典型船用复合材料阻尼性能试验研究_巩华帅.pdf
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1、典型船用复合材料阻尼性能试验研究:.典型船用复合材料阻尼性能试验研究巩华帅,梅志远,陈国涛,孙昭宜(海军工程大学 舰船与海洋学院,武汉)摘要:为了研究树脂类型、纤维铺层角度、纤维种类及其混杂方式对复合材料阻尼性能的影响规律,本文针对环氧树脂、乙烯基酯树脂 两种船用复合材料基体,碳纤维、玻璃纤维 两种增强纤维,通过真空成型制备不同纤维与树脂组合的复合材料试件,并开展动态机械热分析仪(,)试验。结果表明:纯树脂的阻尼性能优于 的阻尼性能,频率内,两者的损耗因子().,().,但是在频域和温域下,树脂基复合材料的阻尼性能更为稳定;碳纤维复合材料()的阻尼性能不如玻璃纤维复合材料()的阻尼性能,频率内
2、,().,().;纤维铺层角度对复合材料阻尼性能的影响较为明显,但是不会改变频域和温域内损耗因子的变化趋势,和铺层角度的复合材料具有较好的阻尼性能,两种铺层角度损耗因子约为 铺层损耗因子的 倍;当采用玻纤在外的碳玻混杂方式时,复合材料的阻尼性能较好,并且随着玻纤层数的增加,其阻尼性能逐渐提高。关键词:复合材料;阻尼性能;损耗因子;碳玻混杂中图分类号:文献标识码:文章编号:(),(,):,().().,;,().,().;,;,:;收稿日期:基金项目:国防科技基础加强计划技术领域基金资助项目()作者简介:巩华帅(),男,硕士研究生,主要从事船用复合材料结构方面的研究。通讯作者:梅志远(),男,博
3、士,教授,主要从事船用复合材料结构方面的研究,.。随着科学技术的发展与社会生产的需求,纤维增强树脂基复合材料()被广泛应用于船舶、航空航天、土木工程等领域。相比于传统金属制造材料,具有强度高、比刚度大、质量轻、可设计性强等优点,除此之外,还具有较好的阻尼性能,树脂基体的黏弹性以及纤维与树脂界面的存在使其阻 年 月复合材料科学与工程尼性能得到大幅提高。一般来说,的损耗因子要高于传统金属制造材料损耗因子 个数量级,在常温下,钢的损耗因子在.左右,而碳纤维增强复合材料()的损耗因子可以达到.。近年来,减振降噪成为船舶等领域的研究热点,其中阻尼减振技术成为最有效的方法之一,高阻尼的材料能够有效地改善工
4、业设备、构件的振动特性,将振动的能量转化为其他形式的能量耗散,从而有效降低振动噪声水平,所以高阻尼材料具有十分重要的研究意义。一般高阻尼材料的黏弹性比较显著、内耗大,具有较高的阻尼损耗因子,但是其力学性能较差,不能直接作为结构材料来满足正常的使用功能。具有较高的比刚度和强度,能够在很多领域代替钢、铁等金属成为承载结构,同时这类材料具有较高的阻尼,在结构受到强迫振动时能够减弱振动能量,达到减振降噪的效果。此外,具有较强的可设计性,通过选用不同的树脂基体和增强纤维组合,设计不同的铺层角度和混杂方式,可以达到良好的阻尼减振效果,所以研究上述因素对 阻尼特性的影响规律具有十分重要的意义。国内外学者对
5、阻尼性能的研究工作时有报道,等提出了复合材料层合板的阻尼理论模型,对不同铺层角度 的模态损耗因子进行了预测。等讨论了 能量耗散的主要来源,他指出基体对阻尼起主要贡献作用,纤维在复合材料中起刚度增强的作用。上述学者从理论上分析了复合材料阻尼产生的机理,但是缺乏相关的试验验证过程。李剑芝等通过动态力学分析仪()研究了 的阻尼损耗因子随温度和频率的变化规律,但是频率范围只涉及 以下,与实际工程中 所受到动态力的频率范围相差甚远,一般来说,船舶构件所受低频湍流激励的频率范围在 以内。杨国威等讨论了树脂基体种类、铺层方式和纤维种类对 阻尼特性的影响,但是没有涉及单向铺层和混杂铺层的结构形式。本文将以目前
