喬雪濤， 許華威， 于賀春， 陳春山

(中原工學(xué)院， 鄭州 450007)

人造花崗巖復(fù)合材料的制備及其模態(tài)特性研究

喬雪濤， 許華威， 于賀春， 陳春山

(中原工學(xué)院， 鄭州 450007)

為了研究不同配比人造花崗巖材料的模態(tài)特性規(guī)律，通過(guò)正交試驗(yàn)方法，制備不同配比人造花崗巖復(fù)合材料試件，運(yùn)用ANSYS Workbench有限元仿真軟件對(duì)試件進(jìn)行仿真計(jì)算，借助多通道動(dòng)態(tài)信號(hào)分析系統(tǒng)對(duì)試件進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，并與仿真結(jié)果對(duì)比分析。研究發(fā)現(xiàn):仿真計(jì)算和試驗(yàn)?zāi)B(tài)求得的固有頻率變化趨勢(shì)一致，振型相同；環(huán)氧樹(shù)脂用量和骨料級(jí)配對(duì)材料阻尼影響較大；骨料級(jí)配和固化劑用量對(duì)固有頻率影響較小，而環(huán)氧樹(shù)脂和稀釋劑用量對(duì)固有頻率影響較大。

人造花崗巖；配比；模態(tài)分析；固有頻率；阻尼比

人造花崗巖(又稱(chēng)聚合物混凝土、樹(shù)脂混凝土、礦物鑄件復(fù)合材料)是以天然花崗巖顆粒為骨料，環(huán)氧樹(shù)脂等有機(jī)樹(shù)脂為黏接劑，并按適當(dāng)比例添加填料、稀釋劑、增韌劑等，在常溫常壓條件下通過(guò)固化作用聚合而成的新型復(fù)合材料。它具有良好的阻尼特性、動(dòng)靜態(tài)特性、熱穩(wěn)定性、高整合性以及耐酸堿性、綠色無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是制作超精密機(jī)床、精密測(cè)量?jī)x器等高端裝備基礎(chǔ)件的理想材料[1]。縱覽國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，目前對(duì)人造花崗巖復(fù)合材料的研究主要集中于材料組分配比優(yōu)化[2-4]、力學(xué)性能及其增強(qiáng)機(jī)理[5-8]、阻尼特性與蠕變機(jī)理[9-15]、熱性能[16-20]、精密機(jī)床基礎(chǔ)件人造花崗巖復(fù)合材料及其制造工藝流程[21-22]等，而有關(guān)人造花崗巖復(fù)合材料各組分配比對(duì)其模態(tài)特性影響規(guī)律的研究較少。鑒于此，本文在前期研究的基礎(chǔ)上[23-26]，通過(guò)正交試驗(yàn)法制作一組不同配比人造花崗巖復(fù)合材料試件，探究不同配比下人造花崗巖復(fù)合材料的模態(tài)特性規(guī)律。

1 人造花崗巖復(fù)合材料試件制備

1.1 原材料

1.1.1 環(huán)氧樹(shù)脂

本文研究選用的鳳凰牌低分子量雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂(E44)為無(wú)色高黏度液體。其聚合度n=0～2，軟化點(diǎn)為12～20 ℃，環(huán)氧當(dāng)量為210～250。

1.1.2 固化劑

固化劑種類(lèi)和結(jié)構(gòu)很多，不同種類(lèi)的固化劑與環(huán)氧樹(shù)脂固化反應(yīng)后強(qiáng)度和韌性相差較大。雖然胺類(lèi)固化劑是環(huán)氧樹(shù)脂常用的固化劑，如乙二胺，但考慮到乙二胺具有刺激性氣味，本研究不用乙二胺，而采用650聚酰胺樹(shù)脂作為環(huán)氧樹(shù)脂固化劑。

1.1.3 稀釋劑

環(huán)氧樹(shù)脂在常溫下是一種黏稠狀液體，攪拌困難。為了增大樹(shù)脂的流動(dòng)性，需要在環(huán)氧樹(shù)脂里添加適量稀釋劑。常用的稀釋劑有丙酮、甲苯、二甲苯、無(wú)水乙醇等。有些稀釋劑不參與固化反應(yīng)，但在固化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量氣泡而影響材料的密實(shí)度。綜合考慮后，本研究選用無(wú)水乙醇作為稀釋劑。

1.1.4 骨 料

骨料的選取原則是硬度高、吸水性小。本研究采用經(jīng)錘式破碎機(jī)粉碎的濟(jì)南青骨料。骨料經(jīng)直線式振動(dòng)篩被分成10種規(guī)格粒徑，即：細(xì)骨料①<0.1、②0.1～0.2、③0.2～0.4、④0.4～0.7、⑤0.7～1.25、⑥1.25～2、⑦2～2.5，粗骨料⑧2.5～5、⑨5～10、⑩10～15。

1.2 試件配比方案

基于統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，科學(xué)選取試驗(yàn)中具有代表性的影響因子，制作正交試驗(yàn)表，以減少不必要的試驗(yàn)次數(shù)，顯著提升工作效率[27]。

