嵌入式共固化网格阻尼结构复合材料的动力学性能研究

李　雪，梁　森，梁天锡

(1.青岛理工大学 机械学院，山东 青岛　266000； 2.中国工程物理研究院，四川 绵阳　621900)



嵌入式共固化网格阻尼结构复合材料的动力学性能研究

李雪1，梁森1，梁天锡2

(1.青岛理工大学 机械学院，山东 青岛266000； 2.中国工程物理研究院，四川 绵阳621900)

摘要：建立嵌入式共固化网格阻尼结构复合材料的有限元数值模拟模型，提出了用改进的应变能法分析该网格结构的阻尼特性；通过对比所得模拟数据与实验结果，表明该模拟方法的有效性，再用验证了的模型和方法分别研究了不同几何参数对整体结构模态损耗因子和频率的影响，相关结论对嵌入式共固化网格阻尼结构复合材料的动力学性能理论预估具有重要指导意义。

关键词：数值模拟；嵌入式共固化网格阻尼结构复合材料；模态损耗因子；模态频率

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.

嵌入式共固化网格阻尼结构复合材料 (Embedded Cocured Gridded Damping Structure Composites，ECGDSC)是在嵌入式共固化复合材料结构基础上对阻尼层进行改进的一种新型阻尼结构，保留了传统原有结构高阻尼性能优点同时能够提高材料的结构刚度，因而在航空、航天、快速空间运载器等高科技领域有着广泛的应用前景[1-5]。目前，国内外学者对嵌入式共固化复合材料阻尼结构(Embedded Cocured Composites Damping Structure，ECCDS)已做了大量探索性工作，并取得了丰硕成果[6-10]，文献[6-8]用模压法制成ECCDS试件并进行了阻尼性能和隔声性能研究，文献[9-10]用有限元模拟了ECCDS的低速冲击性能，文献[11]提出了穿孔阻尼结构，并用遗传算法对穿孔ECCDS的几何参数优化，文献[12-13]研究了ECCDS经湿热处理厚构件层间结合性能和摩擦磨损性能。本文在穿孔阻尼结构的基础上提出了ECGDSC，使用实验验证了模态应变能有限元数值模拟技术探讨阻尼层不同的网格分布和厚度对ECGDSC动力学性能的影响。研究结论为ECGDSC动力学性能理论预估具有指导意义。

1ECGDSC的设计

为了满足大阻尼高刚度的设计要求，本文提出了如图1所示网格阻尼复合材料结构，通过共固化成型工艺制作成ECGDSC试件[14]。选用的复合材料预浸料为T300/QY8911，0度铺层，单层厚是0.125 mm，上下蒙皮各8层，中间阻尼层厚度为0.3 mm。中间阻尼层是将粘弹性阻尼块按照设计的网格边长和网格间距铺设，在共固化成型中通过阻尼片的缝隙形成偶联结构，这种结构在一定程度上可以提高复合材料构件的刚度。图2是阻尼块的边长和间距设计尺寸，其中S、L分别是阻尼块的边长，t、h分别为阻尼块之间的间距。

图1　ECGDSC示意图

图2　网格尺寸图

2ECGDSC实验和数值模拟

2.1模态试验

实验试件为300 mm×200 mm的矩形板，长度方向夹紧42 mm，测试有效尺寸为258 mm×200 mm，粘弹性材料厚0.3 mm。本文模态实验仪器全部使用Brüel & Kjr公司的模态测试设备，其中：PULSE型号3560B，加速度传感器4524-B-004，力锤型号为8206-002，图3为试件的固定及信息采集系统。采用一边固支、单点激励多点响应的力锤法研究ECGDSC的动力学性能，即力锤敲击点固定，移动传感器，通过采集不同位置的信息，经B&K的数据处理系统获得试件的一阶模态阻尼和模态频率。测试前将试件均匀划分成9×7等分，试件及测试点位置如图4所示。根据网格边长和间距对测试试件进行编号，具体见表1。

图3　信息采集及试件固定

图4　模态测试试件

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

2.2有限元数值模拟

采用有限元分析和模态应变能相结合的方法对ECGDSC的损耗因子和模态频率进行研究，有限元模型与实验测试试件保持一致，表2、表3和表4是各材料具体力学参数[15-19]，图5为局部网格划分结构，图6为加约束后的ECGDSC板。

表2　T300/QY8911的材料参数

表3　粘弹性材料参数

表4　树脂材料参数

图5　ECGDSC的有限元网格划分

图6　加约束后的ECGDCS板

2.3实验结果与模拟结果

试件的实验结果与模拟结果见表5，图7为所测试件一阶模拟和测试的模态参数及阵型图。

表5　一阶模态实验数据与模拟结果比较

图7　一阶模态振型的模拟和测试结果

由表5、图7知：在相同的模态振型下，一阶模态损耗因子平均误差为2.1%，模态频率误差为2.38%，误差相对较小，证明了分析方法及模型的有效性，为此本文将用验证了的模型和方法进一步研究阻尼层相对厚度以及阻尼块的边长、边长比、间距和间距比对ECGDSC动力学性能影响。

