，

(中國艦船研究與設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

復(fù)合材料層合板殼結(jié)構(gòu)以優(yōu)良的特性被工程界普遍采用，已成為艦船、手中兵器、航空航天等工程中常用的基本結(jié)構(gòu)形式之一。對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，特別是含有脫層缺陷的結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動模態(tài)理論及試驗(yàn)研究是非常有意義的[1-5]。文中對含有脫層缺陷的復(fù)合材料層合圓柱殼不同鋪設(shè)角度，脫層形式以及脫層大小進(jìn)行了振動與模態(tài)試驗(yàn)。

1 振動試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

圖1為模擬在自由邊界條件下的復(fù)合材料圓柱殼振動模態(tài)的試驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)由復(fù)合材料圓柱殼試件、激勵(lì)系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)(B&K)、信號分析系統(tǒng)(B&K)以及計(jì)算機(jī)等組成。

1-懸吊彈簧；2-玻璃銅圓柱殼試件；3-力錘；4-加速度傳感器圖1 測量系統(tǒng)示意圖

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)中復(fù)合材料圓柱殼由高強(qiáng)緞紋玻璃纖維布和3201樹脂加入固化劑，觸變劑、偶聯(lián)劑等輔料制成，共7件。其幾何參數(shù)及脫層形式見表1。

表1 試件的幾何參數(shù)及脫層形式

1.3 測量模型網(wǎng)格劃分

在試驗(yàn)前，對每個(gè)試件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，沿軸向7個(gè)點(diǎn)，周向21個(gè)點(diǎn)，共147個(gè)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)作為力錘敲擊點(diǎn)，選取若干點(diǎn)為加速度傳感器測量點(diǎn)。測試試件及試件網(wǎng)格見圖2，布層均為6層。

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖

1.4 測試信號

圖3列舉了實(shí)驗(yàn)中試件4#的測試信號，4#試件布置了2個(gè)加速度傳感器,表示的是力錘產(chǎn)生的激勵(lì)信號，由通道1采樣而得。在實(shí)驗(yàn)中引入力窗函數(shù)，是為了在進(jìn)行信號采樣及數(shù)據(jù)處理時(shí)，盡量減小干擾信號的引入以及控制力錘敲擊力的大小和采樣時(shí)間。

圖3 力錘信號和響應(yīng)信

圖4為4#試件測得的由分析軟件ME′scopeVES生成的頻響函數(shù)實(shí)頻曲線和虛頻曲線，即柏德圖。柏德圖中的虛頻曲線的峰值對應(yīng)于固有頻率。利用虛頻和實(shí)頻曲線的峰值可以計(jì)算出阻尼系數(shù)。同時(shí)也可以確定有無反共振點(diǎn)。

圖4 頻響函數(shù)的實(shí)頻、虛頻圖

2 測試結(jié)果

圖5為1#試件前6階振型，圖中的模態(tài)可以很好地識別出來，較真實(shí)地反映了試件的振動特性。

圖5 1#試件前6階模

數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果列于表2。表中空格為試驗(yàn)無法識別的模態(tài)。從表2中可以看出，當(dāng)軸向半波數(shù)m=0時(shí)，有限元計(jì)算值與試驗(yàn)值有很好的吻合，最大誤差只有7.27%。而當(dāng)軸向半波數(shù)m=1時(shí)，兩者之間有很大的誤差。

3 結(jié)論

1) 當(dāng)模型軸向半波數(shù)m=1時(shí)測試結(jié)果和有限元結(jié)果相差很大，這是因?yàn)樵囼?yàn)和計(jì)算中的模型邊界條件有差異。復(fù)合材料試件的剛度小，質(zhì)量輕，特別是在試驗(yàn)過程中，用彈簧繩將試件自由懸掛，對試件徑向有預(yù)應(yīng)力，使得頻率減小。

表2 試驗(yàn)值與計(jì)算值的比較

2) 從前3個(gè)試件來看，對單層為各項(xiàng)同性材料的正交鋪層方式的圓柱殼來說，鋪層角度越大，總體剛度越小，第一階模態(tài)頻率越小。

3)從4#、5#、7#試件看，各階模態(tài)頻率相比，脫層缺陷大的頻率較小。

[1] LAM KY,NG TY,Wu Q.Vibration analysis of thick laminated composite cylindrical shells [J].AIAA J,1999,38(6):1102-1107.

[2] KUMAR R,TARUN K,KUMAR G A.Free vibration of composite and sandwich laminates with a higher-order facet shell element[J].Composite Structures，2004，65(3-4):405-418.

[3] 王旌生,吳有生.考慮芯層橫向變形的粘彈性復(fù)合材料夾層板結(jié)構(gòu)的聲振特性分析[J].振動與沖擊,2006,25(5):6-9.

[4] 張 力,徐明君,孟春玲.汽車復(fù)合材料制動缸體的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析[J].工程材料應(yīng)用.2005,32(10):49-51.

[5] 王威遠(yuǎn),王 聰,鄒振祝.蜂窩錐殼結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性試驗(yàn)研究[J].振動與沖擊,2007,26(7):164-168.