周期微桁架结构复合材料阻尼特性的研究

1、周期微桁架结构复合材料阻尼特性的研究摘 要：本文应用ANSYS 软件分别建立了四面体型点阵夹芯结构钢桁架模型、周期微桁架结构复合材料模型以及施加质点的复合材料模型，并分别对三个模型进行了谐响应仿真分析。针对三个模型，分别绘制出各个关注节点的幅频曲线，并通过比较不同模型相同节点的振动响应，研究不同模型的吸能减震效果。研究表明，添加橡胶材料的复合材料模型的吸能减震效果明显好于钢架点阵夹芯结构的效果，而施加质点后的模型具有更好的吸能减震效果。关键词：复合材料 ；微桁架结构；ANSYS；谐响应分析；阻尼特性中图分类号：TB3331引言现代汽车的振动和噪声特性是衡量汽车质量的重要指标之一，振动和噪声不仅

2、降低了汽车驾乘人员的舒适性，而且会给周围环境造成噪声污染，因此汽车振动与噪声控制已成为当今汽车整车制造企业和零部件企业关注的热点问题之一。在减振降噪的方法中，主要是从结构和阻尼材料上加以应用和控制。由于复合材料具有高硬度、高比强度、高比刚性、阻尼减震性好、加工成型方便等突出优点，自20世纪40年代兴起以来，一直成为世界关注、研究的热点，得到迅速发展。已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。复合材料种类繁多，目前研究和应用比较成熟的几种复合材料有树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、纤维增强水泥等。其中金属基复合材

3、料，基体金属主要使用Mg、Al、Ti等轻金属及其合金。近年来以钢铁作为基体的复合材料在国外也正在开展研制。本文即以钢铁基复合材料作为研究对象。因为材料的性能并不是一成不变的依赖于材料的化学成分，在很大的程度上还取决于材料的微观组织结构。因此，对复合材料微观组织结构的研究同样得到了国内外学者的重视。点阵夹芯结构是近年来提出的一种力学性能优异的新型结构。考虑到这种新型桁架结构,可产生较好的阻尼作用,以达到控制结构振动的目的，因此本文将对四面体型周期微桁架结构的钢铁基复合材料的阻尼减震性能进行研究。2四面体型周期微桁架结构复合材料及其阻尼2.1 点阵材料点阵夹芯结构是在2000 年左右由西方材料学界

4、哈佛大学的Evans 教授、剑桥大学的Ashby 教授和MIT 的Gibson 教授等人提出的一种新型结构，也称为“类桁架结构”1。这种结构形式类似于现有的空间网架，只是在尺寸上要小的多。该结构具有超轻、比刚度高、比强度大、可控的优化设计能力以及隔热、降噪、吸能、制动等多功能性，受到了材料学界的重视，吸引了越来越多的学者关注这类材料的研究，而且研究伊始，点阵夹芯结构就被普遍地作为一种高端材料来研究。因此，点阵夹芯结构成为当前国际上认为最有前景的新一代先进、轻质、超强韧材料 2。点阵材料是一种模拟分子点阵构型制造出的一种有序超轻多孔材料。点阵材料是由结点和结点间连接杆件单元组成的周期结构材料。它

5、的特点是其细观构型均为二维或三维网架体中国科技论文在线-2-系，网架中的空隙没有用来承载的填充物。目前，研究者提出了点阵材料的多种拓扑结构，主要包括四面体型(tetrahedral)、金字塔型(pyramidal)、3D-Kagome、八面体型(octet-truss)和lattice block 构架等多种(如图1)。其制备方案为基于金属纤维编织工艺基础之上的网系叠层点焊方案、熔模铸造方案和基于微接触印刷技术基础之上的扎制-电镀焊接方案，所采用的材料均为铝、钢等。图1 几种点阵夹芯结构Fig.1 Several sandwich structures2.2 复合材料复合材料是指由两种或两种以

6、上的不同材料组合而成的机械工程材料。各种组成材料在性能上能互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料，从而满足各种不同的要求3。复合材料根据其组成可分为金属与金属复合材料、金属与非金属复合材料和非金属与非金属复合材料三种。金属主要包括铝、镁、铜，钢和它们的合金，非金属主要包括合成树脂、碳、石墨、橡胶、陶瓷等。根据结构特点又可分为纤维复合材料、层叠复合材料、细粒复合材料和骨架复合材料。其中，骨架复合材料是指在连续多孔的结构材料中填充其他材料，或由面板和芯子组成的夹层结构材料等。2.3 四面体型周期微桁架结构复合材料本文的研究对象四面体型周期微桁架结构复合材料，是以钢为基体的骨

