玻璃纤维、碳纤维复合材料的阻尼性能分析

1、来稿日期:2011-03-25 修回日期:2011-12-12应 用 力 学 学 报CHINESE JOURNAL OF APPLIED MECHANICS第29卷 第1期2011年2月V ol.29 No.1Feb. 2012文章编号:1000- 4939(2012 01-0065-05玻璃纤维、碳纤维复合材料的阻尼性能分析武海鹏 侯涤洋 孙立娜(哈尔滨玻璃钢研究院 哈尔滨 150036摘要:对复合材料的阻尼性能进行分析和有效预报能够实现对结构振动冲击、噪声、疲劳破坏的有效控制,有着非常重要的工程实际意义。本文采用悬臂梁法对玻璃纤维和碳纤维复合材料进行阻尼测试;同时用Adams-Bacon

2、法和Ni-Adams 法对实验结果进行了分析。结果发现:玻璃纤维、碳纤维复合材料的损耗因子峰值均出现在纤维角度30°附近;载荷低频段时材料的阻尼性能优于高频段时的阻尼性能。关键词:阻尼;悬臂梁;损耗因子;纤维角度;纤维增强复合材料 中图分类号:TB334 文献标识码: A1 引 言本文采用悬臂梁法分别对玻璃纤维、碳纤维复合材料进行了阻尼测试,研究了纤维角度、频率对阻尼损耗因子的影响;同时利用Admas-Bacon 和Ni-Admas 方法对于实验结果进行数值拟合从而得到一种能够有效预测复合材料阻尼损耗因子的方法。2 实验分析采用悬臂梁法测试阻尼的实验装置最初是由Adams 和Baco

3、n 13发展的。测试阻尼的悬臂梁振动应 用 力 学 学 报66 第29卷频率一般为50800 Hz 。在悬臂梁中点放加速度传感器,通过电荷放大器将测力计所测数据传递给数据分析仪。这套装置与Gibson 14测试玻璃纤维/ DX310树脂试件的装置相同,所测实验结果发现阻尼的峰值出现在缠绕角度30o 附近。树脂基复合材料阻尼性能的测试目前尚无统一的标准,本文实验选用的试件尺寸参照了金属材料阻尼性能测试的标准 17-18。悬臂梁法实验装置如图1所示。 图1 实验装置测试系统的仪器由激励和检测两部分组成,对试样施加激振力。由检测传感器检测试样的振动响应信号,信号经放大后传送入显示与记录仪器。计算输出

4、信号得到频响函数曲线。根据半功率带宽法计算出粘性阻尼比,通过公式进行转化间接求出材料的损耗因子。试件为单向角度,尺寸分别为200mm ×10mm ×2mm 和180mm ×10mm ×2mm 以获取不同的频率峰值对于阻尼的影响。试件纤维方向与主轴方向取七种角度:0o ,15o ,30o ,45o ,60o ,75o ,90o 。本次实验中使用的试件材料分别为玻璃纤维、碳纤维(T700、环氧树脂,纤维体积含量60%。3 预测阻尼的模型预测正交各向复合材料梁的阻尼性能是由Adams 、Bacon 15和Ni 、Adams 16最早开始研究的,主要考虑不同的缠

5、绕角度和固有频率对材料阻尼的影响。Adams-Maheri 19同样使用了Adams-Bacon 法对玻璃纤维和碳纤维层合板阻尼性能随着缠绕角度变化的特点进行了研究。Yim 和Jang 20更多地使用Adams-Bacon 法研究了各种类型的层合板面内剪切时的阻尼情况。 3.1 Adams-Bacon 法对于正交各向异性材料的应力应变关系为00S S S S S (1 其中S 为柔度系数1112211,L L S S S E E =226611,TLTS S E G =(2其中:L E 和T E 分别为沿纤维0o 和90o 方向的模量;LT G 为纤维的剪切模量。单元应变能存储可表达为6622

6、11U U U U += (3单元应变能耗散表达为(662211U U U U += (4材料的损耗因子表达为=VVUU ( (5 Adams-Bacon 法规定沿悬臂梁自由端方向为x 方向,yy 和xy 为0,只有xx 存在。则材料主轴方向的应力表达式为21cos xx = (622sin xx = (7 cos sin 6xx =(8式中为纤维缠绕角度。单元的能量损耗可写为2(cos sin sin cos sin xx U S S S S S =+ (9单元的应变能为xx xx U 21= (10与坐标轴成o 方向的能量损耗率即损耗因子可表达为武海鹏,等:玻璃纤维、碳纤维复合材料的阻尼性

