玻纖拉擠型材沖擊狀態(tài)下的材料阻尼參數(shù)研究

摘 要 本文主要對玻璃纖維環(huán)氧樹脂體系復(fù)合材料拉擠型材的材料阻尼參數(shù)進行了研究，通過對型材試樣的制作、力學(xué)試驗和落錘沖擊試驗，得到材料的彎曲模量和不同能量狀態(tài)下的沖擊變形。采用ANSYS有限元分析軟件對玻纖/環(huán)氧拉擠型材在瞬態(tài)動力學(xué)沖擊狀態(tài)下進行模擬分析，設(shè)計了6種沖擊能量，分析材料阻尼參數(shù)對其力學(xué)響應(yīng)的影響。研究結(jié)果顯示，玻纖/環(huán)氧型材在不同能量沖擊過程中的材料阻尼不同，2 J和4 J時的材料阻尼達到0.0165，但將其應(yīng)用至高能量沖擊工況下，變形響應(yīng)相差最多達79 %，高能量沖擊下仿真推到出的材料阻尼參數(shù)從0.0092逐漸降低至0.0018。這是由于受材料內(nèi)耗機制的影響，沖擊產(chǎn)生的振動能量不容易被耗散，導(dǎo)致材料阻尼系數(shù)降低。

關(guān)鍵詞 復(fù)合材料；玻纖；材料阻尼；沖擊；有限元仿真

Research on Material Damping Parameters of Glass Fiber

Pultruded Profiles under Impact Conditions

YU Jiayun，LIU Jia，LIU Xinyi，WANG Baorui，LIANG Yan

（Harbin FRP Institude Co.， Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT This article mainly studies the material damping parameters of glass fiber epoxy resin system composite pultruded profiles. Through the production of profile samples， mechanical tests and drop hammer impact tests， the bending modulus of materials and the impact deformation under different energy states are obtained. ANSYS finite element analysis software was used to simulate and analyze the transient dynamic impact state of fiberglass/epoxy pultruded profiles. Six types of impact energy were designed to analyze the influence of material damping parameters on their mechanical response. The research results show that the material damping of fiberglass/epoxy profiles varies during different energy impact processes. The material damping reaches 0.0165 at 2 J and 4 J， but when applied to high energy impact conditions， the defromation response differs by up to 79 %. The material damping parameters obtained from simulation under high energy impact gradually decrease from 0.0092 to 0.0018. This is due to the influence of the internal friction mechanism of the materials， which makes it difficult to dissipate the vibration energy generated by impact， resulting in a decrease in the damping coefficient of the material.

KEYWORDS glass fiber; composite material; material damping; impact; finite element simulation

1 引言

復(fù)合材料的沖擊性能是指材料在外部沖擊或沖擊載荷作用下的抗沖擊能力，由材料的組成、層合結(jié)構(gòu)、纖維方向、樹脂基體性能等因素決定。不同類型的纖維具有不同的強度和剛度特性，從而影響復(fù)合材料整體的抗沖擊性能，碳纖維通常具有較高的沖擊強度和剛度，而玻璃纖維更具韌性，受纖維吸收和分散沖擊能量的作用增強，增加纖維體積含量通常會提高復(fù)合材料的抗沖擊性能。適合的制造工藝能夠確保纖維與樹脂間具備優(yōu)異的界面性能，有助于提高抗沖擊性能。復(fù)合材料阻尼是指復(fù)合材料對振動和沖擊的吸收與耗散能力，阻尼通過將振動能量轉(zhuǎn)化為熱能或其他形式的能量而實現(xiàn)。在許多工程應(yīng)用中，控制振動和減小結(jié)構(gòu)的共振是至關(guān)重要的，因此復(fù)合材料的阻尼特性成為設(shè)計和材料選擇的關(guān)鍵考慮因素。復(fù)合材料阻尼性能的研究一直是材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的熱點之一，國內(nèi)外學(xué)者在復(fù)合材料阻尼性能方面進行了廣泛的研究。

