王 歡,李嘉祿,樊 威
(天津工業(yè)大學(xué) 復(fù)合材料研究所 天津市和教育部共建先進(jìn)紡織復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300387)
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纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)三維編織復(fù)合材料T型梁模態(tài)性能的影響
王 歡,李嘉祿,樊 威
(天津工業(yè)大學(xué) 復(fù)合材料研究所 天津市和教育部共建先進(jìn)紡織復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300387)
采用懸臂梁自由衰減振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)方法研究了碳纖維三維四向編織復(fù)合材料T型梁的模態(tài)性能,分析了纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)其固有頻率和阻尼的影響。將實(shí)驗(yàn)得到的固有頻率結(jié)果與有限元得到的固有頻率結(jié)果作了對(duì)比。結(jié)果表明:三維四向編織復(fù)合材料T型梁的模態(tài)性能與激振點(diǎn)位置無(wú)關(guān)。且其固有頻率隨纖維體積分?jǐn)?shù)的增大而提高,阻尼性能隨纖維體積分?jǐn)?shù)的增大而降低。通過(guò)陣型可以準(zhǔn)確判斷T型梁固有頻率的階數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相一致。
三維四向編織;復(fù)合材料T型梁;模態(tài)分析
三維編織復(fù)合材料是由具有多軸纖維取向的高度整體化的連續(xù)纖維集合體增強(qiáng)的復(fù)合材料,由于增強(qiáng)體的整體性,顯著提高了復(fù)合材料整體的剛度和強(qiáng)度, 并且使復(fù)合材料具有減振性好、抗疲勞性佳、材料性能可設(shè)計(jì)等特點(diǎn)。因此可以在許多部件上替代金屬材料以滿(mǎn)足航空航天領(lǐng)域減重和承載性能的要求,也為其應(yīng)用于主承力結(jié)構(gòu)件提供了深遠(yuǎn)而廣闊的應(yīng)用前景[1,2]。隨著它在航空、航天等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,研究三維編織復(fù)合材料的模態(tài)性能,提高其在振動(dòng)和噪聲環(huán)境下的可靠性,從而避免在使用中因共振造成不必要的損失是十分必要的。
目前,關(guān)于這類(lèi)材料的模態(tài)性能已有科研人員進(jìn)行研究。蔡敢為等[3]研究了三維編織纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連桿機(jī)構(gòu)的模態(tài)阻尼,導(dǎo)出了此類(lèi)復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)、組分材料性能參數(shù)、纖維體積比等與機(jī)構(gòu)的固有頻率、振型和模態(tài)阻尼等參數(shù)之間的關(guān)系。李典森等[4]對(duì)不同編織角、不同體積分?jǐn)?shù)的三維四向和五向玻璃纖維編織復(fù)合材料進(jìn)行了振動(dòng)阻尼實(shí)驗(yàn),分析了編織角、纖維體積分?jǐn)?shù)和編織結(jié)構(gòu)對(duì)三維編織復(fù)合材料阻尼特性的影響。孫雨果等[5]在建立有限元模型基礎(chǔ)上,對(duì)三維碳/環(huán)氧編織復(fù)合材料等網(wǎng)格承力筒結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)性能和模態(tài)進(jìn)行了分析,得到了該結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)振型。裴曉園等[6,7]研究了編織角及纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)碳纖維三維四向編織復(fù)合材料的模態(tài)性能影響,實(shí)驗(yàn)表明,隨纖維體積分?jǐn)?shù)的增大,碳纖維三維四向編織復(fù)合材料的固有頻率增大,阻尼性能下降。Gao等[8]采用實(shí)驗(yàn)方法研究了編織角對(duì)三維五向編織復(fù)合材料模態(tài)性能的影響。Ooijevaar等[9]將振動(dòng)實(shí)驗(yàn)與模態(tài)應(yīng)變能損傷算法相結(jié)合,對(duì)鋪層T型梁的損傷位置做出了準(zhǔn)確的定位。研究得出:彎曲模態(tài)固有頻率可表明分層的存在,部分陣型可表明分層的存在及其位置。Herman等[10]利用振動(dòng)模態(tài)分析方法檢測(cè)了T型加筋板的損傷。