含脫層復合材料圓柱殼的振動模態試驗分析

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(中國艦船研究與設計中心，武漢 430064)

復合材料層合板殼結構以優良的特性被工程界普遍采用，已成為艦船、手中兵器、航空航天等工程中常用的基本結構形式之一。對復合材料結構，特別是含有脫層缺陷的結構進行振動模態理論及試驗研究是非常有意義的[1-5]。文中對含有脫層缺陷的復合材料層合圓柱殼不同鋪設角度，脫層形式以及脫層大小進行了振動與模態試驗。

1 振動試驗

1.1 試驗系統

圖1為模擬在自由邊界條件下的復合材料圓柱殼振動模態的試驗系統，系統由復合材料圓柱殼試件、激勵系統、信號采集系統(B&K)、信號分析系統(B&K)以及計算機等組成。

1-懸吊彈簧；2-玻璃銅圓柱殼試件；3-力錘；4-加速度傳感器圖1 測量系統示意圖

1.2 試驗模型

試驗中復合材料圓柱殼由高強緞紋玻璃纖維布和3201樹脂加入固化劑，觸變劑、偶聯劑等輔料制成，共7件。其幾何參數及脫層形式見表1。

表1 試件的幾何參數及脫層形式

1.3 測量模型網格劃分

在試驗前，對每個試件進行網格劃分，沿軸向7個點，周向21個點，共147個點，每個節點作為力錘敲擊點，選取若干點為加速度傳感器測量點。測試試件及試件網格見圖2，布層均為6層。

圖2 網格劃分示意圖

1.4 測試信號

圖3列舉了實驗中試件4#的測試信號，4#試件布置了2個加速度傳感器,表示的是力錘產生的激勵信號，由通道1采樣而得。在實驗中引入力窗函數，是為了在進行信號采樣及數據處理時，盡量減小干擾信號的引入以及控制力錘敲擊力的大小和采樣時間。

圖3 力錘信號和響應信

圖4為4#試件測得的由分析軟件ME′scopeVES生成的頻響函數實頻曲線和虛頻曲線，即柏德圖。柏德圖中的虛頻曲線的峰值對應于固有頻率。利用虛頻和實頻曲線的峰值可以計算出阻尼系數。同時也可以確定有無反共振點。

圖4 頻響函數的實頻、虛頻圖

2 測試結果

圖5為1#試件前6階振型，圖中的模態可以很好地識別出來，較真實地反映了試件的振動特性。

圖5 1#試件前6階模

數值計算結果與試驗結果列于表2。表中空格為試驗無法識別的模態。從表2中可以看出，當軸向半波數m=0時，有限元計算值與試驗值有很好的吻合，最大誤差只有7.27%。而當軸向半波數m=1時，兩者之間有很大的誤差。

3 結論

1) 當模型軸向半波數m=1時測試結果和有限元結果相差很大，這是因為試驗和計算中的模型邊界條件有差異。復合材料試件的剛度小，質量輕，特別是在試驗過程中，用彈簧繩將試件自由懸掛，對試件徑向有預應力，使得頻率減小。

表2 試驗值與計算值的比較

2) 從前3個試件來看，對單層為各項同性材料的正交鋪層方式的圓柱殼來說，鋪層角度越大，總體剛度越小，第一階模態頻率越小。

3)從4#、5#、7#試件看，各階模態頻率相比，脫層缺陷大的頻率較小。

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