＊彭運松 羅興宇 李想 張浩天 張晨旭 段少華

（1.中船第七二五所 河南 471000 2.南京航空航天大學材料科學與技術學院 江蘇 210000）

復合材料層壓板具有比強度高、比重量輕、比剛度大、抗疲勞性能好等優(yōu)點[1-3]，目前已經成為一類重要的工程結構件，廣泛應用于船舶、鐵路、航空、機械工程和機器人等領域。膠合板材料常用于制作薄壁輕質結構，如層壓板、夾芯板和增強板。薄壁結構在外部條件下容易受到高振動和幾何非線性的影響，從而引起結構的面外振動破壞?；谀壳暗难芯楷F(xiàn)狀，國內外研究人員在復合材料層壓結構動力特性方面取得了諸多成果。

Leena Sinha[4]采用FFT（Fast Fourier Transform）分析儀，針對有/無孔層合板，采用不同的長徑比、層數(shù)、增強纖維與樹脂的比例、纖維取向等因素，分別對有/無孔層合板的自振特性進行了分析和數(shù)值模擬。杜霖[5]研究表明，在平直鋪層中引入變角鋪層可以有效地提高疊層板面內失穩(wěn)荷載。鄭天祿[6]以單一纖維的阻尼特性為基礎，對三種混合纖維材料進行了流-固耦合數(shù)值模擬。李亮等[7]利用自動鋪展模制技術，對變剛度層合結構的振動特征進行了研究，發(fā)現(xiàn)：在共振峰值處，TF和起始點的加速度總方根（RMS）相比較，纖維夾角的變化對共振峰值的阻尼效果有明顯的影響。曾令旗等[8]制備了玻/碳纖維復合層合板，并采用ANSYS對其在層間和夾芯兩種混合模式下的振動特征進行了分析，結果表明：夾芯混合層的自振頻率大于層間，且自振頻率隨厚度增加而增大。

目前，復合材料的振動響應主要集中在傳統(tǒng)的線性層上，近年來，采用變剛度分層結構作為一種新型減振方法，為減振降噪提供了新的設計理念和性能優(yōu)化方法[9-10]。因此在傳統(tǒng)直線層合板中引入了纖維曲線鋪層，一方面改善了層合板的固有頻率，對阻尼減振起了重要的作用，另一方面在保證了自身的剛度的前提下降低了重量。

1.實驗材料及設備

(1)實驗材料

層合板類型分別為1塊8層純碳纖維直線鋪層層合板、4塊14層混雜纖維直線鋪層層合板、5塊8層純碳纖維曲線鋪層層合板、5塊8層纖維混雜曲線鋪層層合板，曲線纖維角度的變化梯度為15°，混雜比為14.3%、28.6%、42.9%、50%，混雜方式為夾芯混雜。

(2)實驗設備

實驗采用DH5922D振動數(shù)據(jù)采集設備，所用軟件為DHDAS動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，分析點數(shù)為1024，采樣頻率為512Hz，力錘敲擊平均次數(shù)設置為3次，力錘靈敏度設為2mV/N，力錘量程選擇為48N，加速度傳感器靈敏度為5mV/(m·s-2)，力錘量程為40m/s2，輸入方式為IEPE，實驗儀器詳見表1。

表1 模態(tài)實驗設備型號

2.實驗方案

(1)實驗模態(tài)分析理論基礎

模態(tài)分析通過對結構剛度、質量、極限狀態(tài)等多個自由度分析來研究結構動態(tài)特性。模態(tài)分析不依賴于外界激勵情況，對試件振動信號與響應進行分析，并對其進行模態(tài)辨識，從而獲得內部頻率、阻尼比及其它模態(tài)特征[11]。

當外界的瞬時形態(tài)的干擾發(fā)生時，結構體系會自然而然地以某一固定頻率發(fā)生振動，這一頻率被稱作結構固有頻率，是一種與外界激勵無關的自振頻率[12]。

式中，ωd是含有阻尼的固有頻率；ζ為系統(tǒng)的阻尼比，一般體系的阻尼比都在10%以下。一般當系統(tǒng)結構發(fā)生振動時，其對應的頻響函數(shù)的基本公式可以表示為：

式中，Xi(ω)表示在點i處的系統(tǒng)速度響應經過傅利葉變換后在ω頻率處的強度值；Fj(ω)為第j點經過傅利葉變換后在頻率ω處的強度值。

(2)模態(tài)實驗方案

實驗前，需要在層合板的X軸上測量出30mm的夾持距離，隨后在270mm×300mm的層合板上均勻劃分9個激振點，由于加速度傳感器易受電流和重量的影響，因此測量設備需一端接地，采用0.05mm×8mm×8mm的膠板固定傳感器，通過力錘逐點敲擊激勵點獲得層合板的前三階的固有頻率、振型和阻尼比。

圖1 力錘實驗法實驗裝置

①在進行力錘法敲擊實驗前，在層合板X軸方向標注30mm的夾持線，并均勻劃分9個激勵點，選取5號點為層合板的拾振點，并在5號點處粘貼墊片。

圖2 層合板測點布置

②將模態(tài)數(shù)據(jù)采集儀通過網線連接計算機，并在模態(tài)分析軟件中建立層合板模態(tài)模型，并布置測點號。

圖3 層合板模態(tài)模型建立示意圖

圖4 固支狀態(tài)夾持裝置

③將層合板沿著夾持尺寸固定在夾持底座上，此時層合板呈現(xiàn)固支狀態(tài)。

④將加速度傳感器的連接模態(tài)數(shù)據(jù)采集儀的第二通道，另一頭粘貼在層合板的5號測點處。

⑤將力錘連接模態(tài)數(shù)據(jù)采集儀的第一通道，對層合板各拾振點逐點激勵，每個激勵點敲擊3次，若響應信號幅值過大或過小，應選擇重新敲擊。

⑥在模態(tài)分析軟件中進行頻段選擇，將數(shù)據(jù)采集的頻響信號進行極值點標注，然后進行穩(wěn)態(tài)圖計算，最后通過模態(tài)模塊得到每塊層板的頻率響應函數(shù)、振型和阻尼比。