Lee等[11]基于經(jīng)典的層合理論研究了工字形截面復(fù)合材料薄壁梁的振動(dòng)。Thinh等[12]用實(shí)驗(yàn)方法和有限元方法研究了帶有不同形狀加強(qiáng)筋的玻璃纖維增強(qiáng)聚酯基復(fù)合材料的自由振動(dòng)。Alnefaie[13]利用三維有限元模型計(jì)算了分層纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板的固有頻率和模態(tài)位移。本工作對(duì)三維編織復(fù)合材料T型梁制件的模態(tài)性能進(jìn)行了研究。采用單輸入/單輸出和單輸入/多輸出的頻域模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法,對(duì)三維四向碳纖維編織復(fù)合材料T型梁的模態(tài)性能進(jìn)行了研究,確定了纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料T型梁模態(tài)參數(shù)( 阻尼比、固有頻率)的影響,并將實(shí)驗(yàn)獲得的固有頻率結(jié)果和有限元計(jì)算結(jié)果作了對(duì)比。
1.1 測(cè)試試件
三維四向編織復(fù)合材料T型梁試件采用四步法編織工藝,再經(jīng)RTM工藝復(fù)合固化制得。編織紗為 T700-12K 碳纖維,密度1.76g/cm3,線密度0.8g/m,基體材料為T(mén)DE-86 型環(huán)氧樹(shù)脂。圖1為試件的實(shí)物圖,實(shí)驗(yàn)中T型梁試件的長(zhǎng)度為280mm,其中實(shí)驗(yàn)的有效尺寸為255mm。試件的詳細(xì)尺寸如圖2所示,其具體參數(shù)見(jiàn)表1。
圖1 三維四向編織復(fù)合材料T型梁試件實(shí)物圖Fig.1 The picture of specimen of three-dimension and four-direction braided composites T-beam
圖2 T型梁試件的尺寸Fig.2 The size of T-beam specimen
NumberofsampleSurfacebraidingangle/(°)Volumefractionoffiber/%QuantityV129383V229513V329613
1.2 測(cè)試方法
本實(shí)驗(yàn)采用一端固支懸臂梁的自由振動(dòng)衰減法測(cè)量T型梁模態(tài)性能,振動(dòng)模式為y向彎曲振動(dòng),實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為室溫。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖3所示。用力錘在激振點(diǎn)沿y方向激振,力錘上的力傳感器感受的力信號(hào)經(jīng)電荷放大器放大后輸入到數(shù)據(jù)采集儀的1 號(hào)通道,同時(shí)加速度傳感器測(cè)量的加速度響應(yīng)信號(hào)經(jīng)電荷放大器放大后輸入到數(shù)據(jù)采集儀的 2 號(hào)通道,再由Vib′SYS模態(tài)分析軟件進(jìn)行分析計(jì)算,得到頻率響應(yīng)函數(shù)。本次實(shí)驗(yàn)還選取了不同的激振點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試,A點(diǎn)(圖2)和B點(diǎn)為所選取的不同的激振點(diǎn),其中A點(diǎn)位于遠(yuǎn)離腹板一側(cè)的肋板平面上,B點(diǎn)位于腹板外側(cè)沿Z軸的中心線上,且它們都距T型梁的頂端245mm,如圖3所示。在實(shí)驗(yàn)中分別采用單點(diǎn)激勵(lì)單點(diǎn)響應(yīng)和單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)響應(yīng)的方法。
以B點(diǎn)為激振點(diǎn),分別對(duì)不同纖維體積分?jǐn)?shù)的三維四向編織碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料T型梁進(jìn)行懸臂梁振動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析(每一種纖維體積分?jǐn)?shù),有3個(gè)試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)),獲得了各個(gè)模態(tài)參數(shù)的平均值( 阻尼比、固有頻率),見(jiàn)表 2。
圖3 模態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置圖Fig.3 The device for modal experimental measurement
