泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)的減載行為和機(jī)械濾波作用

袁人樞，張振彪，隋世群

（1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京210094；2.海信集團(tuán)，山東 青島266000）

在使用過(guò)程中，車載武器系統(tǒng)中的光電儀器、儀表對(duì)作用在設(shè)備上的沖擊載荷和由沖擊引起的振動(dòng)較為敏感，其本體對(duì)外部作用力和加速度都有嚴(yán)格的限制指標(biāo)，如光學(xué)儀器最大過(guò)載為60g，過(guò)大的沖擊力或較強(qiáng)的振動(dòng)都會(huì)造成儀器、儀表受損。

泡沫鋁材料阻尼特性良好，可以有效降低噪聲和振動(dòng)［1－3］。本文設(shè)計(jì)制作以泡沫鋁為主體的3種不同復(fù)合結(jié)構(gòu)，研究當(dāng)其表面受到力錘沖擊時(shí)復(fù)合結(jié)構(gòu)上、下表面加速度的變化；利用壓電薄膜測(cè)量結(jié)構(gòu)中力的衰減并通過(guò)有限元法進(jìn)行仿真模擬，從而得出適合應(yīng)用在精密設(shè)備防護(hù)領(lǐng)域的抗沖擊防振復(fù)合結(jié)構(gòu)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制作

實(shí)驗(yàn)所用的復(fù)合結(jié)構(gòu)是以泡沫鋁、環(huán)氧薄板、薄鋼板組合而成，具體尺寸見(jiàn)表1，表中，L，b，h分別為結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)、寬、高。

各層之間用膠粘合，因?yàn)閴弘姳∧ぃ≒VDF）微米級(jí)的厚度和良好的壓電性能［4－7］，將PVDF壓電計(jì)安裝在復(fù)合結(jié)構(gòu)不同材料薄板的對(duì)應(yīng)位置，測(cè)量沖擊載荷在結(jié)構(gòu)中的傳遞特性。由于使用的PVDF壓電計(jì)封裝完成后厚度小于0.3mm，應(yīng)力波在其中瞬間完成傳遞，可以忽略壓電計(jì)本身對(duì)載荷傳播的干擾。3種安裝了PVDF壓電計(jì)的復(fù)合結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 復(fù)合結(jié)構(gòu)材料尺寸

圖1 復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 沖擊加載實(shí)驗(yàn)

簡(jiǎn)單支承復(fù)合結(jié)構(gòu)四邊如圖2（a）所示。用BK8206－02力錘錘擊加載，沖擊載荷特性曲線如圖2（b）、2（c）所示，為測(cè)定復(fù)合結(jié)構(gòu)表面加速度的變化，在結(jié)構(gòu)的上、下表面同一法線的對(duì)應(yīng)位置分別安裝加速度計(jì)，壓電薄膜計(jì)記錄多孔薄板結(jié)構(gòu)中的載荷傳遞變化，從沖擊載荷頻域曲線圖2（c）可見(jiàn)，高于10kHz的信號(hào)能量較小。

圖2 實(shí)驗(yàn)原理和沖擊載荷示意圖

1.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的搭建

組建了由工作頻率大于100kHz的薄膜壓電傳感器、工作頻率12.6kHz的B＆K 4 371V壓電加速度計(jì)、Kistler 5011B調(diào)理、PXI總線儀器6015板卡組成的動(dòng)態(tài)測(cè)控系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 動(dòng)態(tài)測(cè)控系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊載荷的衰減

對(duì)3種不同結(jié)構(gòu)的錘擊加載情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)不同材料層間傳感器敏感元件輸出值的對(duì)比來(lái)得出該結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊力的衰減比，計(jì)算式為

