正交加筋復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)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(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)典型形式為“三明治”結(jié)構(gòu)，近年來，出現(xiàn)“正交加筋(方形蜂窩)不連續(xù)離散金屬強(qiáng)結(jié)構(gòu)+不連續(xù)空間填充阻尼材料”的芯層結(jié)構(gòu)形式，與上下面板復(fù)合材料層合板膠接復(fù)合，形成一種填充型正交加筋復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，較金屬蜂窩板、復(fù)合材料三明治夾層結(jié)構(gòu)等，具備更好的剛度、阻尼性能、防腐蝕等特性，加上復(fù)合材料先天的輕質(zhì)高強(qiáng)和鋪層可設(shè)計性，使得其在船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物的減振設(shè)計中采用越來越廣泛.

正交加筋夾層板作為該型結(jié)構(gòu)最典型、最基礎(chǔ)的形式，不少學(xué)者對其動力學(xué)特性進(jìn)行了研究[1-3]，主要采用等效參數(shù)法理論求解研究和數(shù)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(zhuǎn)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(shù)解.針對正交加筋夾層板的屈曲、抗沖擊問題，也有學(xué)者開展了試驗研究[7]，可見文獻(xiàn)中，僅Russell等[8]研究的對象與填充型正交加筋復(fù)合材料夾層板最為接近，并通過試驗和數(shù)值計算研究了填充吸能芯材、碳纖維復(fù)合材料正交加筋、碳纖維復(fù)合材料面板構(gòu)成的填充型正交加筋復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的沖擊問題.

目前，還尚未見填充型正交加筋復(fù)合材料夾層板動力學(xué)響應(yīng)問題有關(guān)研究報道，其相關(guān)振動響應(yīng)特征和影響機(jī)理尚不可知，本文通過制備多種對比試驗?zāi)Ｐ?，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力學(xué)試驗，以試驗數(shù)據(jù)對比分析多種模型的動力學(xué)響應(yīng)特征和影響規(guī)律.

1 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計與制備

設(shè)計四個試驗?zāi)Ｐ停唧w是正交加筋鋼質(zhì)夾層板，模型1，稱為鋼質(zhì)夾層板，具體尺寸見圖1；以圖2鋼質(zhì)正交加筋為芯層，上下面板采用玻璃纖維復(fù)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(zhì)正交加筋為芯層，上下面板采用碳/?；祀s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(cè)一格尺寸范圍內(nèi)為試驗邊界固定區(qū)域.

圖1 鋼質(zhì)夾層板尺寸

圖2 模型2，3，4的鋼質(zhì)正價加筋芯層尺寸

圖3為試驗?zāi)Ｐ?，3，4的鋼質(zhì)正交加筋芯層，圖4為厚度均為4 mm的玻纖復(fù)合材料層合板和碳/?；祀s纖維復(fù)合材料層合板(黑色)，其中，碳/玻混雜纖維復(fù)合材料層合板碳纖維沿較長邊方向鋪設(shè)，玻纖沿較短邊方向，鋪層全為0°；玻纖復(fù)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(zhì)正交加筋芯層

圖4 兩種復(fù)合材料層合板

2 試驗準(zhǔn)備和試驗過程

2.1 試驗工裝設(shè)計

圖5為試驗?zāi)Ｐ褪疽鈭D，各試驗?zāi)Ｐ蛫A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(xiàn)場，圖中左下方的螺栓用于鎖緊夾層板.

圖5 試驗?zāi)Ｐ桶惭b示意圖

圖6 工裝實物

2.2 測點布置

針對四個試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行模態(tài)試驗和動力學(xué)響應(yīng)激振試驗，由于錘擊激勵力在較高頻段能量譜密度呈現(xiàn)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(tài)試驗測點僅采集反映較低頻段內(nèi)結(jié)構(gòu)整體模態(tài)的響應(yīng)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?zāi)Ｐ图ふ裨囼瀯禹憫?yīng)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(jié)構(gòu)整體響應(yīng)的振動信號.

圖7 模態(tài)測試測點布置

圖8 動響應(yīng)測點布置

2.3 模態(tài)試驗

模態(tài)測試系統(tǒng)包括力錘、加速度傳感器、信號采集器、級聯(lián)設(shè)備、采集計算機(jī)等；激振試驗測試系統(tǒng)包括信號發(fā)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(jī)、信號發(fā)生器等設(shè)備[9-10].