NumberofsampleNaturalfrequency/HzDampingratio/%FirstorderSecondorderFirstorderSecondorderV1213.871408.281.300.80V2261.281616.061.100.53V3290.151773.000.970.37
圖4 T型梁在A,B點(diǎn)激勵(lì)后頻率響應(yīng)函數(shù)圖的對(duì)比Fig.4 The comparison of frequency responses of T-beam excited at points A and B
本實(shí)驗(yàn)選擇A,B兩個(gè)不同的激振點(diǎn)對(duì)三維四向編織復(fù)合材料T型梁的模態(tài)性能進(jìn)行測(cè)試。圖4是分別對(duì)纖維體積分?jǐn)?shù)為61%的T型梁的A,B兩點(diǎn)進(jìn)行激振,得到的頻率響應(yīng)函數(shù)圖,這兩條曲線的吻合性較好。獲得的峰值中最大的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.12%。由于所有的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差都不超過(guò)1%,所以實(shí)驗(yàn)中得到的固有頻率值具有很好的重復(fù)性,這也與Ooijevaar等[9]得到的結(jié)果相一致。因此在之后的實(shí)驗(yàn)中就選取B點(diǎn)為激振點(diǎn)。
2.2 纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)三維四向編織復(fù)合材料T型梁固有頻率的影響
圖5是相同表面編織角、不同纖維體積分?jǐn)?shù)的三維四向編織復(fù)合材料T型梁試件的前兩階固有頻率的對(duì)比,可以看出前兩階固有頻率都隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而增大。根據(jù)梁的振動(dòng)理論,懸臂梁的一階振動(dòng)頻率服從以下關(guān)系[14]:
(1)
圖5 不同纖維體積分?jǐn)?shù)T型梁固有頻率的對(duì)比Fig.5 The comparison of natural frequencies of T-beam with different fiber volume fractions
式中:k1為對(duì)應(yīng)一階頻率的系數(shù)(取1.875);l為梁的長(zhǎng)度, mm;E為梁的彈性模量,GPa;h為平行于梁振動(dòng)方向的高度,mm;ρ為梁的質(zhì)量密度,g/mm3。由公式(1)可見(jiàn),當(dāng)梁的外部尺寸相同時(shí),梁的一階振動(dòng)固有頻率正比于梁的比模量的平方根。由于三維四向編織復(fù)合材料T型梁的纖維剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基體的剛度,所以纖維體積分?jǐn)?shù)的增大就意味著整體剛度的增大,即梁的彈性模量增大。因此三維四向編織復(fù)合材料T型梁的固有頻率隨纖維體積分?jǐn)?shù)的增大而升高,故實(shí)驗(yàn)結(jié)果是合理的。
圖6是不同纖維體積分?jǐn)?shù)的三維四向編織復(fù)合材料T型梁在激振力作用下的傳遞函數(shù)幅值圖。可以看出隨纖維體積分?jǐn)?shù)的增大,各階峰值所對(duì)應(yīng)的固有頻率增大。固有頻率是由系統(tǒng)本身的質(zhì)量、形狀和剛度所決定[4],相同尺寸的碳纖維三維四向編織復(fù)合材料T型梁,其材料的彈性模量越大,則剛度越高,因此梁的固有頻率也越大。固有頻率越高表明其在脈沖載荷作用下的抵抗變形能力越大,即其抗彎剛度大。碳纖維三維四向編織復(fù)合材料T型梁的固有頻率越高,在實(shí)際使用中就越不容易達(dá)到其共振頻率,即避免發(fā)生共振的可能性越大。所以為提高三維四向編織復(fù)合材料T型梁的固有頻率,在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)適當(dāng)?shù)卦黾悠淅w維體積分?jǐn)?shù)。
圖6 不同纖維體積分?jǐn)?shù)T型梁頻率響應(yīng)函數(shù)圖Fig.6 The frequency response plot of T-beam with different fiber volume fractions
2.3 纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)三維四向編織復(fù)合材料T型梁阻尼比的影響
阻尼通常是指材料內(nèi)部在經(jīng)受振動(dòng)變形過(guò)程中,將機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒌舻哪芰?。它是試件的固有特性,在振?dòng)過(guò)程中耗散能量,對(duì)降低共振區(qū)峰值十分重要[15],可以避免結(jié)構(gòu)因振動(dòng)應(yīng)力達(dá)到極限而造成的破壞。阻尼性能越好,將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化成為熱能耗散掉的能力越強(qiáng),這是阻尼減振性能的本質(zhì)所在。因此,三維四向編織復(fù)合材料T型梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中同樣要考慮阻尼因素。復(fù)合材料制件的剛度由纖維增強(qiáng)體確保,在保證復(fù)合材料制件剛度的同時(shí),也需要適當(dāng)增大其阻尼性能,以獲得良好的減振效果。