6、船用复合材料体系组合为研究对象,采用 实验仪对不同组合方案的 进行试验研究,得到频域和温域下 的损耗因子,并以损耗因子来表征 的阻尼性能,讨论树脂基体种类、纤维种类、铺层角度以及混杂方式对阻尼性能的影响规律。试验原理动态机械热分析仪(,)可以测量复合材料在受到不同频率周期力时的损耗因子变化情况,三点弯曲的测量模式可以得到高模量材料的损耗因子,所以本文在测量时采用此模式。试验原理如下:在承受动态应力后会产生动态应变,如果材料是纯弹性的,则应力与应变是同相位的;如果材料不是纯弹性,具有耗能能力,则应变会滞后于应力,存在滞后角,如图 所示。图 位移响应滞后角.受到动态力时的应力、应变可表达为:()(
7、)()()式中:为应力的幅值;为应变的幅值;为应力与应变的相位差,也称滞后角。定义复模量为应力与应变复数形式的比值:()()()()()()()()式中:复模量的实部 为储能模量(杨氏模量),表示刚度性质;虚部 为损耗模量,表示阻尼性质。定义损耗因子 ,试验中只需要测得应力与应变之间的相位角便可得到材料的损耗因子。年第 期典型船用复合材料阻尼性能试验研究 试验研究.试件制备本文采用真空成型的制备方法,共设计了单向、正交和碳玻混杂三种铺层方式,试件尺寸为 ,误差控制在.以内,制备过程见图,制备原料和试件铺层信息见表、表。图 制备及加工.表 试件制备原料 材料型号名称面密度()材质纤维 纤维单向布
8、 级碳纤维单向玻纤高强玻璃纤维树脂 乙烯基酯树脂 环氧树脂双酚 型环氧树脂表 试件铺层信息 材料组合铺层角度 树脂含量 .试验方法试验采用 动态机械热分析仪,试验原理和试验装置见图、图。因为材料的阻尼性能取决于聚合物链段运动,而链段运动又与温度和频率有关,因此本文结合复合材料船舶构件所受湍流激励的频率范围和 的物理性能设置 ()的频率扫描范围以及 ()的温度扫描范围,分别考察 在频域和温域下的阻尼性能。图 三点弯曲示意图.图 试验装置.试验结果分析.频域阻尼性能分析在研究 频域范围内各因素对阻尼性能的影响时,以 测试结果中的损耗因子来表示 的阻尼性能,分析的频率范围为 。.树脂基体对 阻尼性能
9、的影响对、树脂以及 玻纤与两种树脂复合形成的()进行试验结果分析,试验结果如图 所示。图 不同基体的损耗因子.年 月复合材料科学与工程 为比较、两种树脂在该频域内阻尼性能的大小与稳定性,分析上述两种树脂和加入纤维以后的 损耗因子从 到 的变化情况,如表 所示。表 不同树脂基体复合材料 损耗因子 材料种类损耗因子 变化量 由试验结果可知:在 范围内,两种树脂及其 的损耗因子都随频率的升高而降低,树脂的损耗因子变化量为.,树脂的损耗因子变化量为.,两者在频域范围内表现出相同的变化趋势。加入玻纤以后,在 范围内的阻尼性能虽然都有降低,但比纯树脂稳定,变化量在 以内。从 阻尼产生的机理分析,纯树脂的黏
10、弹性大于 的黏弹性,在受到动态力时会有较大的应力、应变,且应变滞后性更明显,从而产生较多的能量损耗,但 刚度大,在不同频率下变形都比较小,所以 范围内阻尼性能较为稳定。两种树脂相比,树脂的阻尼性能较好,在加入玻纤后仍然表现出这种规律。.纤维种类对 阻尼性能的影响对、纤维以及两种纤维与 树脂复合形成的()进行试验结果分析,数据处理结果如图 所示。图 不同纤维的损耗因子.由试验结果可知:在 范围内,组合的损耗因子在.左右,低于 组合的损耗因子(.)。这说明 的阻尼性能不如 的阻尼性能,分析其原因为,刚度比 的刚度大,在受到动态力时变形较小,滞后效应不明显。同时由曲线可以看出,玻纤和碳纤的加入都能使
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