3ECGDCS动力学性能数值模拟

3.1阻尼层相对厚度对ECGDCS动态性能影响

这里阻尼片的边长是S=L=20 mm，阻尼片间距是t=h=5 mm，ECGDSC试件总厚是2 mm，上下蒙皮厚度相同,中间阻尼层的厚度发生变化，相对厚度是阻尼层厚度与单侧蒙皮厚度的比值，用Sr表示，表6、图8和图9是Sr对ECGDSC动态性能的模拟结果。

由表6、图8和图9知：相对厚度小于1.636时，随着阻尼层厚度的增加，一阶模态阻尼损耗因子显著增大，但结构的固有频率降低；当相对厚度大于1.636时损耗因子几乎不变。究其原因：阻尼层厚度的增大导致粘弹性材料在整体构件中所占比重增加，而粘弹性材料的弹性模量远小于T300/QY8911的模量，因此随着相对厚度的增大结构刚度降低而阻尼提高。

3.2S、L对ECGDSC动态性能的影响

模拟试件的阻尼薄片厚是0.3 mm，间距t、h恒定为5 mm 时，表7、图10和图11是分析得出ECGDSC动力学性能随S、L的变化关系。

表6　Sr变化的模拟结果

图8　损耗因子与Sr的变化关系

图9　模态频率与Sr的变化关系

S×L/mm损耗因子固有频率/Hz10×100.0209932.15715×150.0217332.13820×200.0223532.11825×250.0228232.10330×300.0232132.085

图10　损耗因子与S、L的变化关系

图11　模态频率与S、L的变化关系

由表7、图10和图11知：随着S、L的增大，损耗因子增加了10.06%，而模态频率降低了0.22%。这是由于网格边长的增大，使结构阻尼层处理面积增大，从而提高阻尼结构的损耗因子，但整体结构的刚度降低幅度很小。

3.3t、h对ECGDSC动态性能的影响

模拟试件的阻尼薄片厚0.3 mm，边长S、L恒定为20 mm，现将间距t、h变化分时的模拟结果列在表8、图12和图13中。

表8　t、h变化的模拟结果

图12　损耗因子与t、 h的变化关系

图13　模态频率与t、h的变化关系

由表8、图12和图13知：随着h与t的增大，一阶模态损耗因子降低了16.06%，而一阶模态频率提高了0.41%。这是由于网格间距的增大，阻尼处理面积减小，使得试件模态损耗因子降低而频率提高。

3.4t/h对ECGDCS动态性能的影响

网格阻尼变间距是指保持一个方向的阻尼间距h不变，而变化另一个方向的阻尼间距t，并将两个间距相除得到间距比t/h，间距h恒定为5 mm，t变化，阻尼薄片厚0.3 mm，阻尼薄片边长S=L=20 mm，模拟结果分别见表9、图14和图15。

由表9、图14和图15知：随着间距比的增加损耗因子降低7.68%，固有频率增加0.15%，这是由于阻尼块间距比的增加，阻尼处理面积比降低，从而导致阻尼损耗因子降低，固有频率增加。

表9　t/h变化模拟结果

图14　损耗因子与t/h的变化关系

图15　模态频率与t/h的变化关系

3.5S/L对ECGDCS动态性能的影响

网格阻尼片变边长是指保持一个方向的阻尼片边长L不变，而变化另一个方向的阻尼边长S，将两个长度相除即得到边长比S/L，将边长L恒为20 mm，边长S改变，阻尼间距是t=h=5 mm，阻尼薄片厚0.3 mm，分析结果见表8、图12和图13。

表10　边长比变化分析结果

图17　模态频率与S/L的变化关系

由表8、图12和图13知：随着边长比的增加损耗因子增加4.09%，模态频率降低0.08%，这是由于阻尼块边长比的增加，使阻尼处理面积比增大，导致阻尼损耗因子增大，固有频率降低。

4结论

本文提出了嵌入式共固化网格阻尼结构复合材料，建立了ECGDSC的有限元数值分析模型，研究用改进的模态应变能预估该结构的动力学性能，通过用验证了的模型和方法对该结构做进一步深入研究，得出如下结论：

1) 在一阶模态振型下实验结果和模拟结果误差在2.1%左右，验证了本文分析方法和有限元模型的有效性。

2) 当粘弹性阻尼相对层厚度小于1.636时，能明显提高ECGDSC的损耗因子，但构件的刚度会降低。

3) 在粘弹性阻尼层厚度相同的前提下，无论是变化阻尼块边长、间距还是变化阻尼块边长比、间距比，均可归结为：随着阻尼块面积率的增大，ECGDSC的损耗因子增加、频率降低，但其降低程度相对较小。相关结论对ECGDSC动力学性能设计与应用具有一定指导意义。

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(责任编辑杨继森)

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

文章编号：1006-0707(2016)03-0132-06

中图分类号：TB535

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.032

作者简介：李雪 (1991—)，女，硕士，主要从事复合材料力学研究。

收稿日期：2015-09-23；修回日期：2015-11-10

本文引用格式：李雪，梁森，梁天锡.嵌入式共固化网格阻尼结构复合材料的动力学性能研究[J].兵器装备工程学报，2016(3):132-137.

【化学工程与材料科学】