阻尼比可以通過(guò)半功率帶寬的方法計(jì)算得到,如圖7[16]所示,同時(shí)根據(jù)以下公式可以得到其阻尼比:
(2)
式中:ωn是由極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的固有頻率;Δω是ω2與ω1兩個(gè)點(diǎn)的差值。故結(jié)合公式(2)可以從圖6中看出試件的固有頻率越小,對(duì)應(yīng)的峰值越低、越寬,所得的阻尼比越大;試件的固有頻率越大,對(duì)應(yīng)的共振峰值越高、越尖銳,所得的阻尼比越小。
圖7 根據(jù)半功率帶寬的方法定義ω1,ω2與ωn[15]Fig.7 Definitions of ω1,ω2 and ωn according to the half-band width method[15]
圖8 不同纖維體積分?jǐn)?shù)T型梁阻尼比的對(duì)比Fig.8 The comparison of damping ratios of T-beam with different fiber volume fractions
圖8是相同表面編織角、不同纖維體積分?jǐn)?shù)的三維四向編織復(fù)合材料T型梁試件的前兩階阻尼比的對(duì)比,可以看出前兩階阻尼比都隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而降低。這是由于基體良好的黏彈性質(zhì),使得樹(shù)脂基體具有較高的振動(dòng)衰減損耗因子,它在復(fù)合材料中起到很好的阻尼作用。所以纖維體積分?jǐn)?shù)越低,制件的黏彈性效應(yīng)也越明顯。反之隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加,即基體含量的減少,使得基體對(duì)復(fù)合材料制件的衰減損失因子貢獻(xiàn)減小。因此,纖維體積分?jǐn)?shù)低的試件的振動(dòng)衰減性能比纖維體積分?jǐn)?shù)高的試件優(yōu)異,即前者的阻尼比要比后者的大。這也說(shuō)明了在相同的共振情況下,纖維體積分?jǐn)?shù)低的T型梁比纖維體積分?jǐn)?shù)高的T型梁回到平衡位置的時(shí)間要短。從圖8中還可以看出相同纖維體積分?jǐn)?shù)的第二階阻尼比都比其第一階阻尼比低,這可能是由于梁在二階振動(dòng)時(shí),接近梁的中心存在很大的振動(dòng)幅值[13]。
2.4 三維四向編織復(fù)合材料T型梁的陣型
振型是結(jié)構(gòu)所固有的屬性,它不取決于作用在結(jié)構(gòu)上的力或者載荷。如果結(jié)構(gòu)的材料屬性(質(zhì)量、剛度、阻尼)或者邊界條件發(fā)生變化,陣型就會(huì)改變。陣型是指在共振時(shí)一個(gè)點(diǎn)相對(duì)于另一個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況,它是獨(dú)一無(wú)二的。對(duì)應(yīng)于頻率而言,一個(gè)固有頻率對(duì)應(yīng)于一個(gè)振型。按照頻率從低到高排列為一階振型,二階振型等。實(shí)際結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形態(tài)并不是一個(gè)規(guī)則的形狀,而是各階振型相疊加的結(jié)果,然而在共振頻率或者共振頻率附近的振動(dòng)形態(tài)是以一個(gè)單一的陣型為主。在實(shí)際應(yīng)用中,可以用陣型來(lái)判定損傷的位置。本實(shí)驗(yàn)采用單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)響應(yīng)的方法研究三維四向編織復(fù)合材料T型梁的陣型,激振點(diǎn)有1個(gè)(B點(diǎn)),響應(yīng)點(diǎn)有5個(gè),它們將T型梁的有效長(zhǎng)度沿著z軸的方向平均分成5份,如圖9所示。圖10(a),(b)分別是纖維體積分?jǐn)?shù)為61%的T型梁的一、二階彎曲陣型圖。通過(guò)測(cè)量三維四向編織復(fù)合材料T型梁的陣型,可以看出它的振動(dòng)形態(tài),也可以更加準(zhǔn)確地?cái)喽ㄆ涔逃蓄l率的階數(shù)。
圖9 T型梁上的激振點(diǎn)和5個(gè)測(cè)量點(diǎn)Fig.9 Excitation point and 5 measurement points at T-beam
