楊 坤 葉開(kāi)富 張 瑋 杜 度

(中國(guó)人民解放軍92578部隊(duì) 北京 100161)

0 引 言

復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)典型形式為“三明治”結(jié)構(gòu)，近年來(lái)，出現(xiàn)“正交加筋(方形蜂窩)不連續(xù)離散金屬?gòu)?qiáng)結(jié)構(gòu)+不連續(xù)空間填充阻尼材料”的芯層結(jié)構(gòu)形式，與上下面板復(fù)合材料層合板膠接復(fù)合，形成一種填充型正交加筋復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，較金屬蜂窩板、復(fù)合材料三明治夾層結(jié)構(gòu)等，具備更好的剛度、阻尼性能、防腐蝕等特性，加上復(fù)合材料先天的輕質(zhì)高強(qiáng)和鋪層可設(shè)計(jì)性，使得其在船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物的減振設(shè)計(jì)中采用越來(lái)越廣泛.

正交加筋?yuàn)A層板作為該型結(jié)構(gòu)最典型、最基礎(chǔ)的形式，不少學(xué)者對(duì)其動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究[1-3]，主要采用等效參數(shù)法理論求解研究和數(shù)值仿真研究，Liu等[4]通過(guò)建立正交加筋?yuàn)A層板解析計(jì)算模型，求解了正交加筋?yuàn)A層板的彎曲、屈曲和振動(dòng)問(wèn)題.劉均等[5]考慮正交加筋的離散特性，建立了正交加筋?yuàn)A層板的自由振動(dòng)計(jì)算模型.考慮加筋的拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及加筋的慣性影響，Xin等[6]建立了正交加筋?yuàn)A層板的振動(dòng)和聲輻射解析模型，并得到了級(jí)數(shù)解.針對(duì)正交加筋?yuàn)A層板的屈曲、抗沖擊問(wèn)題，也有學(xué)者開(kāi)展了試驗(yàn)研究[7]，可見(jiàn)文獻(xiàn)中，僅Russell等[8]研究的對(duì)象與填充型正交加筋復(fù)合材料夾層板最為接近，并通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算研究了填充吸能芯材、碳纖維復(fù)合材料正交加筋、碳纖維復(fù)合材料面板構(gòu)成的填充型正交加筋復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的沖擊問(wèn)題.

目前，還尚未見(jiàn)填充型正交加筋復(fù)合材料夾層板動(dòng)力學(xué)響應(yīng)問(wèn)題有關(guān)研究報(bào)道，其相關(guān)振動(dòng)響應(yīng)特征和影響機(jī)理尚不可知，本文通過(guò)制備多種對(duì)比試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析多種模型的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特征和影響規(guī)律.

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)與制備

設(shè)計(jì)四個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，具體是正交加筋鋼質(zhì)夾層板，模型1，稱為鋼質(zhì)夾層板，具體尺寸見(jiàn)圖1；以圖2鋼質(zhì)正交加筋為芯層，上下面板采用玻璃纖維復(fù)合材料，通過(guò)螺栓連接的模型2，稱為玻纖夾層板；以圖2鋼質(zhì)正交加筋為芯層，上下面板采用碳/玻混雜纖維面板，通過(guò)螺栓連接的模型3，稱為混雜纖維夾層板；在模型3芯層間隙中填充阻尼材料為模型4，稱為填充型夾層板.圖1～2中最右側(cè)一格尺寸范圍內(nèi)為試驗(yàn)邊界固定區(qū)域.

圖1 鋼質(zhì)夾層板尺寸

圖2 模型2，3，4的鋼質(zhì)正價(jià)加筋芯層尺寸

圖3為試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，3，4的鋼質(zhì)正交加筋芯層，圖4為厚度均為4 mm的玻纖復(fù)合材料層合板和碳/玻混雜纖維復(fù)合材料層合板(黑色)，其中，碳/玻混雜纖維復(fù)合材料層合板碳纖維沿較長(zhǎng)邊方向鋪設(shè)，玻纖沿較短邊方向，鋪層全為0°；玻纖復(fù)合材料層合板采用E800多軸向布，圖3～4可較為清晰地看出螺栓連接孔.

圖3 鋼質(zhì)正交加筋芯層

圖4 兩種復(fù)合材料層合板

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備和試驗(yàn)過(guò)程

2.1 試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)

圖5為試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D，各試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛫A層板采用上下兩塊工裝板螺栓緊固夾持，底座用螺栓安裝于桁架平臺(tái)，圖6為工裝及桁架安裝現(xiàn)場(chǎng)，圖中左下方的螺栓用于鎖緊夾層板.

