屬于3維)樹脂基編織復(fù)合材料力學(xué)性能的研究多集中在靜力學(xué)方面，包括靜強(qiáng)度、剛度和疲勞性能等，其在阻尼方面的研究較少。阻尼可以定義為振動(dòng)結(jié)構(gòu)的能量耗散，即將振動(dòng)系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。由機(jī)械能轉(zhuǎn)化而成的能量類型主要取決于振動(dòng)系統(tǒng)的類型和導(dǎo)致耗散的實(shí)際物理機(jī)理。對(duì)于大多數(shù)振動(dòng)系統(tǒng)，大部分能量會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量。這些物理機(jī)理均是尚未完全理解的復(fù)雜物理過(guò)程，結(jié)構(gòu)中存在的阻尼類型將取決于在給定情況下哪種機(jī)理占主導(dǎo)地位。因此，測(cè)量阻尼的方法主要取決于這些機(jī)理的假設(shè)。阻尼能量耗散的物理機(jī)理通常包括黏性阻尼、庫(kù)侖阻尼和結(jié)構(gòu)阻尼。黏性阻尼通常是指由于流體介質(zhì)中物體的運(yùn)動(dòng)而引起的能量耗散；庫(kù)侖阻尼(干摩擦阻尼)是由大小恒定但方向與振動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)方向相反的阻尼力，由干燥或潤(rùn)滑不足的摩擦表面之間的摩擦引起；結(jié)構(gòu)阻尼是由材料變形時(shí)滑動(dòng)或滑動(dòng)內(nèi)部平面之間的摩擦引起的，比如鉸鏈或者兩個(gè)接觸的物體等。遲滯阻尼屬于結(jié)構(gòu)阻尼[2]。有關(guān)阻尼測(cè)量方法的討論很多，但仍然缺乏設(shè)計(jì)良好的試驗(yàn)來(lái)處理用遲滯回線法測(cè)量阻尼損耗因子的問(wèn)題。

有關(guān)阻尼測(cè)試的方法很多學(xué)者提出了不同的看法。LAZAN B[3-4]在阻尼方面的開創(chuàng)性工作被大多數(shù)研究人員認(rèn)為是測(cè)量金屬阻尼各種機(jī)理最可靠的來(lái)源，包括滯后阻尼，其提出的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是ASTM E756，用于測(cè)量可應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)懸臂梁同質(zhì)阻尼材料的損耗因子和彈性模量。美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)也提出了其他測(cè)試方法，如中心阻抗法[5]，該方法易于使用，只需要標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)設(shè)備進(jìn)行激勵(lì)，是一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)控制實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。主流的半功率帶寬法和自由衰減法伴隨著非均勻彎曲應(yīng)變?cè)u(píng)估，容易受到空氣阻尼的影響，而通過(guò)兩端固定約束的軸向載荷中滯后能量損失的測(cè)量可以降低該影響[6]。本文將通過(guò)軸向載荷加卸載的方式測(cè)量2.5維樹脂基編織復(fù)合材料的遲滯阻尼，觀察材料的遲滯阻尼特性與循環(huán)拉伸加卸載周期數(shù)和加載應(yīng)力水平的關(guān)系。

1 試驗(yàn)測(cè)試方法

1.1 試驗(yàn)原理

本試驗(yàn)采用方法為磁滯回線法，如圖1所示。阻尼的估計(jì)是通過(guò)計(jì)算穩(wěn)態(tài)諧波負(fù)載引起的每周期振蕩的能量損失而獲得的。通過(guò)繪制給定運(yùn)動(dòng)周期的瞬時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，可以生成橢圓形遲滯曲線。

圖1 遲滯回線法

遲滯曲線所圍成的面積等于諧波運(yùn)動(dòng)每個(gè)周期內(nèi)的耗散能量。在合理阻尼水平下，遲滯回線所圍成的面積A可通過(guò)如下公式計(jì)算損耗因子：

(1)

定義比阻尼容量系數(shù)(SDC)為Ψ，可以將上述各量之間的關(guān)系表示為

(2)

1.2 試驗(yàn)件制備

本文采用的2.5維編織樹脂基復(fù)合材料試驗(yàn)件基于T800/ BMP350材料體系，采用RTM工藝成型。纖維型號(hào)為T800-12K，樹脂型號(hào)為聚酰亞胺BMP350。試驗(yàn)件尺寸依據(jù)GB/T 33613—2017制取，其長(zhǎng)寬高尺寸為190mm×30mm×2mm，共有3件，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)件