圖10 實(shí)驗(yàn)測(cè)量的彎曲陣型 (a)一階彎曲陣型;(b)二階彎曲陣型Fig.10 Experimental measured bending mode shape (a)first bending mode shape;(b)second bending mode shape
本工作運(yùn)用ANSYS軟件建立了T型梁的實(shí)體有限元模型,計(jì)算與模擬了T型梁的固有頻率和陣型。按照復(fù)合材料的理論,三維四向編織復(fù)合材料是橫觀各向同性的,所以在模擬中選取的材料屬性為orthotropic。采用六面體劃分網(wǎng)格,共劃分了52480個(gè)單元,129283個(gè)節(jié)點(diǎn)。對(duì)T型梁的端部固定約束,然后計(jì)算。計(jì)算中采用的彈性性能數(shù)據(jù)來(lái)自于李典森等[17]的有限元計(jì)算,三維四向編織復(fù)合材料的彈性性能見(jiàn)表3。T型梁的前兩階彎曲陣型位移云圖如圖11所示,計(jì)算的頻率結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的頻率結(jié)果對(duì)比如表4所示。
表3 三維四向編織復(fù)合材料的彈性性能[17]
圖11 陣型位移云圖 (a)一階彎曲陣型;(b)二階彎曲陣型Fig.11 Cloud pictures of mode shape displacements (a)first bending mode shape;(b)second bending mode shape
No.Naturalfrequency/HzFirstorderSecondorderV3-278.431646.00V3290.151773.00V3+301.331781.20
在有限元計(jì)算時(shí)不僅可以得到彎曲陣型,還可以得到扭轉(zhuǎn)陣型。但因本工作只研究彎曲振動(dòng),所以只選取了有限元計(jì)算中彎曲振動(dòng)的結(jié)果來(lái)研究。由于理論計(jì)算中采用的T型梁細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)中的并不相同,不過(guò)表面編織角大體一致,所以在計(jì)算中選取了兩種纖維體積分?jǐn)?shù),以更準(zhǔn)確地估計(jì)實(shí)際中T型梁的固有頻率。圖11為有限元模態(tài)計(jì)算得到的T型梁的第一階和第二階彎曲陣型。與實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析得到的第一階和第二階陣型相比,有限元模擬得到的彎曲陣型更加生動(dòng)形象、直觀,并可以觀察到T型梁上任意點(diǎn)的位移變化。但實(shí)驗(yàn)得到的彎曲陣型和有限元計(jì)算得到的彎曲陣型的振動(dòng)方式是一致的。此外,與陣型對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和有限元計(jì)算的固有頻率也具有較好的一致性。
表4中V3是實(shí)驗(yàn)測(cè)量的固有頻率,V3-,V3+是采用文獻(xiàn)[17]的數(shù)據(jù)計(jì)算的結(jié)果,其纖維體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系是V3-< V3< V3+。通過(guò)對(duì)比,可以看出任意階實(shí)驗(yàn)得到的固有頻率都介于計(jì)算得到的兩個(gè)固有頻率之間,且與它們之間的差值百分比最大不超過(guò)8%,所以若理論計(jì)算中采用的T型梁細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)中的相同,其差值百分比也必然不超過(guò)8%,故實(shí)驗(yàn)得到的固有頻率結(jié)果是合理的。此外,從實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果的一致性還可以得出對(duì)于三維四向編織的復(fù)雜結(jié)構(gòu),可以通過(guò)有限元計(jì)算來(lái)大致地預(yù)測(cè)其振動(dòng)的固有頻率。
(1)表面編織角相同時(shí),三維四向編織結(jié)構(gòu)的碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料T型梁的固有頻率隨纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而增大,阻尼性能隨纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而降低。
(2)由于三維四向編織結(jié)構(gòu)的碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料T型梁的抗激振性能隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而增大,減振性能隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而減小,所以在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)綜合考慮,合理地選擇其纖維體積分?jǐn)?shù)。
