2.5維樹脂基編織復合材料遲滯阻尼特性試驗研究

劉杰明

(南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

樹脂基復合材料由于其優異的性能與廣闊的前景，正得到越來越多的關注。除了航空和航天等軍工領域外，該類材料還逐漸在機械、汽車、化工、電子電工、醫療器械和體育器材等多種領域運用。先進樹脂基復合材料具有高比強度、高比剛度、材料/結構一體化、設計性突出、抗分層能力強、抗疲勞斷裂性能好和易大面積整體成型的優點，將其用于飛機結構上可以為飛機整體減質量20%～30%，維修成本可節約15%～20%[1]。因此，先進樹脂基復合材料的應用程度已成為衡量飛機結構設計先進性的重要指標之一。

近年來有關2.5維(亦屬于3維)樹脂基編織復合材料力學性能的研究多集中在靜力學方面，包括靜強度、剛度和疲勞性能等，其在阻尼方面的研究較少。阻尼可以定義為振動結構的能量耗散，即將振動系統中的能量轉化為其他形式的能量。由機械能轉化而成的能量類型主要取決于振動系統的類型和導致耗散的實際物理機理。對于大多數振動系統，大部分能量會轉化為熱量。這些物理機理均是尚未完全理解的復雜物理過程，結構中存在的阻尼類型將取決于在給定情況下哪種機理占主導地位。因此，測量阻尼的方法主要取決于這些機理的假設。阻尼能量耗散的物理機理通常包括黏性阻尼、庫侖阻尼和結構阻尼。黏性阻尼通常是指由于流體介質中物體的運動而引起的能量耗散；庫侖阻尼(干摩擦阻尼)是由大小恒定但方向與振動體的運動方向相反的阻尼力，由干燥或潤滑不足的摩擦表面之間的摩擦引起；結構阻尼是由材料變形時滑動或滑動內部平面之間的摩擦引起的，比如鉸鏈或者兩個接觸的物體等。遲滯阻尼屬于結構阻尼[2]。有關阻尼測量方法的討論很多，但仍然缺乏設計良好的試驗來處理用遲滯回線法測量阻尼損耗因子的問題。

有關阻尼測試的方法很多學者提出了不同的看法。LAZAN B[3-4]在阻尼方面的開創性工作被大多數研究人員認為是測量金屬阻尼各種機理最可靠的來源，包括滯后阻尼，其提出的測試標準是ASTM E756，用于測量可應用于標準懸臂梁同質阻尼材料的損耗因子和彈性模量。美國材料試驗學會也提出了其他測試方法，如中心阻抗法[5]，該方法易于使用，只需要標準振動設備進行激勵，是一種簡單的方法來控制實驗的可重復性。主流的半功率帶寬法和自由衰減法伴隨著非均勻彎曲應變評估，容易受到空氣阻尼的影響，而通過兩端固定約束的軸向載荷中滯后能量損失的測量可以降低該影響[6]。本文將通過軸向載荷加卸載的方式測量2.5維樹脂基編織復合材料的遲滯阻尼，觀察材料的遲滯阻尼特性與循環拉伸加卸載周期數和加載應力水平的關系。

1 試驗測試方法

1.1 試驗原理

本試驗采用方法為磁滯回線法，如圖1所示。阻尼的估計是通過計算穩態諧波負載引起的每周期振蕩的能量損失而獲得的。通過繪制給定運動周期的瞬時應力與應變的關系，可以生成橢圓形遲滯曲線。

圖1 遲滯回線法

遲滯曲線所圍成的面積等于諧波運動每個周期內的耗散能量。在合理阻尼水平下，遲滯回線所圍成的面積A可通過如下公式計算損耗因子：

(1)

定義比阻尼容量系數(SDC)為Ψ，可以將上述各量之間的關系表示為

(2)

1.2 試驗件制備

本文采用的2.5維編織樹脂基復合材料試驗件基于T800/ BMP350材料體系，采用RTM工藝成型。纖維型號為T800-12K，樹脂型號為聚酰亞胺BMP350。試驗件尺寸依據GB/T 33613—2017制取，其長寬高尺寸為190mm×30mm×2mm，共有3件，如圖2所示。

圖2 試驗件

1.3 試驗方法

循環拉伸加卸載試驗在南京航空航天大學能源與動力學院實驗室進行，試驗設備主要有圖3所示的MTS加載試驗臺、配套的引伸計和數據采集系統。試驗過程中，軸向應力可通過MTS試驗臺反饋得到；因施加軸向應力而產生的軸向應變由引伸計測得；所測得的應力-應變數據由數據采集系統采集。隨后將采集的數據導入MATLAB數值仿真軟件中以圖像形式繪出，可以形成大量的應力-應變遲滯回線，其數量取決于循環拉伸加卸載的周期數。

圖3 MTS加載試驗臺

為了確保試驗測量精確度，設置加卸載頻率為1Hz，應力幅值水平設定了0.3、0.6、0.8三種應力水平，循環次數為2000個循環。

在獲取應力-應變遲滯回線后，通過在MATLAB數值仿真軟件中編寫程序，計算所有循環周期下遲滯回線所圍成的面積，并通過公式(1)計算出對應遲滯阻尼的損耗因子。

2 結果與分析

根據上文的測試方法進行試驗，3根試驗件測試結果如圖4-圖6所示(本刊為黑白印刷，如有疑問請咨詢作者)，1號、2號、3號分別對應應力水平為0.3、0.6和0.8。

圖4 1號試驗件應力-應變遲滯回線

圖5 2號試驗件應力-應變遲滯回線

圖6 3號試驗件應力-應變遲滯回線

圖4中遲滯回線存在不穩定的波動現象，造成該現象的原因可能是MTS加載試驗臺在施加低應力水平時存在失穩現象，導致應力-應變曲線不平滑。

綜合觀察圖4-圖6的測試結果發現：

1)隨著循環次數的增加，遲滯回線存在向上方偏移的趨勢，且偏移速率由快到慢，最終趨于穩定；

2)隨著循環次數的增加，在保持應力水平不變的情況下，材料應變逐漸增大。每次應變增大會伴隨著新的損傷，待損傷發展完全后，材料應變趨于穩定。此外，應力水平越大，材料最終趨于穩定的應變也越大。

通過MATLAB軟件計算2000次循環周期對應的遲滯阻尼損耗因子，計算結果如圖7-圖9所示。觀察遲滯阻尼損耗因子的變化趨勢發現，損耗因子在初始階段下降明顯，隨著循環次數的增加(循環數約1000以后)逐漸趨于穩定。在0.3和0.6應力水平下，損耗因子最終穩定在0.015左右，而0.8應力水平下損耗因子最終穩定在0.02左右。

圖7 1號試驗件遲滯阻尼損耗因子

圖8 2號試驗件遲滯阻尼損耗因子

圖9 3號試驗件遲滯阻尼損耗因子

3 結語

本文通過遲滯回線法對用于航空航天領域的2.5維樹脂基編織復合材料的遲滯阻尼損耗因子進行了試驗研究。研究結果表明，遲滯阻尼損耗因子隨著循環次數的增加會逐漸降低，并且在達到一定循環次數后趨于穩定。同時，最終損耗因子的穩定值與應力水平有關。本文試驗研究內容初步揭示了2.5維樹脂基編織復合材料中的遲滯阻尼特性，為今后的理論研究提供試驗依據。這對探索2.5維樹脂基編織復合材料其他類型阻尼機理具有很大的實際意義，對其邁向工程實際應用具有很大幫助。