7、能分析 第1期67TLT LTL E E E v G E =+(113.2 Ni-Adams 分析悬臂梁长度为a ,宽度为b 。自由端x 方向上加载M x 的弯矩,且M y =M xy =0。根据经典层合理论,弯曲率为111111216,x x y x xy x k D M k D M k D M = (12其中:1ij D 为悬臂梁弯曲刚度矩阵ij D 的逆阵分量;x k 为沿x 轴向的弯曲曲率;y k 为波松耦合曲率;xy k 为扭转弯曲耦合曲率。对于悬臂梁结构,同样只考虑存在x ,可得 ('1'1'1(13 其中z为试件的厚度。应力分量表达式为'1'

8、;1'1'1'1'12'1'1'1单元的耗散能量U 表达为112266U U U U =+ (17单元总应变能U 表达为 /20/21(d d 2ab x x y y xy xy x y b U M k M k M k x y =+(18y M 和xy M 可忽略,则U 可写为12110d 2a x xb U D M x =(19则x 轴向上的损耗因子表达为x y xy a a a =+=+ (20其中 '1'1'1121211161(cos sin cos cos a Q Q Q Q Q Q Q Q Q =+ (

9、21'1'1'1121211161(sin sin cos sin a Q Q Q Q Q Q Q Q Q =+(22'1'1'111112211161(2sin cos (cos sin sin cos a Q Q Q Q Q Q Q Q Q =+(234 阻尼与频率的关系静力实验中测得玻璃纤维单向板工程常数为: E L =46GPa ,E T =10GPa ,G LT =4.6GPa ,=0.3 Q 11=50.5GPa ,Q 12=2.57GPa ,Q 16=0Q 22=11GPa ,Q 26=0,Q 66=4.6GPa碳纤维单向板工程常数

10、为:E L =144GPa ,E T =12GPa ,G LT =4GPa ,=0.3 Q 11=158.2GPa ,Q 12=2.32GPa ,Q 16=0Q 22=13.2GPa ,Q 26=0,Q 66=4GPa图2图4分别为玻璃纤维复合材料不同纤维角度时损耗因子随频率变化的实验曲线关系图。图2 玻璃纤维复合材料(纤维角度0o /15o /30o 频率与损耗因子的实验结果图3 玻璃纤维复合材料(纤维角度45o /60o /75o /90o 频率与损耗因子的实验结果应用 力 学 学 报68 第29卷 图4 玻璃纤维复合材料频率与纤维角度与损耗因子的关系从图2图4可以看出玻璃纤维复合材料的损

11、耗因子受频率影响很大,低频段时复合材料的阻尼性能要优于高频段时的阻尼性能。损耗因子的峰值是出现在f =50Hz 、=30o 附近。从图4可以得出,f 为50Hz 时的损耗因子比f 为100Hz 和f 为300Hz 时大0.2%0.4%。5 Adams-Bacon 模型和Ni-Adams 模型如图5图6所示分别为玻璃纤维、碳纤维复合材料单向试件实验结果与Adams-Bacon 模型、Ni-Adams模型的对比。从图中可以看出纤维角度对复合材料阻尼性能的影响非常明显。玻璃纤维复合材料数值结果峰值=2.09%出现在=30°时, 图5 玻璃纤维复合材料纤维角度与损耗因子的实验与数值结果对比

12、图6 碳纤维纤维角度与损耗因子的实验与数值结果对比实验值峰值=2.236%出现在=30°时,峰值与最低值相差0.8%;碳纤维复合材料数值结果峰值=1.78%出现在=30°时,实验值峰值=1.77%出现在=30°时,峰值与最低值相差0.55%。6 结 论通过对玻璃纤维、碳纤维复合材料单向板损耗因子的实验结果与预测数据的对比,可以得到以下结论。1 复合材料的损耗因子受到纤维角度、纤维/树脂体积含量、频率等因素影响。玻璃纤维、碳纤维复合材料的损耗因子峰值出现在=30°附近,且峰值与最低值相差0.55%0.8%。且对同一种复合材料,低频段时材料的阻尼性能要优于高

13、频段时的阻尼性能。2 在纤维体积含量相同(60%的情况下,玻璃纤维复合材料的损耗因子值比碳纤维复合材料的损耗因子值大0.4%左右。3 从图5图6可以看出,本文所选用的Adams- Bacon 法和Ni-Adams 法两种理论预测方法比较准确地拟合了复合材料损耗因子随纤维角度变化的曲线,给出了峰值损耗因子的大小及其对应的纤维角度(30°附近。 参 考 文 献1Schultz A B ,Tsai S W .Dynamic moduli and damping ratio in fibier-reinforced compositesJ.J Composite Materials ,196

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