Chandra R.等人［1］綜述了纖維增強復(fù)合材料（重點為聚合物復(fù)合材料）和結(jié)構(gòu)阻尼的研究現(xiàn)狀，介紹了適用于阻尼分析和復(fù)合阻尼機制的方法。Berthelot J.M.等人［2-3］對單向玻璃纖維和Kevlar纖維復(fù)合材料的阻尼隨頻率和纖維取向的變化進行了廣泛的分析，通過實驗將傅里葉響應(yīng)與分析運動響應(yīng)擬合而導(dǎo)出阻尼參數(shù)。使用Ritz方法對單向或正交各向異性復(fù)合材料的阻尼進行了評估。后續(xù)研究了具有單層或雙層交錯粘彈性層的單向玻璃纖維復(fù)合材料的阻尼，給出了在單向?qū)雍习逯虚g平面交錯的粘彈性層的楊氏模量和阻尼的影響。Assarar M.等人［4］合作開發(fā)出針對層合板材料、具有交錯粘彈性層的層合板和夾層材料阻尼分析的綜合方法，考慮橫向剪切效應(yīng)的層合板理論及有限元分析，建立不同材料組成的結(jié)構(gòu)阻尼模型，獲得材料和成分的阻尼參數(shù)。Wang YB等人［5］采用手工鋪放法制備0°和45°鋪層角的云母/玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，并對其力學(xué)性能和阻尼特性進行研究。對于0°復(fù)合材料，阻尼比在云母占比達到5 phr時達到最大值，對于45°復(fù)合材料，阻尼比隨著云母負載的增加而降低。Li Y等人［6］提出了一種利用亞麻纖維和碳納米管（CNTs）增強碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料阻尼性能的多尺度方法，表明在碳纖維增強復(fù)合材料的最外層鋪設(shè)亞麻纖維，可以顯著提高復(fù)合材料的阻尼性能，碳納米管使阻尼性能進一步增強。通過掃描電鏡和理論分析可知，復(fù)合材料阻尼性能的提高是由于纖維獨特的多尺度微觀結(jié)構(gòu)和碳納米管的粘滑作用引起亞麻纖維內(nèi)部的滑動摩擦。Tang XN等人［7］對纖維增強聚合物基復(fù)合材料的阻尼性能進行了全面的綜述，研究阻尼特性的機理和分析方法，同時對決定阻尼的幾個因素進行分析，如基體、纖維類型、纖維結(jié)構(gòu)、纖維表面改性和摻入的填料。

國內(nèi)針對纖維增強樹脂基復(fù)合材料阻尼的研究形式也進行了綜述類的總結(jié)［8-9］，從阻尼機理、模型（宏觀/細觀力學(xué)）預(yù)測和優(yōu)化增強改善方面提出了大量觀點。武海鵬等人［10］采用懸臂梁法進行玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料的阻尼測試，表明纖維角30°時為峰值損耗因子，載荷低頻段下的材料阻尼性能優(yōu)于高頻段。李瑞杰等人［11］研究了碳纖維增強復(fù)合材料結(jié)構(gòu)阻尼性能，通過改變基體材料和纖維鋪層角度的振動測試，表明這兩種參數(shù)對阻尼性能有重要影響。劉濤［12］列舉了國內(nèi)外專家學(xué)者在纖維增強樹脂基復(fù)合材料阻尼性能方面的主要研究成果，對阻尼定義、性能分類和宏/微觀力學(xué)分析方法進行了介紹。吳鑫銳等人［13］測試T700S碳纖維0°、45°和90°三種纖維方向的單向復(fù)合材料板前三階固有頻率，同時應(yīng)用ANSYS進行模態(tài)分析，表明纖維角度增加致使整體結(jié)構(gòu)剛度逐漸降低，導(dǎo)致固有頻率下降，利用應(yīng)變能法計算模態(tài)阻尼損耗因子隨纖維角度的變化，利用結(jié)構(gòu)阻尼耗散機理解釋模態(tài)阻尼損耗因子的變化曲線。在完全法瞬態(tài)動力分析過程中，無法對結(jié)構(gòu)施加常阻尼比，需通過已知結(jié)構(gòu)的阻尼比ξ進行α和β值求解，然后通過Rayleigh阻尼實現(xiàn)，而Rayleigh阻尼為全局性的整體結(jié)構(gòu)阻尼，當(dāng)模型由許多不同材料部件組成時，各部分材料的阻尼相差很大（需考慮局部差異）。故有必要采用材料阻尼作為附加手段，以便于在特定動力學(xué)仿真分析中，彌補多組件復(fù)雜結(jié)構(gòu)阻尼帶來的繁瑣性與額外工作量，從而提高效率。本文考慮玻璃纖維拉擠型材在特定工程應(yīng)用中的受力情況，利用ANSYS有限元進行模擬復(fù)合材料樣件的受沖擊過程，通過試驗的結(jié)果數(shù)據(jù)修正仿真模型，得出經(jīng)驗性玻纖拉擠型材的材料阻尼變化規(guī)律，以及在不同能量沖擊下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，為后續(xù)研究提供參考。

2 玻纖拉擠板成型工藝

2.1 樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料性能

樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料是一種常見的增強型復(fù)合材料，由玻璃纖維作為增強相、樹脂作為基體相所構(gòu)成，其具有以下性能特點：