3.模態(tài)實驗結果及參數(shù)分析

(1)不同角度鋪層層合板模態(tài)分析

根據(jù)上述實驗過程，依次對5塊純CF曲線鋪層層合板進行模態(tài)分析后得到對應的頻響函數(shù)圖，如圖6所示。

圖6 純CF曲線鋪層層合板頻響函數(shù)圖

表2為根據(jù)頻響函數(shù)擬合計算得到的模態(tài)參數(shù)，包括前三階的固有頻率和前三階阻尼參數(shù)。由表可以看出隨著CF纖維角度變化，一階固有頻率隨著纖維角度的增加而遞增，±＜60|75＞相比于±＜0|15＞的固有頻率提高了168%。當鋪層順序為[±＜60|75＞/0/90]s二階固有頻率最大為36.05Hz，相比于其他變角度鋪層最多提高了111%。當鋪層順序為[±＜30|45＞/0/90]s三階固有頻率最大為76.53Hz，相比于其他變角度鋪層最多提高了37%。

表2 8層純CF（CARBON FIBRE）曲線鋪層層合板模態(tài)參數(shù)結果

鋪層順序為[±＜45|60＞/0/90]s一階阻尼比最小為0.82%，當鋪層順序為[±＜30|45＞/0/90]s一階阻尼比最大為0.95%，一階阻尼比最多提高了16%。當鋪層順序為[±＜45|60＞/0/90]s二階阻尼比最大為2.59%，鋪層順序為[±＜15|30＞/0/90ks二階阻尼比最小為2.19%，二階阻尼比最多提高了18%。當鋪層順序為[±＜15|30＞/0/90]s三階阻尼比最大為2.31%，鋪層順序為[±＜0|15＞/0/90]s二階阻尼比最小為1.45%，三階阻尼比最多提高了59%。

從表2中可以觀察到各階模態(tài)參數(shù)隨著纖維角度的變化呈非線性變化，從整體看，纖維角度的變化對一階固有頻率影響最為顯著，固有頻率隨著纖維角度增加而增加，三階固有頻率相對來說影響較小，固有頻率隨著纖維角度增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。一階阻尼比變化較平緩，均在0.9%左右，高階模態(tài)參數(shù)有所提升主要是由于高階彎曲扭轉變形受剛度影響更大，在[±＜45|60＞/0/90]s綜合模態(tài)參數(shù)最優(yōu)。

(2)不同混雜比鋪層層合板模態(tài)分析

圖7為5塊混雜曲線鋪層層合板進行模態(tài)分析后得到頻響函數(shù)圖。

圖7 混雜曲線鋪層層合板頻響函數(shù)圖

表3為根據(jù)頻響函數(shù)擬合計算得到的模態(tài)參數(shù)，包括前三階的固有頻率和前三階阻尼參數(shù)。由表可以看出隨著CF纖維角度變化，一階固有頻率隨著纖維角度的增加而遞增，±＜60|75＞相比于±＜0|15＞的固有頻率提高了104%。當鋪層順序為[±＜60|75＞/0k/90k]s二階固有頻率最大為36.21Hz，相比于其他變角度鋪層最多提高了75.9%。當鋪層順序為[±＜0|15＞/0/90]s和[±＜30|45＞/0/90]s三階固有頻率相近均在88Hz左右，相比于其他變角度鋪層最多提高了44%。

表3 8層混雜曲線鋪層層合板模態(tài)參數(shù)結果

根據(jù)混雜曲線鋪層層合板固有頻率和阻尼比的變化趨勢，可以發(fā)現(xiàn)一階固有頻率和純CF曲線鋪層層合板相似，隨著纖維角度變化的增大，層合板的一階固有頻率增大，但二階和三階固有頻率在加入Kevlar阻尼插層后，呈現(xiàn)出W形變化。隨著纖維夾角度的增加，復合材料的一階阻尼比表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，這說明纖維夾角可以使復合材料層合板的中段產生更大的彎曲變形，從而使復合材料的模態(tài)特性得到極大的改善。從總體上來看，在層合板的設計階段，在滿足力學性能要求的情況下，選擇最優(yōu)的鋪層序列模態(tài)參數(shù)[±＜45|60＞/0k/90k]s，可以得到較好的振動特征和阻尼性能。

4.總結

（1）當混雜率變化時，直線鋪層的層合板結構的固有頻率隨混雜比的增大而增大，基于考慮纖維占比和綜合性能前提下，本文將KF纖維插入碳纖維復合材料層合板中作為插層來改善復合材料的振動特性和阻尼性能。

（2）在相同的混雜比下，混雜比為50%時，引入插層后可以提高混雜層合板的固有頻率、阻尼比，且這種提高在小角度鋪層下更為明顯。

（3）變角度層合板面層對層合板的固有頻率有很大的影響，而纖維夾角改變對其阻尼性能影響不大，加入KF阻尼插層后，KF層作為夾芯層可以提高層合板結構的固有頻率和阻尼性能，從而增加了層合板的基本頻率，改善結構的減振特性。