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粘弹阻尼层共固化复合材料的性能研究与优化设计

潘利剑  
【摘要】:近十几年的相关研究结果表明,共固化粘弹性阻尼层的使用是提高复合材料结构阻尼性能的一种有效途径。它是一种全新的阻尼处理方法,在成型复合材料的工艺过程中,直接将粘弹性阻尼材料作为特定的铺层嵌入到复合材料结构中去,并与复合材料共固化成型,在保证强度和刚度的前提下达到大幅度提高复合材料结构阻尼的目的,而且不易出现剥离现象。1996年,美国加利福尼亚大学与NASA合作已成功的将这一结构应用于涡流推进器的叶片上。国内对这一新型共固化复合材料亦给予了极大的关注,对其在卫星结构上的应用正在进行预研。 由于温度和频率是粘弹性阻尼材料的阻尼与力学性能两个重要影响因素,所以当将粘弹性阻尼材料作为特殊的铺层插入到复合材料结构当中,势必导致工作环境温度和振动载荷频率对共固化复合材料的阻尼与力学性能产生较大影响。 目前,对于粘弹阻尼层共固化复合材料阻尼性能的预报大都采用模态应变能法(MSE),然而这一方法预报的损耗因子为结构以各阶固有频率自由振动的阻尼性能。由于实际结构在简谐激励下的稳定响应频率为激振频率,而不是结构的固有频率。因此,采用模态应变能法预报出的各阶模态损耗因子,难以准确描述结构在实际工作中的阻尼性能。本文基于分析结构阻尼的模态应变能法(MSE)与分析结构振动响应的模态叠加法,建立了粘弹阻尼结构在实际振动频率下的损耗因子预报方法,并对载荷频率为1Hz不同温度下粘弹阻尼层共固化复合材料结构的损耗因子进行预报,预报结果与实验结果基本吻合,从而验证了这一方法的有效性。 现有关于粘弹阻尼层共固化复合材料的研究,主要集中于静态力学性能的分析,难以考察温度和载荷频率对其力学性能的影响。而动态力学特性能描述接近实际使用条件下材料的力学特性。研究动态力学,可提供设计参数,使复合材料结构设计更为先进、合理、安全和经济。本文即采用动态力学热分析(DMTA)技术研究了粘弹性阻尼层共固化复合材料的动态力学性能规律并与纤维增强树脂基复合材料进行了比较。结果发现,粘弹性阻尼层的插入使得复合材料的动态力学性能发生显著变化,其动态力学性能温度谱与粘弹性材料相似,且在粘弹性阻尼材料的玻璃化转变温度( Tg )附近亦出现阻尼峰值,且在所测试的温度范围内是纤维增强树脂基复合材料的2.5~13倍左右。 将粘弹性阻尼材料作为特殊的铺层插入到复合材料结构中并与复合材料共固化成型,粘弹性阻尼材料同样经历复合材料的固化周期。在这一过程中,复合材料固化温度和压力以及树脂的渗透,将导致粘弹性阻尼材料性能的变化,并最终导致整个共固化复合材料性能的变化。目前,国内外对于这一方面的研究相对很少。本论文利用扫描电子显微镜结合冷场发射扫描电子显微镜证实了共固化对阻尼材料的影响,并采用采用动态力学热分析(DMTA)技术研究了复合材料共固化对粘弹性阻尼材料动态力学性能的影响。结果发现,复合材料共固化使粘弹性阻尼材料的阻尼性能整体下降,而刚度整体增大,其主要原因为共固化过程中树脂的渗透,而固化温度和压力对粘弹性阻尼层的阻尼性能影响相对很小。 已有研究结果表明,虽然共固化粘弹性阻尼层的插入基本不影响复合材料结构的拉伸刚度与强度,但是对复合材料结构的弯曲刚度和强度以及层间剪切强度影响较大,在很多应用领域无法满足结构整体设计的要求。已有相关研究人员虽然提出了对阻尼层进行穿孔,可使得树脂在穿孔处保持胶联,这样提高了共固化复合材料的弯曲刚度,但是却减小了阻尼性能。弯曲刚度和阻尼性能之间的矛盾,使得阻尼层穿孔面积的大小难以确定。本论文研究了粘弹性阻尼层穿孔面积率对粘弹阻尼层共固化复合材料结构的阻尼与弯曲刚度的不同影响。采用统一目标函数法,以粘弹阻尼层共固化复合材料结构的损耗因子与弯曲弹性模量为子目标函数,建立了共固化粘弹阻尼层穿孔面积率的优化设计方法,为穿孔粘弹阻尼层共固化复合材料的弯曲刚度和阻尼性能的协调设计提供参考。


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