圖5 試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b示意圖

圖6 工裝實(shí)物

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

針對(duì)四個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)力學(xué)響應(yīng)激振試驗(yàn)，由于錘擊激勵(lì)力在較高頻段能量譜密度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，難以激起正交加筋?yuàn)A層板板格的高頻局部振動(dòng)，模態(tài)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)僅采集反映較低頻段內(nèi)結(jié)構(gòu)整體模態(tài)的響應(yīng)信號(hào)，加速度測(cè)點(diǎn)布置在加筋交叉處，方向垂直于板面，見(jiàn)圖7(右端為固支端).圖8為試驗(yàn)?zāi)Ｐ图ふ裨囼?yàn)動(dòng)響應(yīng)測(cè)點(diǎn)布置圖，測(cè)點(diǎn)1(F)為激振點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)5，6，8和10用以采集板格局部振動(dòng)信號(hào)，其他加筋交叉處測(cè)點(diǎn)采集反映結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)的振動(dòng)信號(hào).

圖7 模態(tài)測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置

圖8 動(dòng)響應(yīng)測(cè)點(diǎn)布置

2.3 模態(tài)試驗(yàn)

模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)包括力錘、加速度傳感器、信號(hào)采集器、級(jí)聯(lián)設(shè)備、采集計(jì)算機(jī)等；激振試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、激振器、力和加速度傳感器、信號(hào)采集器、計(jì)算機(jī)、信號(hào)發(fā)生器等設(shè)備[9-10].

模態(tài)試驗(yàn)加速度傳感器膠接固定于結(jié)構(gòu)表面，分4個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行模態(tài)試驗(yàn).后進(jìn)行4個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛣?dòng)響應(yīng)測(cè)試，激振器采用彈性吊裝方式，結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)激勵(lì)信號(hào)采用白噪聲，采集頻率范圍5～1 000 Hz.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 模態(tài)分析

四個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ颓?階固有頻率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，圖9為鋼質(zhì)夾層板前2階模態(tài)振型，1階模態(tài)呈現(xiàn)懸臂一階整體偏振，2階則為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，為其他模型模態(tài)振型與之基本相同.

表1 固有頻率測(cè)試結(jié)果 Hz

圖9 鋼質(zhì)夾層板模態(tài)振型

由表1可知，填充型夾層板由于剛度較鋼質(zhì)夾層板小且質(zhì)量稍大，導(dǎo)致首階固有頻率低2.6 Hz，約為14%，2階模態(tài)頻率差距受剛度和質(zhì)量影響更明顯；由于玻纖夾層板面板復(fù)合材料主方向彈性模量較混雜纖維夾層板要小，在兩型夾層板質(zhì)量基本相當(dāng)(各自面板質(zhì)量遠(yuǎn)小于鋼質(zhì)正交加筋芯層)的前提下，剛度因素起主要作用，導(dǎo)致玻纖夾層板首階固有頻率小于混雜纖維夾層板；填充芯材使得填充型夾層板結(jié)構(gòu)重量增加，但對(duì)剛度增加卻不明顯，使得其較碳/玻纖維夾層板首階固有頻率低6%.

3.2 動(dòng)響應(yīng)分析

圖10為鋼質(zhì)夾層板和填充型夾層板典型測(cè)點(diǎn)的加速度頻響曲線，測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)9代表夾層板對(duì)稱線上的振動(dòng)，測(cè)點(diǎn)5代表板格振動(dòng)，測(cè)點(diǎn)14處于夾層板自由端，代表夾層板最大振動(dòng)響應(yīng).

圖10 部分測(cè)點(diǎn)加速度頻響曲線

由圖10可知：①所有測(cè)點(diǎn)前二階共振峰值與模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果均能對(duì)應(yīng)，由于測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)9處在夾層板二階共振(f=79.2 Hz)模態(tài)振型駐線上，理論上結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)為零，振動(dòng)響應(yīng)非常小，其他測(cè)點(diǎn)在該頻率處有明顯響應(yīng)峰值；②在測(cè)試頻段范圍內(nèi)，相比鋼質(zhì)夾層板，填充型夾層板的共振峰數(shù)目較少，響應(yīng)幅值也要小很多；③填充型夾層板不同部位首階響應(yīng)峰值較鋼質(zhì)夾層板均略小，因?yàn)樵诘皖l段處于質(zhì)量控制區(qū)，填充型夾層板質(zhì)量略大于鋼質(zhì)夾層板，導(dǎo)致響應(yīng)僅僅偏小一點(diǎn)，隨著頻率升高，逐漸進(jìn)入阻尼控制區(qū)，填充材料對(duì)板格的剛度支撐和阻尼消峰作用，使得填充型夾層板減振消峰作用更明顯，響應(yīng)普遍小于鋼質(zhì)夾層板，特別是，測(cè)點(diǎn)5板格振動(dòng)響應(yīng)差異最為明顯.