式中：Ui是結(jié)構(gòu)i層間PVDF壓電計(jì)的輸出值，δ是i＋1層與i層之間的PVDF壓電計(jì)的輸出值之比。

2.1.1 結(jié)構(gòu)Ⅰ沖擊力峰值變化

如圖1所示，結(jié)構(gòu)Ⅰ由上、下2層厚度為1.9mm的薄鋼板及中間一層厚度為15.5mm的多孔泡沫鋁板組成，將薄膜壓電傳感器分別安裝在不同材料界面之間，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)Ⅰ上表面進(jìn)行3次錘擊加載，得出的載荷變化結(jié)果如表2所示，由此可以得出壓力信號(hào)經(jīng)過(guò)一層厚度為15.5mm的多孔泡沫鋁衰減后峰值載荷衰減：

表2 結(jié)構(gòu)ⅠPVDF測(cè)試結(jié)果

2.1.2 結(jié)構(gòu)Ⅱ?qū)娱g沖擊力變化

結(jié)構(gòu)Ⅱ由上、下2層厚度為1.9mm的薄鋼板及中間2層厚度分別為9.9mm和15.5mm的多孔泡沫鋁板組成，共布置黏貼3個(gè)薄膜壓電傳感器，分別在不同材料的層間，見(jiàn)圖1。對(duì)結(jié)構(gòu)Ⅱ上表面進(jìn)行3次錘擊加載，得出的結(jié)果如表3所示。由表3可以得到經(jīng)過(guò)2層厚度不同的多孔泡沫鋁板后載荷峰值的抑制幅度分別為

表3 結(jié)構(gòu)ⅡPVDF測(cè)試結(jié)果

2.1.3 結(jié)構(gòu)Ⅲ沖擊力峰值變化

結(jié)構(gòu)Ⅲ由上、下2層厚度均為1.9mm的薄鋼板，2層1.9mm的環(huán)氧板以及1層厚度為15.5mm的泡沫鋁板組成，見(jiàn)圖1。共布置黏貼3個(gè)薄膜壓電傳感器，分別在不同材料的層間。對(duì)結(jié)構(gòu)Ⅲ進(jìn)行3次錘擊加載，得出的結(jié)果如表4所示。根據(jù)表4，載荷傳遞經(jīng)過(guò)環(huán)氧薄板與泡沫鋁板組合后壓力峰值的抑制幅度為

表4 結(jié)構(gòu)ⅢPVDF測(cè)試結(jié)果

從表2～表4的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，2塊厚度不同的泡沫鋁疊加組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊載荷的衰減顯著，即結(jié)構(gòu)Ⅱ?qū)d荷衰減最為明顯。通過(guò)各組抑制幅度值看出，PVDF計(jì)測(cè)量復(fù)合結(jié)構(gòu)不同材料板材層間力的傳遞時(shí)測(cè)試信號(hào)重復(fù)性好，結(jié)果穩(wěn)定。

2.2 復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)加速度的衰減和機(jī)械濾波作用

將2個(gè)壓電加速度計(jì)aup和ad布置在結(jié)構(gòu)上、下表面，位置處于同一法線上，比較復(fù)合結(jié)構(gòu)受到錘擊時(shí)上、下表面加速度信號(hào)變化。分別對(duì)3種結(jié)構(gòu)錘擊加載，圖4～圖6分別為多孔復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的上、下表面的沖擊加速度信號(hào)特性曲線。圖中，a為加速度，A為傅立葉系數(shù)。從表5中可以看出3種多孔復(fù)合結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)Ⅲ對(duì)加速度信號(hào)抑制最大，表中從頻域特性曲線得出，多孔復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅰ對(duì)沖擊信號(hào)各頻率成分抑制并不明顯；多孔復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅱ的通頻帶為0～2kHz和4～8.5kHz兩處，8.5kHz后的信號(hào)抑制顯著；多孔復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅲ通頻帶為0～2kHz和4～7kHz兩處，7kHz后的信號(hào)抑制顯著。因此，綜合以上多孔復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊載荷抑制能力，結(jié)構(gòu)Ⅲ最佳；不同多孔復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)不同頻段的抑制，實(shí)際起到機(jī)械濾波器的作用。