模態(tài)試驗加速度傳感器膠接固定于結(jié)構(gòu)表面，分4個試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行模態(tài)試驗.后進(jìn)行4個試驗?zāi)Ｐ蛣禹憫?yīng)測試，激振器采用彈性吊裝方式，結(jié)構(gòu)動響應(yīng)激勵信號采用白噪聲，采集頻率范圍5～1 000 Hz.

3 試驗結(jié)果分析

3.1 模態(tài)分析

四個試驗?zāi)Ｐ颓?階固有頻率測試結(jié)果見表1，圖9為鋼質(zhì)夾層板前2階模態(tài)振型，1階模態(tài)呈現(xiàn)懸臂一階整體偏振，2階則為扭轉(zhuǎn)振動，為其他模型模態(tài)振型與之基本相同.

表1 固有頻率測試結(jié)果 Hz

圖9 鋼質(zhì)夾層板模態(tài)振型

由表1可知，填充型夾層板由于剛度較鋼質(zhì)夾層板小且質(zhì)量稍大，導(dǎo)致首階固有頻率低2.6 Hz，約為14%，2階模態(tài)頻率差距受剛度和質(zhì)量影響更明顯；由于玻纖夾層板面板復(fù)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(zhì)量基本相當(dāng)(各自面板質(zhì)量遠(yuǎn)小于鋼質(zhì)正交加筋芯層)的前提下，剛度因素起主要作用，導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(yīng)分析

圖10為鋼質(zhì)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(yīng).

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(tài)試驗結(jié)果均能對應(yīng)，由于測點3和測點9處在夾層板二階共振(f=79.2 Hz)模態(tài)振型駐線上，理論上結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)為零，振動響應(yīng)非常小，其他測點在該頻率處有明顯響應(yīng)峰值；②在測試頻段范圍內(nèi)，相比鋼質(zhì)夾層板，填充型夾層板的共振峰數(shù)目較少，響應(yīng)幅值也要小很多；③填充型夾層板不同部位首階響應(yīng)峰值較鋼質(zhì)夾層板均略小，因為在低頻段處于質(zhì)量控制區(qū)，填充型夾層板質(zhì)量略大于鋼質(zhì)夾層板，導(dǎo)致響應(yīng)僅僅偏小一點，隨著頻率升高，逐漸進(jìn)入阻尼控制區(qū)，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(yīng)普遍小于鋼質(zhì)夾層板，特別是，測點5板格振動響應(yīng)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(yīng)和板格響應(yīng)的典型測點頻率響應(yīng)對比曲線.

圖11 三種復(fù)合材料夾層板典型測點頻率響應(yīng)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(xiàn)還不明顯，因結(jié)構(gòu)低頻段呈現(xiàn)整體響應(yīng)，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(shù)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(xiàn)復(fù)合材料面板和鋼質(zhì)正交加筋芯層界面的完全結(jié)合，試驗結(jié)果仍較好地展現(xiàn)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(yōu)勢.

圖12為四種夾層板自由端測點12的頻率響應(yīng)曲線.

圖12 夾層板測點12頻率響應(yīng)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(zhì)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(zhì)夾層板要小，且阻尼性能較差，所以其響應(yīng)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/?；祀s纖維面板要好，其響應(yīng)峰值相對較?。浑m然鋼質(zhì)夾層板阻尼性能最差，可其剛度和重量都較大，響應(yīng)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(yīng)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(nèi)，響應(yīng)大小順序為：混雜纖維夾層板>玻纖夾層板>鋼質(zhì)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(yīng)未填充夾層板降低約28 dB，較鋼質(zhì)夾層板降低7.6 dB.結(jié)合填充型夾層板重量僅較鋼質(zhì)夾層板重量增加約20%，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)若采用復(fù)合材料和高分子材料進(jìn)行減振設(shè)計，可考慮這種“鋼質(zhì)正交加筋芯層確保結(jié)構(gòu)主要剛度，面板采用碳/?；祀s纖維復(fù)合材料同時保證質(zhì)量較輕且剛度不大幅下降，加筋間隔填充阻尼材料保證結(jié)構(gòu)高頻振動抑制效果“的設(shè)計思路.

4 結(jié) 論

1) 填充型夾層板重量較鋼質(zhì)夾層板大，剛度小，其首階模態(tài)頻率低約14%.

2) 填充型夾層板較無填充復(fù)合材料夾層板和鋼質(zhì)夾層板具備對高頻振動更優(yōu)異的抑制能力，包括結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)和局部響應(yīng)，平均加速度級最小，較鋼質(zhì)夾層板降低7.6 dB.

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