在前期研究的基礎(chǔ)上，本研究選取骨料級(jí)配、環(huán)氧樹(shù)脂用量、稀釋劑用量、固化劑用量作為影響因子，制作L16(4×4)正交表，進(jìn)行4因素4水平的正交試驗(yàn)。表1為5 kg人造花崗巖的配比方案，表2為骨料級(jí)配方案。

表1 5 kg人造花崗巖的配比方案

表2 骨料級(jí)配方案

1.3 試件制備工藝

圖1所示為人造花崗巖復(fù)合材料試件的制作工藝流程。它包括如下步驟：①石料清洗；②石料破碎；③骨料分篩；④骨料烘干；⑤將人造花崗巖各組分骨料按比例稱(chēng)重，并混合均勻；⑥將環(huán)氧樹(shù)脂、稀釋劑、固化劑按照比例稱(chēng)重，并混合攪拌均勻；⑦將步驟⑤和步驟⑥的混合物倒入攪拌機(jī)，攪拌5 min；⑧將攪拌好的混合物倒入事先涂刷脫模劑的鋼模具內(nèi)；⑨振動(dòng)成型，一邊振動(dòng)一邊往模具里添加混合物，直至混合物不再沉降，振動(dòng)時(shí)間為2 h；⑩室溫固化24 h，脫模，室溫養(yǎng)護(hù)48 h。

圖1 人造花崗巖復(fù)合材料試件制作流程

圖2為人造花崗巖復(fù)合材料澆鑄用的組合模具和成型試件。試件固化脫模后仍需要在室溫(20±2)℃的Ca(OH)2飽和溶液中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d。

(a)組合模具 (b)成型試件圖2 組合模具和成型試件

2 仿真模態(tài)分析

2.1 建立模型

圖3為創(chuàng)建的人造花崗巖復(fù)合材料懸臂梁模型。懸臂梁模型的長(zhǎng)度為300 mm，寬度和高度均為100 mm。

2.2 約束載荷

某批試件的平均靜力受壓彈性模量為2.02 GPa，平均密度為1.73 g/cm3，泊松比為0.18。采用Automatic劃分網(wǎng)格，對(duì)模型側(cè)面施加固定約束，無(wú)載荷(見(jiàn)圖4)。

圖4 網(wǎng)格劃分結(jié)果

表3所示為人造花崗巖復(fù)合材料仿真計(jì)算所得前5階模態(tài)的固有頻率。

表3 仿真模態(tài)結(jié)果

3 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

借助美國(guó)迪飛公司多通道動(dòng)態(tài)信號(hào)分析系統(tǒng)，對(duì)人造花崗巖復(fù)合材料試件采用單一測(cè)點(diǎn)多點(diǎn)敲擊的方法進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。將獲取的數(shù)據(jù)導(dǎo)入ME’scopeVES分析軟件進(jìn)行分析處理。該測(cè)試系統(tǒng)主要包括：美國(guó)迪飛數(shù)據(jù)采集器Data Physics730、力錘、加速度傳感器、人造花崗巖試件、ME’scopeVES分析軟件、數(shù)據(jù)線、強(qiáng)力膠水。具體試驗(yàn)布置如圖5所示。

圖5 人造花崗巖復(fù)合材料試件的模態(tài)試驗(yàn)布置

3.1 模型建立

運(yùn)用ME’scopeVES繪圖工具，創(chuàng)建人造花崗巖復(fù)合材料試件(100 mm×100mm×300 mm)的懸臂梁模型，長(zhǎng)和寬均分成兩段，模型節(jié)點(diǎn)數(shù)量為18。在圖6所示的模型上，表面節(jié)點(diǎn)7是力錘敲擊點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)1～節(jié)點(diǎn)6是多向加速度傳感器檢測(cè)點(diǎn)。

圖6 人造花崗巖復(fù)合材料試件幾何模型

3.2 數(shù)據(jù)采集

本研究的采樣頻率為5 kHz，譜線數(shù)為3 200，加窗類(lèi)型為指數(shù)類(lèi)型，錘擊法測(cè)頻響用Stable方式，平均次數(shù)設(shè)為3次，可獲得較好的相干特性。觸發(fā)方式為輸入通道觸發(fā)，無(wú)跟蹤。數(shù)據(jù)采集器輸入通道1對(duì)應(yīng)的是力錘，方向?yàn)?Z，通道2、3、4分別對(duì)應(yīng)的是多向加速度傳感器的X﹑Y﹑Z方向，并且與懸臂梁模型上對(duì)應(yīng)檢測(cè)點(diǎn)的X﹑Y﹑Z方向一一對(duì)應(yīng)。圖7所示為數(shù)據(jù)采集器Data Physics730的界面設(shè)置。

圖7 Data Physics730軟件參數(shù)設(shè)置界面

圖8 力錘響應(yīng)信號(hào)

圖9 人造花崗巖復(fù)合材料加速度信號(hào)