（1）高強度和剛度：樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料具有很高的拉伸強度和剛度。玻璃纖維作為增強相具有優(yōu)異的強度和剛度，能夠有效傳遞載荷。

（2）良好的耐腐蝕性：玻璃纖維對于大多數(shù)化學(xué)品具有較好的耐腐蝕性能，因此樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料在惡劣環(huán)境下具有較好的耐腐蝕性，可廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域。

（3）優(yōu)異的耐熱性：玻璃纖維具有較高的熔點和較低的熱膨脹系數(shù)，因此樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料在高溫環(huán)境下表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和機械性能。

（4）良好的絕緣性：玻璃纖維具有優(yōu)異的絕緣性能，樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料在電氣和電子領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，可用作絕緣結(jié)構(gòu)和電器外殼等。

（5）易成型和易加工性：樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料在制造和加工過程中具有較好的可塑性，可通過不同的成型方法制備出復(fù)雜形狀的零部件。

2.2 拉擠成型工藝

復(fù)合材料拉擠工藝是一種常用的復(fù)合材料成型方法，用于生產(chǎn)具有特定形狀和性能的復(fù)合材料制品。該工藝將纖維增強材料（如玻璃纖維、碳纖維）與樹脂基體（如環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂）按照一定比例混合，并制備成連續(xù)的纖維增強預(yù)浸料或干燥預(yù)浸料，并根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計要求制作所需產(chǎn)品截面形狀的金屬模具。通過將預(yù)浸料引入擠出機的進料區(qū)域，同時加熱至適宜的溫度，以使樹脂基體部分軟化，能夠順利將其推進到擠出頭。預(yù)浸料在擠出頭的作用下通過模具并填充整個模腔，使纖維增強材料逐漸定向并聚集在所需位置，填充完成后，擠出出口處的材料進一步固化成為堅固的復(fù)合材料制品。后續(xù)根據(jù)需要進行切割、修整、表面處理等加工操作，形成真正的復(fù)合材料產(chǎn)品。拉擠工藝生產(chǎn)效率高且成本低廉，適合大批量的復(fù)合材料型材制造，且纖維體積含量高，更加有效的發(fā)揮增強相性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、建筑、體育用品等領(lǐng)域中制造輕量化和高性能的復(fù)合材料制品。

3 玻纖拉擠板力學(xué)試驗

拉擠型材試件厚度6 mm，均超過力學(xué)檢測標(biāo)準(zhǔn)中的試件厚度，拉伸試驗難以加載至破壞載荷，故采取彎曲試驗測試彎曲模量，等效替代成縱向模量（經(jīng)驗），橫向及法向模量采取標(biāo)準(zhǔn)試樣測試中的數(shù)值作為仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.1 試驗材料及設(shè)備

材料：玻璃纖維環(huán)氧樹脂拉擠平板。

設(shè)備：落錘沖擊試驗機、力學(xué)試驗機，具體如表1所示。

3.2 試件制備

以玻璃纖維和環(huán)氧樹脂作為原材料，利用拉擠工藝制備復(fù)合材料板狀型材。

樹脂基復(fù)合材料的失效破壞主要由纖維斷裂引起。樹脂開裂、分層會降低相應(yīng)方向的剛度，導(dǎo)致承載能力降低，增大纖維方向應(yīng)力直至斷裂。拉擠復(fù)材試樣在切割過程中可能存在絲束損傷，影響整體樣件均勻性。根據(jù)GB/T 1446-2005標(biāo)準(zhǔn)進行彎曲和沖擊試件制備，取樣區(qū)距板材邊緣30 mm以上，避開氣泡、分層、樹脂堆積、褶皺、翹曲等缺陷，采用硬質(zhì)合金齒輪鋸切割并去除切割毛邊。

單點沖擊試驗：均勻切割成100 mm×150 mm×6 mm矩形試樣、共8個。

三點彎曲試驗：均勻切割成90 mm×12.5 mm×6 mm長條型試樣，共6個。

3.3 試驗方法

彎曲試驗基于GB/T 3356-2014標(biāo)準(zhǔn)方法，對聚合物基纖維增強復(fù)合材料層合板直條試樣，采用三點彎曲施加載荷，測試玻纖拉擠試樣彎曲性能。

試驗采取標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件：溫度23±2 ℃；相對濕度50±10 %，試驗前試樣在上述環(huán)境條件下放置超過24小時。按加載速度1.5 mm/min對試樣連續(xù)加載，直至達到最大載荷，當(dāng)載荷從最大載荷下降超過30 %時停止試驗，連續(xù)測量并記錄試樣的載荷-撓度曲線，記錄試樣的失效模式和最大載荷。玻纖/環(huán)氧拉擠試樣的彎曲彈性模量Efc的計算方法如公式1所示。