(3)通過(guò)觀察三維四向編織結(jié)構(gòu)的碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料T型梁的陣型可以準(zhǔn)確地判斷其固有頻率的階數(shù)。
(4)可以利用有限元計(jì)算來(lái)大致地預(yù)測(cè)三維四向編織結(jié)構(gòu)的碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料T型梁或者其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)的振動(dòng)固有頻率。
[1] 陳光偉,陳利,李嘉祿,等. 三維多向編織復(fù)合材料T型梁抗彎應(yīng)力分析[J]. 紡織學(xué)報(bào),2009,30(8):54-58.
CHEN Guang-wei, CHEN Li, LI Jia-lu, et al. Study on flexural stress of T beam of 3-D multidirectional braided composites[J].Journal of Textile Research,2009,30(8):54-58. [2] 李典森,盧子興,李嘉祿,等. 三維編織T300/環(huán)氧復(fù)合材料的彎曲性能及破壞機(jī)理[J]. 航空材料學(xué)報(bào),2009,29(5):82-87.
LI Dian-sen, LU Zi-xing, LI Jia-lu,et al. Bending properties and failure mechanism of three dimensional T300/epoxy braided composites[J].Journal of Aeronautical Materials, 2009,29(5):82-87.
[3] 蔡敢為,鐘掘,廖道訓(xùn). 三維編織復(fù)合材料構(gòu)件的機(jī)構(gòu)模態(tài)阻尼[J]. 中國(guó)機(jī)械工程,2000,11(5):481-484.
CAI Gan-wei, ZHONG Jue, LIAO Dao-xun. Modal damping of mechanisms fabricated from three-dimensional braided composite[J].China Mechanical Engineering,2000,11(5): 481-484.
[4] 李典森,盧子興,李嘉祿,等. 三維編織復(fù)合材料振動(dòng)阻尼特性的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械強(qiáng)度,2009,31(2):211-214.
LI Dian-sen, LU Zi-xing, LI Jia-lu, et al. Experimental research on the vibration damping properties of 3D braided composites[J].Journal of Mechanical Strength,2009,31(2):211-214.
[5] 孫雨果,嚴(yán)實(shí),梁紅. 新型三維編織復(fù)合材料等網(wǎng)格結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析[J]. 宇航學(xué)報(bào),2007,28(4): 827-830.
SUN Yu-guo, YAN Shi, LIANG Hong. The mechanical behavior study of a new type of 3D braided composites iso-lattice truss[J]. Journal of Astronautics, 2007,28(4): 827-830.
[6] 裴曉園,李嘉祿,何玉強(qiáng). 纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)炭纖維三維四向編織復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)性能的影響[J]. 固體火箭技術(shù),2012,35(2):267-270.
PEI Xiao-yuan, LI Jia-lu, HE Yu-qiang. Effects of fiber volume fraction on experiment modal behavior of three-dimension and four-direction braiding composites[J].Journal of Solid Rocket Technology,2012,35(2):267-270.
[7] 裴曉園,李嘉祿,何玉強(qiáng). 纖維取向?qū)θS四向編織復(fù)合材料與層合復(fù)合材料振動(dòng)性能的影響[J]. 材料工程,2013,(7):16-23.