7、架复合材料，以图2 中所示的四面体型点阵夹芯结构为骨架，在其网架空隙中填充阻尼材料而形成的复合材料。图2 四面体型点阵结构Fig.2 Tetrahedron sandwich structure-3-2.4 阻尼概述一自由振动的固体，即使与外界完全隔离(如处于真空环境)，它的机械能也会转化成热能，从而使振动逐渐停止; 如果是强迫振动，则外界必须不断供给固体能量，才能维持振动。这种由于固体内部原因而使机械能消耗的现象称为阻尼。阻尼是结构的重要的动力特性之一，是反映结构体系振动过程中能量耗散特征的参数。有足够的阻尼存在，意味着结构在振动中能够吸收较多的能量，可以有效地减小振幅和应力。阻尼的基本原理

8、是损耗能量，各种阻尼技术都是围绕如何把受激振动能转化为其它形式的能（如热能、变形能等）而使系统尽快恢复到受激前的状态。研究阻尼的方法主要有3种，即采用系统阻尼、结构阻尼和材料阻尼。系统阻尼是在系统中设置专用阻尼减振器，如减振弹簧、冲击阻尼器等。结构阻尼是在系统的某一振动结构上附加材料或形成附加结构，增加系统自身的阻尼能力，这类方法包括接合面阻尼、库仑摩擦阻尼和复合结构阻尼等。而材料阻尼是依靠材料本身所具有的高阻尼特性达到减振降噪的目的。研究材料的阻尼行为，开发具有较高阻尼性能的结构材料对于解决由振动造成的问题具有十分重要的意义，也是材料科学工作者所面临的重要课题。2.5 损耗系数复合材料在振动

9、载荷作用下，必然伴随着内部能量的耗散过程，阻尼即标志这种能量耗散的大小。这也是材料粘弹性的表现，其典型的应力应变关系可以表示为 =（E+iE) ，则E =E +E (1.1)tg EE = =(1.2)其中：E储能模量;E耗能模量;E复弹性模量; 损耗系数;tg 损耗角正切4。3ANSYS 仿真分析3.1 有限元模型的建立四面体型点阵夹芯结构是一种多孔有序夹芯结构。通过平移胞元，能不相重叠且没有空隙地填满整个空间，满足Platena 多孔结构平衡定律，所以此结构具有周期性。本文在长、宽、高三个方向分别选取包含20 个四面体桁架单胞的三维四面体型周期微桁架结构来进行建模分析。由于是由大量的周期性

10、单胞组成，可以先建立几个单胞的实体模型，如图3 所示。然后通过复制生成其它单胞，最后将重合的节点合并，得到整个结构的实体模型。其中，每个四面体桁架单胞的尺寸采用毫米量级，每根杆件长为4 毫米，截面积为1 平方毫米。-4-在初步建立了实体模型之后，应进一步考虑模型的离散化处理，这时，应首先考虑采用哪种单元进行计算。选定了单元类型后，需要在具体计算中把模型分割成离散后的单元组合体，称之为划分网格。本文选用LINK 8 单元对四面体型点阵夹芯结构进行网格划分，生成如图4 所示的有限元模型，共包括50300 个桁架单元。其中，桁架材料采用不锈钢，密度7800 kg/m3，弹性模量2.07e11Pa，泊

11、松比0.3。图3 四面体桁架结构Fig.3 Tetrahedron truss structure(a) 正视图 (b) 左视图(a) Front view (b) Left view图4 钢桁架有限元模型Fig. 4 Finite element model of steel truss在四面体桁架结构的网格空隙中，填充阻尼材料，形成复合材料模型。填充的阻尼材料定为橡胶，选用SOLID187 单元，密度7800 kg/m3，弹性模量7.8e6Pa，泊松比0.47，恒定阻尼比2.5，进行网格划分，生成包括50300 个桁架单元和24658 个四面体单元的有限元模型如图5 所示。-5-图5 周期

12、微桁架结构复合材料有限元模型Fig.5 Finite element model of composite material with periodic micro-truss structure在上述模型的基础上，施加一定数量的质点，质点既是将实体简化后得到的只有质量而不计大小、形状的几何点。质点选用MASS21 单元，钢材料。密度7800 kg/m3，弹性模量2.07e11Pa，泊松比0.3。如图6 所示。图6 质点Fig.6 Particles划分网格生成的有限元模型如下图所示，在上一个模型的基础上，又增加了9041 个质点单元。图7 施加质点后的复合材料模型Fig.7 Model of

