碳纖維復合材料懸臂梁的振動分析

刊名：Composite Structures（英）

刊期：2014年第116期

作者：Roberto Capozucca et al

編譯：陳丁躍

由于碳纖維復合材料具有密度低、強度高等特性，使得其成為汽車制造中最理想的非金屬材料。但由于該種材料價格偏高，因而僅在高檔車型或小批量車型上使用。隨著技術進步，碳纖維復合材料成本的不斷降低，因此將在更多車型中應用該種材料。以懸臂梁為例，對碳纖維復合材料進行不同損傷情況下的動態(tài)響應分析，基于試驗結果，建立了分析是否帶有損傷的碳纖維復合材料懸臂梁振動的理論模型。

復合材料受損情況主要包括材料中纖維受損、基體受損、纖維與基體接觸面受損這3種情況。由于材料受損將會改變材料的剛度、質量和阻尼，因此影響材料的固有頻率、振型和阻尼比等動態(tài)響應，這樣可以基于振動的固有頻率對材料進行損傷分析。選擇環(huán)氧樹脂作為基體材料，制造了4個懸臂梁樣品。4個懸臂梁的幾何特征均根據(jù)ASTM D 3039標準制定，截面為矩形，尺寸為250mm×20mm×1.4mm。設定懸臂梁損傷情況，一個保持未損傷狀態(tài)，另外3個分別在靠近固定端3mm處進行雙向切口，切口寬度分別為5mm、8mm、11mm。對懸臂梁進行沖擊測試，將4個加速度計沿懸臂梁布置，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并對數(shù)據(jù)處理得到懸臂梁固有振動頻率。結果顯示，試驗得到的振動頻率約比理論值低27%，這種差異可能是由加速度計質量造成的，但該差異不會對分析結果產生影響；隨著損傷程度的增加，固有頻率下降且對于雙向切口損傷，切口長度變化對固有頻率的影響小于寬度變化產生的影響。因而，可以利用振動分析方法評估碳纖維復合材料的損傷情況。