1.3 試驗(yàn)方法

循環(huán)拉伸加卸載試驗(yàn)在南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備主要有圖3所示的MTS加載試驗(yàn)臺(tái)、配套的引伸計(jì)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。試驗(yàn)過(guò)程中，軸向應(yīng)力可通過(guò)MTS試驗(yàn)臺(tái)反饋得到；因施加軸向應(yīng)力而產(chǎn)生的軸向應(yīng)變由引伸計(jì)測(cè)得；所測(cè)得的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集。隨后將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB數(shù)值仿真軟件中以圖像形式繪出，可以形成大量的應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回線，其數(shù)量取決于循環(huán)拉伸加卸載的周期數(shù)。

圖3 MTS加載試驗(yàn)臺(tái)

為了確保試驗(yàn)測(cè)量精確度，設(shè)置加卸載頻率為1Hz，應(yīng)力幅值水平設(shè)定了0.3、0.6、0.8三種應(yīng)力水平，循環(huán)次數(shù)為2000個(gè)循環(huán)。

在獲取應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回線后，通過(guò)在MATLAB數(shù)值仿真軟件中編寫程序，計(jì)算所有循環(huán)周期下遲滯回線所圍成的面積，并通過(guò)公式(1)計(jì)算出對(duì)應(yīng)遲滯阻尼的損耗因子。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)上文的測(cè)試方法進(jìn)行試驗(yàn)，3根試驗(yàn)件測(cè)試結(jié)果如圖4-圖6所示(本刊為黑白印刷，如有疑問(wèn)請(qǐng)咨詢作者)，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)分別對(duì)應(yīng)應(yīng)力水平為0.3、0.6和0.8。

圖4 1號(hào)試驗(yàn)件應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回線

圖5 2號(hào)試驗(yàn)件應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回線

圖6 3號(hào)試驗(yàn)件應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回線

圖4中遲滯回線存在不穩(wěn)定的波動(dòng)現(xiàn)象，造成該現(xiàn)象的原因可能是MTS加載試驗(yàn)臺(tái)在施加低應(yīng)力水平時(shí)存在失穩(wěn)現(xiàn)象，導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變曲線不平滑。

綜合觀察圖4-圖6的測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1)隨著循環(huán)次數(shù)的增加，遲滯回線存在向上方偏移的趨勢(shì)，且偏移速率由快到慢，最終趨于穩(wěn)定；

2)隨著循環(huán)次數(shù)的增加，在保持應(yīng)力水平不變的情況下，材料應(yīng)變逐漸增大。每次應(yīng)變?cè)龃髸?huì)伴隨著新的損傷，待損傷發(fā)展完全后，材料應(yīng)變趨于穩(wěn)定。此外，應(yīng)力水平越大，材料最終趨于穩(wěn)定的應(yīng)變也越大。

通過(guò)MATLAB軟件計(jì)算2000次循環(huán)周期對(duì)應(yīng)的遲滯阻尼損耗因子，計(jì)算結(jié)果如圖7-圖9所示。觀察遲滯阻尼損耗因子的變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，損耗因子在初始階段下降明顯，隨著循環(huán)次數(shù)的增加(循環(huán)數(shù)約1000以后)逐漸趨于穩(wěn)定。在0.3和0.6應(yīng)力水平下，損耗因子最終穩(wěn)定在0.015左右，而0.8應(yīng)力水平下?lián)p耗因子最終穩(wěn)定在0.02左右。

圖7 1號(hào)試驗(yàn)件遲滯阻尼損耗因子

圖8 2號(hào)試驗(yàn)件遲滯阻尼損耗因子

圖9 3號(hào)試驗(yàn)件遲滯阻尼損耗因子

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)遲滯回線法對(duì)用于航空航天領(lǐng)域的2.5維樹脂基編織復(fù)合材料的遲滯阻尼損耗因子進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，遲滯阻尼損耗因子隨著循環(huán)次數(shù)的增加會(huì)逐漸降低，并且在達(dá)到一定循環(huán)次數(shù)后趨于穩(wěn)定。同時(shí)，最終損耗因子的穩(wěn)定值與應(yīng)力水平有關(guān)。本文試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容初步揭示了2.5維樹脂基編織復(fù)合材料中的遲滯阻尼特性，為今后的理論研究提供試驗(yàn)依據(jù)。這對(duì)探索2.5維樹脂基編織復(fù)合材料其他類型阻尼機(jī)理具有很大的實(shí)際意義，對(duì)其邁向工程實(shí)際應(yīng)用具有很大幫助。