Efc=△σ△ε

（1）

式中，Efc為彎曲彈性模量（MPa）；△σ為兩個所選應(yīng)變點之間彎曲應(yīng)力之差（MPa）；△ε為兩個所選應(yīng)變點之間應(yīng)變之差（mm/mm）。

沖擊試驗基于GB/T 21239-2022標(biāo)準(zhǔn)方法，對纖維增強塑料層合板進行沖擊測試。

試驗采用標(biāo)準(zhǔn)實驗室條件：溫度23±2 ℃；相對濕度50 %±10 %，用千分尺測量試樣中心點（沖擊點）周圍四點厚度平均值，將試件放置于沖擊試驗支撐夾具上，四角壓頭處墊上硬橡膠并緊固，使沖擊頭對準(zhǔn)試件中心。沖擊高度計算方法如公式2所示，按照計算的沖擊高度對試樣進行沖擊試驗。

H=Em·g

（2）

式中，H為沖擊高度（m）；E為沖擊能量（J）；m為落錘質(zhì)量（kg）；g為重力加速度（9.81 m/s2）。測量并記錄試件的沖擊表面和背面損傷狀況，包括沖擊坑尺寸和背面的裂紋形狀、尺寸。

3.4 試驗結(jié)果

3.4.1 彎曲試驗結(jié)果

彎曲試驗共進行6組，圖4為彎曲試驗中的載荷-位移曲線。在彎曲加載下試驗最初呈現(xiàn)線彈性行為，然后在一定點發(fā)生非線性變形，最終達到破壞點。在試驗中觀察到的這種行為與先前的研究結(jié)果一致，表明材料在受力下的特征符合試驗標(biāo)準(zhǔn)。

試驗結(jié)束后對試樣進行細致的檢查，觀察到斷口形貌顯示出明顯的纖維拉伸和復(fù)合材料的層間剝離現(xiàn)象。試驗結(jié)果數(shù)據(jù)如表2所示，從表中可知，試件3的彎曲彈性模量過低，與其他試樣存在較大偏差，原因為試驗過程中，試件彎曲中心一側(cè)層間出現(xiàn)貫通性開裂分層，致使承載能力下降，故此試件未能充分發(fā)揮纖維性能，忽略不計。

3.4.2 沖擊試驗結(jié)果

沖擊試驗共進行6組，玻纖拉擠型材試件在落錘沖擊試驗中的能量-速度曲線如圖5所示。從曲線特征可以看出，整體試驗均處于低速區(qū)域，試件的能量吸收能力相對較低，與初始沖擊速度成正比，但在8 J以后試樣均出現(xiàn)塑性變形。

試樣試驗結(jié)果表明，試件在沖擊載荷作用下表現(xiàn)出復(fù)雜的響應(yīng)過程。首先，觀察到試件在沖擊過程中的瞬時變形，隨后經(jīng)歷了彈性恢復(fù)和塑性變形階段。這種復(fù)雜的變形行為是由復(fù)合材料中纖維與樹脂不同組分的相互作用引起的，具體樣件形式如圖5所示。沖擊試驗數(shù)據(jù)如表3所示，試件表現(xiàn)出受沖擊后的表面出現(xiàn)裂紋和凹陷，高能量沖擊下可看到裂紋擴展的路徑，通常沿著纖維間界面方向擴展，表明層間粘結(jié)強度在沖擊工況下起到關(guān)鍵作用。

4 玻纖拉擠板瞬態(tài)沖擊仿真

4.1 有限元模型

復(fù)合材料有限元仿真是一種通過數(shù)值模擬方法，特別是有限元分析，來研究復(fù)合材料行為和性能的工程分析技術(shù)。這種仿真方法允許工程師和研究人員在計算機上模擬復(fù)合材料在不同加載條件下的響應(yīng)，從而更好地了解其力學(xué)行為、應(yīng)力分布、變形特性等。

本文采用有限元方法對玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在瞬態(tài)沖擊狀態(tài)下的變形響應(yīng)進行模擬分析。模型依據(jù)真實試件尺寸而建，采用高階六面體20節(jié)點單元，厚度方向為便于鋪層設(shè)置為單層單元，共劃分600個單元。材料方向以局部單元坐標(biāo)系設(shè)定，沿單向板150mm長度方向為纖維縱向，100 mm寬度方向為纖維橫向，板厚6 mm為堆疊方向。采用正交各向異性材料模型：E1=35357 MPa、E2=E3=8500 MPa、G12=G13=G23=4500 MPa、μ12=μ23=μ13=0.3、ρ=1.6 g/cm3。