圖8和圖9所示分別為力錘敲擊點(diǎn)的響應(yīng)信號(hào)和單一測(cè)點(diǎn)的加速度信號(hào)。為了更加直觀地了解人造花崗巖復(fù)合材料的抗振性能，本研究對(duì)相同尺寸的天然花崗巖材料試件和鑄鐵材料試件進(jìn)行了敲擊試驗(yàn)。圖10、圖11所示分別為相同結(jié)構(gòu)的天然花崗巖材料試件和鑄鐵材料試件的加速度信號(hào)。

圖10 天然花崗巖加速度信號(hào)

圖11 鑄鐵材料加速度信號(hào)

對(duì)比3種材料的加速度信號(hào)可知，人造花崗巖復(fù)合材料相對(duì)于天然花崗巖材料和鑄鐵材料，振動(dòng)衰減速度快很多。這也佐證了人造花崗巖復(fù)合材料更加適用于制作超精密機(jī)床、精密測(cè)量?jī)x器基礎(chǔ)件。

3.3 數(shù)據(jù)處理

將加速度傳感器拾取力錘敲擊點(diǎn)的響應(yīng)曲線導(dǎo)入ME’scopeVES分析軟件進(jìn)行擬合，并分析求解。通過(guò)觀察擬合后的力錘頻響函數(shù)FRF曲線(Frequency Response Function)，在選定的頻率范圍內(nèi)設(shè)定合適的頻率誤差、極值點(diǎn)個(gè)數(shù)，捕捉FRF峰值點(diǎn)。

表4為人造花崗巖復(fù)合材料試驗(yàn)?zāi)B(tài)的前5階固有頻率和試驗(yàn)阻尼比。

圖12為試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析所得前5階模態(tài)變形圖。

表4 試驗(yàn)?zāi)B(tài)結(jié)果

4 仿真計(jì)算與試驗(yàn)?zāi)B(tài)結(jié)果分析

根據(jù)人造花崗巖復(fù)合材料仿真計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)?zāi)B(tài)，4個(gè)影響因子對(duì)其固有頻率和阻尼比的影響如圖13-圖16所示。

由圖13-圖16可知，人造花崗巖復(fù)合材料各組分含量不同，其固有頻率和阻尼比也不相同。隨著細(xì)骨料增多，粗骨料減少，骨料間孔隙減小，密實(shí)度增大，材料的固有頻率和阻尼比逐漸降低；隨著環(huán)氧樹(shù)脂含量的增加，環(huán)氧樹(shù)脂本征阻尼特性更加突出，表現(xiàn)為材料的黏彈性和阻尼比增大，固有頻率降低；隨著稀釋劑含量逐漸增加，人造花崗巖復(fù)合材料變稀，固化強(qiáng)度降低，材料各組分間界面的黏接性降低，固有頻率降低，而阻尼比先降低后增大；固化劑含量逐漸增加，材料的固化速度增大，導(dǎo)致材料內(nèi)部孔隙未曾填充就已經(jīng)固化，骨料間存在較多的孔和材料缺陷，固有頻率和阻尼比先降低后增大。

(a)一階

(b)二階

(c)三階

(d)四階

(e)五階圖12 人造花崗巖復(fù)合材料各階模態(tài)試驗(yàn)與仿真變形圖

圖13 骨料級(jí)配對(duì)固有頻率和阻尼比的影響

圖14 環(huán)氧樹(shù)脂用量對(duì)固有頻率和阻尼比的影響

圖15 稀釋劑用量對(duì)固有頻率和阻尼比的影響

圖16 固化劑用量對(duì)固有頻率和阻尼比的影響

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)仿真計(jì)算和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析得到的固有頻率變化趨勢(shì)一致，振型相同。

(2)環(huán)氧樹(shù)脂和骨料級(jí)配對(duì)材料阻尼影響較大。

(3)骨料級(jí)配和固化劑對(duì)固有頻率影響較小，環(huán)氧樹(shù)脂和稀釋劑對(duì)固有頻率影響較大。

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(責(zé)任編輯：王長(zhǎng)通)

Research on the Preparation and Modal Properties of Artificial Granite Composites

QIAO Xue-tao， XU Hua-wei， YU He-chun， CHEN Chun-shan

(Zhongyuan University of Technology， Zhengzhou 450007， China)

In order to research on different ratio artificial granite composites modal properties, using orthogonal test method to produce a set of artificial granite composite materials with different ratio，simulated the material model by using finite element analysis software of ANSYS Workbench, and to confirming the simulation，under the help of Multi channel dynamic signal analysis system, a series of modal tests is made. By analyzing the results， it is found that the natural frequency and damping ratio are affected by the artificial granite materials. The following conclusions: (1) Simulation and experimental modal natural frequency obtained the same trend, the same modes; (2) Epoxy resin and aggregate grade have great influence on material damping; (3) Aggregate gradation and curing agent has little effect on the natural frequency, epoxy resins and diluents amount greater impact.

artificial granite；mixture ratio；modal analysis；natural frequency；damping ratio

2017-01-13

河南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(172102210586)；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(13A460131)；鄭州市科技攻關(guān)項(xiàng)目(153PKJGG132)

喬雪濤(1971-)，男，河南杞縣人，副教授，主要研究方向?yàn)榫?、超精密制造技術(shù)與裝備。

1671-6906(2017)01-0007-07

TH145

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2017.01.002