一種質輕、高強度復合材料阻尼儀表板的設計

郝文銳，梁 森，韋利明，梁天錫

(1.中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900;2.青島理工大學 機械學院，山東 青島 266033)

復合材料由于具有較高的比強度、比剛度、抗疲勞、耐沖擊、可設計等一系列優點，近年來在航空、航天、機械、生物、醫學、體育等領域得到廣泛的應用［1，2］。但在實際工程應用中，高速、重載工況對復合材料構件的強度和阻尼特性提出了更高的設計要求，復合材料的可設計性又為其強度和阻尼性能的進一步提高和結構的優化提供了廣闊的空間［3］。嵌入式共固化復合材料阻尼結構(Embedded and Co-cured Composite Damping Structure，ECCD)為將3種不同性質的材料通過物理或化學的方法復合而成的一種多相固體［3］。從組成和結構上分析，其中有一相在層內基本上是連續的，稱為基體;另一相是被基體分散包容的，稱為增強相;還有一相是各向同性的粘彈性阻尼材料［3］。其基體相、增強相和粘彈性阻尼材料在性能上互相協調，大幅度提高了構件的阻尼，得到單一材料難以比擬的綜合力學性能［3］。與傳統的阻尼結構相比，這種結構阻尼材料鑲嵌在基體內部，具有不脫落、抗老化等優點，已成為研究的熱點［4-8］。

泡沫夾芯結構在航空、航天及民用產品等領域有大量應用。聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)泡沫是在國外首先研制成功并投入工業化生產的，具有密度小、耐高溫、抗壓和比強度高等特點，且具有優異的二次加工性能和與其他復合材料的粘接固化等綜合性能，多被用于復合材料結構件的夾芯［9，10］。和蜂窩芯相比，各向同性的PMI泡沫在熱壓罐固化過程中，能滿足側壓下尺寸穩定性，并能將壓力均勻地傳遞給泡沫下的面板，還具有成型質量高的特點［10］。

本文將ECCD結構和PMI泡沫的特點相結合，提出了用ECCD結構作為面板、PMI泡沫作為夾芯材料，設計出一種新型復合材料儀表板，通過使用低密度的PMI夾芯層，使整個儀表板具有剛度高、減振性能優異的效果，并采用數值模擬技術對該新型儀表板的靜力學性能進行了分析研究，結論為精密、高速、動載復合材料構件的設計提供參考。

1 設計方案

如圖1所示，儀表板上有精密儀器的安裝孔，因此要求儀表板的厚度不能超過15 mm，需保證較高的剛度和強度，并且滿足輕質要求。

圖1 儀表板正、反面示意圖

為此本文提出了兩種設計方案，它們在厚度方向的鋪層順序分別為:［45/0/d/-45/90/d/90/-45/d/0/45/PMI/45/0/d/-45/90/d/90/-45/d/0/45/PMI/45/0/d/-45/90/d/90/-45/d/0/45］和［45/d/90/d/0/d/0/PMI/45/d/90/d/0/d/90/d/45/PMI/0/d/0/d/90/d/45］，其中 d 代表 0.1 mm阻尼材料層。在第一種鋪層方式中使用的是纖維復合材料預浸料，其每層厚度為0.125 mm，整個儀表板是由厚度為1.3 mm 的蒙皮、5.55 mm 厚的 PMI、1.3 mm 的蒙皮、5.55 mm厚的PMI和1.3 mm的蒙皮構成;第二種鋪層方式使用的是編織布復合材料預浸料，其每層厚度為0.23 mm，它是由厚度為1.22 mm 的蒙皮、5.505 mm 厚的 PMI、1.55 mm 的蒙皮、5.505 mm厚的PMI、1.22 mm的蒙皮構成。兩鐘設計方案所得儀表板的總厚度均為15 mm。

選用的碳纖維復合材料(T300/QY8911)、編織布復合材料(CF3031/QY8911)阻尼薄膜、PMI夾芯材料、鈦合金螺釘套的主要力學參數分別見表1～表5。

儀表板由5層結構組成，它在厚度方向上的結構以及螺釘與結構之間的連接關系如圖2所示。螺釘安裝套固定方式簡單，主要靠粘結劑將其粘結在中間復合材料上，而且對中間復合材料預浸料的鋪層沒有太大影響，使制作工藝比較簡單。

表1 碳纖維T300/QY8911的主要力學參數

表2 編織CF3031/QY8911主要力學參數

表3 阻尼薄膜的主要力學參數

表4 PMI的主要力學參數

表5 鈦合金的主要力學參數

圖2 儀表板的截面結構示意圖

2 計算分析

2.1 邊界條件

邊界條件包括約束和外載荷，當外載荷固定時，為適應不同工況，采用3種約束邊界條件模擬實際情況，具體情況為:

1)邊界約束條件1。將儀表板外圓柱母線上網格點的6個自由度(3個移動自由度、3個轉動自由度)全約束，目的是造成一個周邊固支邊界條件，以模擬螺釘連接情況下結構的靜力學性能，其示意如圖3所示。

圖3 邊界約束條件1示意圖

2)邊界約束條件2。將外圓環上網格點的3個移動自由度約束，圓環半徑是螺釘套中心線到外圓之間長度，目的是造成一個周邊簡支邊界條件，以模擬螺釘連接情況下結構的靜力學性能，其示意如圖4所示。

圖4 邊界約束條件2示意圖

3)邊界約束條件3。如圖5所示，約束小紅圈這一點約束3個移動自由度，圓柱母線限制z向(垂直板面方向)移動自由度，目的是造成一個周邊簡支邊界條件，以模擬螺釘連接情況下結構的靜力學性能。

圖5 邊界約束條件3示意圖

4)外載荷條件。將儀表板兩邊共安裝組件的重量為16 kg，儀表板受縱向過載(垂直板面方向)75 g，作平均處理后，均勻加載在每一個螺釘孔上。

圖6 外載荷施加示意圖

2.2 結果分析

針對2種設計方案的模型，分析其不同邊界條件下，靜力學分析結果，其最大變形量及其位置、最大應力及其位置分別列于表6、表7。其中最大變形出現位置均為儀表板中心處。

表6 設計方案1儀表板的靜力學分析結果

表7 設計方案2儀表板的靜力學分析結果

從表6與表7可以看出:設計方案1模型和設計方案2模型的計算結果中 z向最大位移變化不大，且均不超過0.3 mm，可以說性能優異。由于編織布復合材料的力學性能與纖維復合材料的力學性能不同，導致最大應力位置和最大應力的數值發生了不同程度的變化，但都在相對應力的安全范圍之內，滿足靜態載荷的受力要求。以設計方案2的計算模型為例，它在邊界條件1下的z向變形量模擬分析結果如圖7所示。

圖7 設計方案2在邊界條件1下的z向變形量(mm)

設計方案2模型在邊界條件2下的應力模擬分析結果如圖8所示。

圖8 設計方案2在邊界條件2下的合成應力(MPa)

設計方案2在邊界條件3下的應力模擬分析結果如圖9所示。

圖9 設計方案2在邊界條件3下的合成應力(MPa)

3 結論

本文針對某儀表板質輕、高強度的性能要求，提出采用共固化嵌入式阻尼復合材料與PMI泡沫夾芯組合結構的兩種設計方案。通過有限元模型的計算分析初步表明，兩者均能達到質輕、高強度的要求。相比而言，方案一的性能更優一些，結論可以為精密、高速、動載復合材料構件的設計提供參考。

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