圖11為玻纖夾層板、混雜纖維夾層板和填充型夾層板分別代表夾層板整體響應(yīng)和板格響應(yīng)的典型測(cè)點(diǎn)頻率響應(yīng)對(duì)比曲線.

圖11 三種復(fù)合材料夾層板典型測(cè)點(diǎn)頻率響應(yīng)曲線

在低頻段，填充芯材對(duì)夾層板板格振動(dòng)的抑制作用體現(xiàn)還不明顯，因結(jié)構(gòu)低頻段呈現(xiàn)整體響應(yīng)，隨著頻率升高，未填充芯材的兩種夾層板的板格振動(dòng)(測(cè)點(diǎn)5)較整體振動(dòng)(測(cè)點(diǎn)4)幅值大且共振峰數(shù)目多，填充型夾層板卻很好地抑制了這種板格局部振動(dòng).測(cè)點(diǎn)4位于螺栓附近而測(cè)點(diǎn)5位于正交加筋板格中間，即使模型2和模型3不能實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料面板和鋼質(zhì)正交加筋芯層界面的完全結(jié)合，試驗(yàn)結(jié)果仍較好地展現(xiàn)了填充型夾層板較無(wú)填充夾層板在抑制高頻振動(dòng)方面(包括整體和局部振動(dòng))所具備的優(yōu)勢(shì).

圖12為四種夾層板自由端測(cè)點(diǎn)12的頻率響應(yīng)曲線.

圖12 夾層板測(cè)點(diǎn)12頻率響應(yīng)曲線

由圖12可知，四種夾層板首階共振峰值大小依次為：混雜纖維夾層板>鋼質(zhì)夾層板>玻纖夾層板>填充型夾層板，主要是因?yàn)榛祀s纖維夾層板剛度較鋼質(zhì)夾層板要小，且阻尼性能較差，所以其響應(yīng)最大；玻纖夾層板剛度雖然最小，但由于其玻纖面板阻尼性能較碳/?；祀s纖維面板要好，其響應(yīng)峰值相對(duì)較?。浑m然鋼質(zhì)夾層板阻尼性能最差，可其剛度和重量都較大，響應(yīng)峰值在混在纖維夾層板和玻纖夾層板之間；填充型夾層板由于同時(shí)具備較好的剛度和阻尼性能，且其重量最大，其峰值響應(yīng)在所有夾層板中最小，首階共振峰值大幅降低.

表2為四種夾層板各測(cè)點(diǎn)的平均加速度級(jí).

表2 各夾層板平均加速度級(jí) dB

由表2可知，在整個(gè)測(cè)試頻段范圍內(nèi)，響應(yīng)大小順序?yàn)椋夯祀s纖維夾層板>玻纖夾層板>鋼質(zhì)夾層板>填充型夾層板，填充型夾層板平均加速度級(jí)最小，較相應(yīng)未填充夾層板降低約28 dB，較鋼質(zhì)夾層板降低7.6 dB.結(jié)合填充型夾層板重量?jī)H較鋼質(zhì)夾層板重量增加約20%，結(jié)構(gòu)剛度減小約16%，卻得到降低7.6 dB的減振效果，有力說(shuō)明了工程承載結(jié)構(gòu)若采用復(fù)合材料和高分子材料進(jìn)行減振設(shè)計(jì)，可考慮這種“鋼質(zhì)正交加筋芯層確保結(jié)構(gòu)主要?jiǎng)偠龋姘宀捎锰??；祀s纖維復(fù)合材料同時(shí)保證質(zhì)量較輕且剛度不大幅下降，加筋間隔填充阻尼材料保證結(jié)構(gòu)高頻振動(dòng)抑制效果“的設(shè)計(jì)思路.

4 結(jié) 論

1) 填充型夾層板重量較鋼質(zhì)夾層板大，剛度小，其首階模態(tài)頻率低約14%.

2) 填充型夾層板較無(wú)填充復(fù)合材料夾層板和鋼質(zhì)夾層板具備對(duì)高頻振動(dòng)更優(yōu)異的抑制能力，包括結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)和局部響應(yīng)，平均加速度級(jí)最小，較鋼質(zhì)夾層板降低7.6 dB.

3) 相比其他三型夾層板結(jié)構(gòu)，由于填充型夾層板具備最優(yōu)異的阻尼性能，同時(shí)其重量又最大，其首階共振峰值響應(yīng)最小，較其它三者大幅降低.