嵌入式共固化網格阻尼結構復合材料的動力學性能研究

李　雪，梁　森，梁天錫

(1.青島理工大學 機械學院，山東 青島　266000； 2.中國工程物理研究院，四川 綿陽　621900)

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嵌入式共固化網格阻尼結構復合材料的動力學性能研究

李雪1，梁森1，梁天錫2

(1.青島理工大學 機械學院，山東 青島266000； 2.中國工程物理研究院，四川 綿陽621900)

摘要：建立嵌入式共固化網格阻尼結構復合材料的有限元數值模擬模型，提出了用改進的應變能法分析該網格結構的阻尼特性；通過對比所得模擬數據與實驗結果，表明該模擬方法的有效性，再用驗證了的模型和方法分別研究了不同幾何參數對整體結構模態損耗因子和頻率的影響，相關結論對嵌入式共固化網格阻尼結構復合材料的動力學性能理論預估具有重要指導意義。

關鍵詞：數值模擬；嵌入式共固化網格阻尼結構復合材料；模態損耗因子；模態頻率

Citation format:LI Xue，LIANG Sen，LIANG Tian-xi.Dynamic Property Analysis of Embedded Co-Cured Gridded Damping Structure Composites [J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):132-137.

嵌入式共固化網格阻尼結構復合材料 (Embedded Cocured Gridded Damping Structure Composites，ECGDSC)是在嵌入式共固化復合材料結構基礎上對阻尼層進行改進的一種新型阻尼結構，保留了傳統原有結構高阻尼性能優點同時能夠提高材料的結構剛度，因而在航空、航天、快速空間運載器等高科技領域有著廣泛的應用前景[1-5]。目前，國內外學者對嵌入式共固化復合材料阻尼結構(Embedded Cocured Composites Damping Structure，ECCDS)已做了大量探索性工作，并取得了豐碩成果[6-10]，文獻[6-8]用模壓法制成ECCDS試件并進行了阻尼性能和隔聲性能研究，文獻[9-10]用有限元模擬了ECCDS的低速沖擊性能，文獻[11]提出了穿孔阻尼結構，并用遺傳算法對穿孔ECCDS的幾何參數優化，文獻[12-13]研究了ECCDS經濕熱處理厚構件層間結合性能和摩擦磨損性能。本文在穿孔阻尼結構的基礎上提出了ECGDSC，使用實驗驗證了模態應變能有限元數值模擬技術探討阻尼層不同的網格分布和厚度對ECGDSC動力學性能的影響。研究結論為ECGDSC動力學性能理論預估具有指導意義。

1ECGDSC的設計

為了滿足大阻尼高剛度的設計要求，本文提出了如圖1所示網格阻尼復合材料結構，通過共固化成型工藝制作成ECGDSC試件[14]。選用的復合材料預浸料為T300/QY8911，0度鋪層，單層厚是0.125 mm，上下蒙皮各8層，中間阻尼層厚度為0.3 mm。中間阻尼層是將粘彈性阻尼塊按照設計的網格邊長和網格間距鋪設，在共固化成型中通過阻尼片的縫隙形成偶聯結構，這種結構在一定程度上可以提高復合材料構件的剛度。圖2是阻尼塊的邊長和間距設計尺寸，其中S、L分別是阻尼塊的邊長，t、h分別為阻尼塊之間的間距。

圖1　ECGDSC示意圖

圖2　網格尺寸圖

2ECGDSC實驗和數值模擬

2.1模態試驗

實驗試件為300 mm×200 mm的矩形板，長度方向夾緊42 mm，測試有效尺寸為258 mm×200 mm，粘彈性材料厚0.3 mm。本文模態實驗儀器全部使用Brüel & Kjr公司的模態測試設備，其中：PULSE型號3560B，加速度傳感器4524-B-004，力錘型號為8206-002，圖3為試件的固定及信息采集系統。采用一邊固支、單點激勵多點響應的力錘法研究ECGDSC的動力學性能，即力錘敲擊點固定，移動傳感器，通過采集不同位置的信息，經B&K的數據處理系統獲得試件的一階模態阻尼和模態頻率。測試前將試件均勻劃分成9×7等分，試件及測試點位置如圖4所示。根據網格邊長和間距對測試試件進行編號，具體見表1。