13、 composite material with particles3.2 谐响应分析ANSYS 分析中载荷可以直接在实体模型上加载，也可以在有限元模型上加载5。本文选择将载荷施加在节点上，选取模型最上层的中心节点，施加垂直于模型上表面的单位正弦载荷，如图8 所示。-6-图8 施加载荷Fig. 8 Apply load周期边界条件的加法有很多种，本文采用多周期单元法，此方法实质是采用很多周期单元来计算，当单元数多到一定程度时，在周期载荷作用下外边界对内部响应的影响很小。因此，只要建立20x20x20 周期单元的结构模型，在正弦点载荷作用下，不用加位移边界条件，直接进行相应计算就可以了。本文选择

14、在频率范围为0-150HZ，以300 个载荷步。进行谐响应分析，并采用稀疏矩阵直接法进行求解。4结果分析在本文的三个模型中，我们选取模型上层中央施加载荷的节点及以下各层与其对应的节点为研究对象，共计21 个节点，节点位置及编号如下图所示。为了在分析中更方便更清晰的表达节点，我们将节点重新编号，从上至下，即从8600 节点到758 节点，依次为1 号节点、2 号节点直到21 号节点。图9 节点编号Fig. 9 node number在POST26 的Node for Data 窗口中，输入节点编号，可以得到每个节点对应不同频率范围的幅频曲线。下面，我们分别对三个模型中的关注节点进行分析，绘制出他

15、们的幅频曲线。4.1 四面体型点阵夹芯结构与周期微桁架结构复合材料比较-7-图10 1 号节点幅值对比Fig. 10 Amplitude contrast of no.1 node图11 2 号节点幅值对比Fig. 11 Amplitude contrast of no.2 node图12 3 号节点幅值对比Fig. 12 Amplitude contrast of no.3 node限于篇幅的原因，仅列出前3 号节点的幅频曲线，由此可以得出在四面体型点阵夹芯结-8-构中填充阻尼材料形成的复合材料模型在吸能减震方面比四面体型点阵夹芯结构模型更具有优越性，验证了复合材料模型具有更好的阻尼特性。4

16、.2 周期微桁架结构复合材料与施加质点的复合材料比较图13 1 号节点幅值对比Fig. 13 Amplitude contrast of node 1图14 2 号节点幅值对比Fig. 14 Amplitude contrast of node 2图15 3 号节点幅值对比Fig. 15 Amplitude contrast of node 3同样，限于篇幅的原因，仅列出前3 号节点的幅频曲线，由此可以得出施加质点后的复-9-合材料模型在吸能减震方面比复合材料模型更具有优越性，质点的施加使复合材料模型具有了更好的阻尼特性。5结论本文主要是对三个模型进行谐响应动力仿真计算，分别对每个模型的阻尼减

17、震特性进行分析，并进行了综合比较，得出以下主要结论：1) 四面体型点阵夹芯结构具有吸能减震的优越性，可以有效的减小系统对振动的响应。2) 以四面体型点阵夹芯结构为骨架，在其网架空隙中填充阻尼材料形成复合材料模型，其吸能减震效果明显好于点阵夹芯结构的效果。3) 在复合材料模型的基础上，施加质点后的模型具有更好的吸能减震效果。参考文献1 A.G.Evans, J.W.Hutchinson, N.A.Fleck, M.F.Ashby, H.N.G.Wadley, The topological design ofmultifunctional cellular metalsJ. Progress i

18、n Materials Science 2001,46:309-327.2 张卫红，吴琼，高彤，周期性金属桁架夹芯板的力学性能研究进展N，昆明理工大学学报，Vol.30,No.6,2005:24-28.3 沃丁柱复合材料大全M.北京：化学工业出版社，2001.4 李昕蒋瑞兴，陈洪荪，等弹性与非弹性的测量与应用M北京冶金工业出版社，1999; 225-230.5 博弈创作室，APDL 参数化有限元分析技术及其应用实例，中国水利水电出版社，2004，5-79.Research on Damping Characteristic of Composite Materialwith Periodic

19、Micro-truss StructureMa Liyan, Mei YulinSchool of Automotive Engineering,Dalian University of Technology, Dalian, PRC (116024)AbstractThe finite element model of sandwich structure with tetrahedron truss core , the finite element model ofcomposite material with periodic micro-truss structure and the model