PEI Xiao-yuan, LI Jia-lu, HE Yu-qiang. Effects of fiber orientation on modal experimental analysis of three-dimension and four-direction braided composites and laminated composites[J]. Journal of Materials Engineering,2013,(7):16-23.
[8] GAO Y, LI J L. Effects of braiding angle on modal experimental analysis of three-dimensional and five-directional braided composites[J]. Composites: Part B,2012,43(5):2423-2428.
[9] OOIJEVAAR T H, LOENDERSLOOT R, WARNET L L,et al. Vibration based structural health monitoring of a composite T-beam[J].Composite Structures,2010,92(9):2007-2015.
[10] HERMAN A P, ORIFICI A C, MOURITZ A P. Vibration modal analysis of defects in composite T-stiffened panels[J].Composite Structures,2013,104(10):34-42.
[11] LEE J, KIM S E. Free vibration of thin-walled composite beams with I-shaped cross-sections[J].Composite Structures,2002,55(2):205-215.
[12] THINH T I, QUOC T H. Finite element modeling and experimental study on bending and vibration of laminated stiffened glass fiber/polyester composite plates[J].Computational Materials Science, 2010,49(4):S383-S389.
[13] ALNEFAIE K. Finite element modeling of composite plates with internal delamination[J].Composite Structures,2009,90(1):21-27.
[14] 鄭麗娟,趙玉濤,金明江,等. 纖維/樹(shù)脂/鋁合金疊層復(fù)合材料的顯微組織與阻尼性能[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2003,13(3):667-670.
ZHENG Li-juan, ZHAO Yu-tao, JIN Ming-jiang, et al. Microstructure and damping property of fiber/resin/aluminum alloy laminated composite[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2003,13(3):667-670.
[15] 余建新,陳立平. 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)阻尼測(cè)試分析[J]. 哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,27(5): 729-732.
YU Jian-xin, CHEN Li-ping. Analysis on composite structural damping measurement[J].Journal of Harbin University of Commerce: Natural Sciences Edition,2011,27(5): 729-732.
[16] KHAN S U, LI C Y, SIDDIQUI N A. Vibration damping characteristics of carbon fiber-reinforced composites containing multi-walled carbon nanotubes[J].Composites Science and Technology,2011,71(12):1486-1494.
[17] 李典森,盧子興,藺曉明,等. 三維四向編織復(fù)合材料彈性性能的有限元預(yù)報(bào)[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2006,32(7):828-832.
LI Dian-sen, LU Zi-xing, LIN Xiao-ming, et al. Finite element prediction of elastic properties of three dimensional and four directional braided composites[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2006,32(7):828-832.
Effect of Fiber Volume Fraction on Modal Properties of Three-dimension Braided Composite T-beams
WANG Huan,LI Jia-lu,FAN Wei
(Tianjin and Ministry of Education Key Laboratory of Advanced Textile Composite Materials,Institute of Composite Materials, Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China)
The modal properties of carbon fiber three-dimension and four-direction braided composite T-beams with different fiber volume fractions were studied by the free vibration method of cantilever beams. The effect of fiber volume fraction on natural frequency and damping was analyzed. The measured and finite element calculated results of natural frequency were compared. The results show that the modal properties of T-beams have nothing to do with the position of excitation point. The natural frequency of the composite T-beams increases and damping properties of the composite T-beams decrease with the increasing of fiber volume fraction. The order of the natural frequency of T-beam could be estimated accurately by the mode shape. The measured results are in agreement with the calculated results.
three-dimension and four-direction braiding;composite T-beam;modal analysis
10.11868/j.issn.1001-4381.2015.09.013
TB332
A
1001-4381(2015)09-0080-07
天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目(11ZCKFSF00500,10SYSYJC27800)
2014-05-15;
2015-03-21
李嘉祿(1947-),男,教授,主要從事紡織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及性能的研究,聯(lián)系地址:天津市西青區(qū)賓水西道399號(hào)天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所(300387),E-mail:lijialu@tjpu.edu.cn