圖3　信息采集及試件固定

圖4　模態測試試件

編號S×L/mmt×h/mmH120×205×5H228×205×5H312×205×5H420×203×5H520×207×5

2.2有限元數值模擬

采用有限元分析和模態應變能相結合的方法對ECGDSC的損耗因子和模態頻率進行研究，有限元模型與實驗測試試件保持一致，表2、表3和表4是各材料具體力學參數[15-19]，圖5為局部網格劃分結構，圖6為加約束后的ECGDSC板。

表2　T300/QY8911的材料參數

表3　粘彈性材料參數

表4　樹脂材料參數

圖5　ECGDSC的有限元網格劃分

圖6　加約束后的ECGDCS板

2.3實驗結果與模擬結果

試件的實驗結果與模擬結果見表5，圖7為所測試件一階模擬和測試的模態參數及陣型圖。

表5　一階模態實驗數據與模擬結果比較

圖7　一階模態振型的模擬和測試結果

由表5、圖7知：在相同的模態振型下，一階模態損耗因子平均誤差為2.1%，模態頻率誤差為2.38%，誤差相對較小，證明了分析方法及模型的有效性，為此本文將用驗證了的模型和方法進一步研究阻尼層相對厚度以及阻尼塊的邊長、邊長比、間距和間距比對ECGDSC動力學性能影響。

3ECGDCS動力學性能數值模擬

3.1阻尼層相對厚度對ECGDCS動態性能影響

這里阻尼片的邊長是S=L=20 mm，阻尼片間距是t=h=5 mm，ECGDSC試件總厚是2 mm，上下蒙皮厚度相同,中間阻尼層的厚度發生變化，相對厚度是阻尼層厚度與單側蒙皮厚度的比值，用Sr表示，表6、圖8和圖9是Sr對ECGDSC動態性能的模擬結果。

由表6、圖8和圖9知：相對厚度小于1.636時，隨著阻尼層厚度的增加，一階模態阻尼損耗因子顯著增大，但結構的固有頻率降低；當相對厚度大于1.636時損耗因子幾乎不變。究其原因：阻尼層厚度的增大導致粘彈性材料在整體構件中所占比重增加，而粘彈性材料的彈性模量遠小于T300/QY8911的模量，因此隨著相對厚度的增大結構剛度降低而阻尼提高。

3.2S、L對ECGDSC動態性能的影響

模擬試件的阻尼薄片厚是0.3 mm，間距t、h恒定為5 mm 時，表7、圖10和圖11是分析得出ECGDSC動力學性能隨S、L的變化關系。

表6　Sr變化的模擬結果

圖8　損耗因子與Sr的變化關系

圖9　模態頻率與Sr的變化關系

S×L/mm損耗因子固有頻率/Hz10×100.0209932.15715×150.0217332.13820×200.0223532.11825×250.0228232.10330×300.0232132.085

圖10　損耗因子與S、L的變化關系

圖11　模態頻率與S、L的變化關系

由表7、圖10和圖11知：隨著S、L的增大，損耗因子增加了10.06%，而模態頻率降低了0.22%。這是由于網格邊長的增大，使結構阻尼層處理面積增大，從而提高阻尼結構的損耗因子，但整體結構的剛度降低幅度很小。

3.3t、h對ECGDSC動態性能的影響

模擬試件的阻尼薄片厚0.3 mm，邊長S、L恒定為20 mm，現將間距t、h變化分時的模擬結果列在表8、圖12和圖13中。

表8　t、h變化的模擬結果

圖12　損耗因子與t、 h的變化關系

圖13　模態頻率與t、h的變化關系

由表8、圖12和圖13知：隨著h與t的增大，一階模態損耗因子降低了16.06%，而一階模態頻率提高了0.41%。這是由于網格間距的增大，阻尼處理面積減小，使得試件模態損耗因子降低而頻率提高。