圖4 多孔復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅰ加速度信號(hào)

圖5 多孔復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅱ加速度信號(hào)

表5 復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)加速度信號(hào)的衰減

圖6 多孔復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅲ加速度信號(hào)

3 數(shù)值模擬分析

3.1 LS－DYNA程序

作為通用的有限元?jiǎng)恿Ψ治龀绦?，LS－DYNA能求解多種結(jié)構(gòu)的碰撞、金屬成型等非線性動(dòng)力問(wèn)題，材料本構(gòu)模型豐富，可以定義本實(shí)驗(yàn)所用的多孔泡沫鋁［8］。

3.2 復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅰ有限元模型

有限元仿真的模型尺寸與試樣相同，由于復(fù)合結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，采用四分之一結(jié)構(gòu)建模計(jì)算，如圖7所示。鋼板與泡沫鋁之間采用粘連（Glue）操作，邊界條件采用四端簡(jiǎn)支，上層薄鋼板外表面中心4mm×4mm處施加三角波載荷，作用時(shí)間為1ms，總的計(jì)算時(shí)間為2ms［9］。

圖7 有限元模型與單元?jiǎng)澐?/p>

3.3 結(jié)構(gòu)Ⅰ材料參數(shù)

鋼板材料參數(shù)：ρ＝7 850kg／m3，E＝210GPa，泊松比ν＝0.3；泡沫鋁采用Crushable Foam本構(gòu)模型［9］。如圖8所示，圖中，ε為應(yīng)變，σ為應(yīng)力。泡沫鋁的材料參數(shù)：ρ＝431kg／m3，E＝0.177GPa，ν＝0.3。

圖8 泡沫鋁的本構(gòu)關(guān)系

3.4 計(jì)算結(jié)果

復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅰ載荷在經(jīng)過(guò)泡沫鋁板后有明顯抑制，其應(yīng)力峰值降低到原來(lái)的50.69%。其他2種復(fù)合結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法與復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅰ類似，這里不再枚舉［9］。3種復(fù)合結(jié)構(gòu)的仿真計(jì)算結(jié)果與薄膜壓電計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表6所示。從表中可以看出，實(shí)驗(yàn)值與仿真計(jì)算值應(yīng)力峰值抑制比值基本一致，因此使用薄膜壓電計(jì)測(cè)量多孔復(fù)合結(jié)構(gòu)層間的載荷抑制并與計(jì)算結(jié)果互相印證，可以準(zhǔn)確地記錄多孔復(fù)合不同材料板材層與層間載荷傳遞的情況。

表6 不同結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果衰減比

4 結(jié)論

①試驗(yàn)結(jié)果與有限元結(jié)果對(duì)比表明，采用薄膜壓電計(jì)測(cè)量多孔復(fù)合結(jié)構(gòu)不同材料層間的載荷衰減比與模擬計(jì)算相互印證，能較準(zhǔn)確地得出沖擊載荷在多孔復(fù)合結(jié)構(gòu)中的傳遞情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是可信的。

②多孔復(fù)合結(jié)構(gòu)中不同材料層間載荷的變化和表面加速度的變化兩方面說(shuō)明復(fù)合結(jié)構(gòu)受沖擊載荷作用時(shí)多孔復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅱ?qū)_擊載荷的衰減性能較佳，多孔復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅲ對(duì)加速度衰減較佳，綜合不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，能夠設(shè)計(jì)一種多孔復(fù)合結(jié)構(gòu)，為精密設(shè)備提供降噪防振保護(hù)。

③不同的復(fù)合結(jié)構(gòu)有不同的截止頻率，實(shí)際上，不同帶寬的機(jī)械濾波器可以用于有高頻沖擊場(chǎng)合的測(cè)試初級(jí)選頻及降噪防振。

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