依據(jù)試驗設(shè)備的狀態(tài)設(shè)定仿真模型邊界條件。模型中間125 mm×75 mm矩形位置為自由狀態(tài)，其余部分與試驗臺接觸面設(shè)置為Z向約束（厚度方向），四角橡皮頭壓緊位置為固定約束，模型中心位置頂面施加集中力。具體形式如圖6所示。

4.2 玻纖拉擠板瞬態(tài)沖擊仿真

通過試驗數(shù)據(jù)計算沖擊作用時間。在落錘沖擊中，最大力指的是在沖擊過程中物體所承受的最大沖擊力的時刻。在沖擊過程中，當(dāng)落錘或沖擊物體與被沖擊物體之間發(fā)生碰撞時，會產(chǎn)生沖擊力并作用于被沖擊物體上。最大力通常在沖擊物體與被沖擊物體之間發(fā)生碰撞的瞬間達到，此刻沖擊力最大，隨后會逐漸減小。當(dāng)錘頭接觸試樣的瞬間沖擊力最大并以初始速度撞擊，隨后速度逐漸減小至0并彈回錘頭，完成單次撞擊，此時達到最大力時的位移。

v2=v1+at

s=12×at2

（3）

式中，v1為0、v2為初始速度（m/s）；a為沖擊過程加速度（m/s2）；s為最大力時的位移（m）；t為沖擊時間（s）。根據(jù)沖擊試驗數(shù)據(jù)匯總，不同能量下的沖擊時間平均為0.0031 s，據(jù)此設(shè)定仿真時間步長0.0001 s，進行瞬態(tài)動力學(xué)仿真。

4.3 仿真結(jié)果

依據(jù)低速沖擊試驗數(shù)據(jù)進行等效結(jié)構(gòu)模型仿真。從圖7瞬態(tài)沖擊位移云圖可以看出，材料阻尼取0.0165時，2 J和4 J狀態(tài)下瞬態(tài)沖擊變形與試驗總位移相符，結(jié)構(gòu)響應(yīng)表現(xiàn)出單點沖擊的形變趨勢。但從8 J開始出現(xiàn)差別，仿真結(jié)果明顯小于試驗變形值，誤差從40 %升至75 J狀態(tài)下的79 %，材料阻尼的影響程度越來越小，此時無法正確反映出結(jié)構(gòu)在沖擊工況下的響應(yīng)，故需要修正參數(shù)以驗證實際狀態(tài)。

結(jié)構(gòu)模型在8 J、15 J、30 J和75 J的四種狀態(tài)如圖8所示，通過修正材料阻尼參數(shù)得到的仿真結(jié)果，使仿真變形與試驗結(jié)果一致。位移數(shù)據(jù)如圖9所示。通過試驗結(jié)果為導(dǎo)向，通過仿真程序得到的材料阻尼系數(shù)分別為0.0092、0.0055、0.0032和0.0018。從圖10可以看出，材料阻尼隨沖擊能量的提高依次遞減，表現(xiàn)出與振動頻率的反比關(guān)系。隨著沖擊能量的提高，材料的振動頻率也增高，材料內(nèi)耗的機制相對較弱，導(dǎo)致振動的能量不容易被耗散，阻尼系數(shù)較低，這符合振動學(xué)和結(jié)構(gòu)動力學(xué)中的普遍現(xiàn)象。

5 結(jié)語

本文通過對玻璃纖維拉擠型材樣件的試驗和仿真分析，得到如下結(jié)論：

（1）在2 J和4 J能量沖擊過程中，試樣的瞬態(tài)動力學(xué)仿真材料阻尼可取到0.0165，變形響應(yīng)與試驗結(jié)果相吻合，但將其應(yīng)用至更高能量沖擊工況時偏差逐漸增大，最高可達79 %。

（2）從8 J能量沖擊開始，為使瞬態(tài)動力學(xué)仿真結(jié)果與試驗相匹配，材料阻尼參數(shù)呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，逐步從0.0092降低至0.0018，同時下降速率逐漸減小。

（3）受材料內(nèi)耗機制的影響，高能量沖擊產(chǎn)生的振動能量不容易被耗散，導(dǎo)致材料阻尼系數(shù)降低，符合振動學(xué)和結(jié)構(gòu)動力學(xué)中的普遍現(xiàn)象，此經(jīng)驗性的材料阻尼系數(shù)也為后續(xù)研究和工程實例提供參考。

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