3.4t/h對ECGDCS動態性能的影響

網格阻尼變間距是指保持一個方向的阻尼間距h不變，而變化另一個方向的阻尼間距t，并將兩個間距相除得到間距比t/h，間距h恒定為5 mm，t變化，阻尼薄片厚0.3 mm，阻尼薄片邊長S=L=20 mm，模擬結果分別見表9、圖14和圖15。

由表9、圖14和圖15知：隨著間距比的增加損耗因子降低7.68%，固有頻率增加0.15%，這是由于阻尼塊間距比的增加，阻尼處理面積比降低，從而導致阻尼損耗因子降低，固有頻率增加。

表9　t/h變化模擬結果

圖14　損耗因子與t/h的變化關系

圖15　模態頻率與t/h的變化關系

3.5S/L對ECGDCS動態性能的影響

網格阻尼片變邊長是指保持一個方向的阻尼片邊長L不變，而變化另一個方向的阻尼邊長S，將兩個長度相除即得到邊長比S/L，將邊長L恒為20 mm，邊長S改變，阻尼間距是t=h=5 mm，阻尼薄片厚0.3 mm，分析結果見表8、圖12和圖13。

表10　邊長比變化分析結果

圖17　模態頻率與S/L的變化關系

由表8、圖12和圖13知：隨著邊長比的增加損耗因子增加4.09%，模態頻率降低0.08%，這是由于阻尼塊邊長比的增加，使阻尼處理面積比增大，導致阻尼損耗因子增大，固有頻率降低。

4結論

本文提出了嵌入式共固化網格阻尼結構復合材料，建立了ECGDSC的有限元數值分析模型，研究用改進的模態應變能預估該結構的動力學性能，通過用驗證了的模型和方法對該結構做進一步深入研究，得出如下結論：

1) 在一階模態振型下實驗結果和模擬結果誤差在2.1%左右，驗證了本文分析方法和有限元模型的有效性。

2) 當粘彈性阻尼相對層厚度小于1.636時，能明顯提高ECGDSC的損耗因子，但構件的剛度會降低。

3) 在粘彈性阻尼層厚度相同的前提下，無論是變化阻尼塊邊長、間距還是變化阻尼塊邊長比、間距比，均可歸結為：隨著阻尼塊面積率的增大，ECGDSC的損耗因子增加、頻率降低，但其降低程度相對較小。相關結論對ECGDSC動力學性能設計與應用具有一定指導意義。

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(責任編輯楊繼森)

Dynamic Property Analysis of Embedded Co-Cured Gridded Damping Structure Composites

LI Xue1，LIANG Sen1，LIANG Tian-xi2

(1.College of Mechanical Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao 266000, China;2.China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900，China)

Abstract:The finite element numerical simulation model of the embedded co-cured gridded damping structure composites was presented in detail and the first order modal damping loss factor of the grid structure was analyzed by the modified strain energy method. The experimental data are in good agreement with the simulation results by comparation, which indicates that the simulation model and method are very validity. By using the verified model and method, the effects of different geometric parameters on the overall structure modal loss factor and frequency were investigated deeply. The conclusion has very important guiding significance to forecast dynamic performance of the embedded co-cured gridded damping structure composites.

Key words:numerical simulation; embedded co-cured gridded damping structure composite; modal loss factor; modal frequency

文章編號：1006-0707(2016)03-0132-06

中圖分類號：TB535

文獻標識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.032

作者簡介：李雪 (1991—)，女，碩士，主要從事復合材料力學研究。

收稿日期：2015-09-23；修回日期：2015-11-10

本文引用格式：李雪，梁森，梁天錫.嵌入式共固化網格阻尼結構復合材料的動力學性能研究[J].兵器裝備工程學報，2016(3):132-137.

【化學工程與材料科學】