夹芯复合材料阻尼性能的研究进展

随着航空航天轻质高速化和精密仪器设备自动化的发展,振动问题日益凸显.夹芯复合材料比强度高、比模量大、减振性能优良,兼具结构和功能一体化的特性,成为航空航天领域研究的热点.从复合材料基体、增强体、界面3个方面阐述了复合材料的减振机理,介绍了目前研究热门的夹芯结构以及芯材、面板、结合界面及其相互作用对阻尼性能的影响规律,概述了夹芯复合材料阻尼改性的研究现状,最后对夹芯复合材料阻尼的研究方向进行了展望.     

夹芯复合材料结构阻尼特性研究

从粘弹性材料的本构关系出发,应用复特征值理论推导了夹芯复合材料结构阻尼的计算方法;同时基于能量损耗原理和阻尼的产生机理,研究了夹芯复合材料结构阻尼计算的模态应变能方法;提出了两种承载/减振夹芯复合材料结构模型,应用动态力学热分析方法测量了芯材的阻尼参数;应用两种阻尼计算理论和有限元数值分析相结合的方法研究了两种夹芯结构模型的损耗因子,并与试验结果进行了比较;分析了夹芯厚度对结构损耗因子的影响.     

复合材料面板对筒型基座整体抑振机制影响规律研究

提出一种新型复合材料筒型基座结构形式，其面板采用夹芯结构设计；通过系统阻抗特性分析理论预测面板结构及材料参数对基座减振性能的影响规律；针对夹芯面板开展静/动力学特性试验；以振级落差为减振效果评价指标，通过激振试验研究了面板结构参数对基座抑振机制的影响规律。研究结果表明：在频段 ，夹芯面板刚度能有效控制基座减振性能，随着频率的增加，面板刚度抑振机制减弱，阻尼高频损耗抑振机制增强；夹芯面板芯材厚度的增加对基座高频抑振性能优于表层厚度增加；面板对基座减振耗能贡献高于环壁间阻尼芯材。     

阻尼夹芯复合材料加筋板的振动分析与数值模拟

以阻尼夹芯复合材料加筋板为研究对象,依据一阶剪切变形理论(FSDT)和Hamilton原理,推导板和加强筋的应变能、动能表达式,采用变分原理建立控制微分方程,根据相关边界条件和傅里叶级数求解方程。建立了ANSYS阻尼夹芯复合材料加筋板的有限元模型,该模型考虑到阻尼夹芯复合材料加筋板中阻尼材料与纤维预浸料间的结合方式,用模态应变能有限元数值模拟方法研究了结构的动力学性能,并通过对数值模拟结果与理论解的比较,验证了模型的合理性和有效性。探讨了不同的筋条尺寸、不同的筋条数量、不同的筋条分布方式对阻尼夹芯复合材料加筋板动力学性能的影响,得出了阻尼夹芯复合材料加筋板的一阶模态频率和损耗因子随不同参数的变化曲线,其结论为阻尼夹芯复合材料加筋板的优化设计提供参考。     

复合材料夹芯圆柱壳水下振声性能试验研究

为了评估复合材料夹芯圆柱壳的振动和声辐射特性,专门设计了一个复合夹芯圆柱壳模型以及一个等质量的钢壳作为对比模型,进行水下振动和声辐射试验。试验结果表明:吸声壳和钢壳前七阶固有频率测试值与有限元仿真结果吻合较好,说明了实验结果的可靠性。钢壳和复合材料壳频响测试曲线与数值仿真结果在低频段的吻合程度更高,且钢壳频响测试曲线与有限元计算曲线吻合程度优于复合材料夹芯壳。从复合材料夹芯壳的减振效果来看,试验测试平均减振18.3 dB,数值计算结果平均减振18.9 dB,说明该芯材壳体具有良好的阻尼性能。从复合材料夹芯壳低频段的吸声效果来看,八个方位角处声压级最大降幅为5.05 dB,平均降幅为2.28 dB,表明该复合材料夹芯圆柱壳能够有效抑制低频线谱噪声。     

玻璃纤维芯铅丝增强橡胶复合材料阻尼性能研究

本文根据材料性能互补原理,结合阻尼减振机制,设计并制备了一种(金属/无机纤维/橡胶)三元阻尼材料-玻璃纤维芯铅丝增强橡胶复合材料(GF/Pb/R).研究了具有不同界面结合强度(弱、中等、强结合)的GF/Pb/R在-30℃～50℃、5Hz和27℃、1～50Hz两种条件下的存储模量和阻尼性能.结果表明,三种复合材料的力学性能均比橡胶高,其刚度随界面结合强度提高而提高;复合材料损耗因子按照界面弱结合、强结合和中等强度结合的顺序降低,其阻尼性能随温度的变化比橡胶平缓.     

夹芯结构的设计及制备现状

由于夹芯结构具有比强度高、比模量大等众多优点,目前被广泛应用在航空航天等领域.从面板、芯子和面芯界面加强技术等三个方面对夹芯结构的设计和制备现状进行了介绍.重点对蜂窝夹芯结构、泡沫夹芯结构、点阵夹芯结构、格栅夹芯结构和整体夹芯结构等的设计和制备工艺以及为了提高面芯界面结合强度而不断被提出的包括Z-Pin,Stitch和Embedding等在内的面芯界面增强工艺进行了较为系统的介绍.     

热塑性复合材料夹芯结构熔融连接研究进展

面芯界面性能是复合材料夹芯结构发挥其力学/多功能优势的关键,热塑性树脂具有可熔融再造的特点,使热塑性复合材料夹芯结构(TPCSS)可在不引入新材料的前提下,形成连续可靠的面芯界面。对近年来热塑性复合材料夹芯结构熔融连接研究进展进行了梳理,总结了常见构型与所用材料,重点归纳了主要的熔融连接方法,包括热板焊接、模压成型、连续热压、面芯共编和增材制造等。基于国内外研究和应用现状,展望了熔融连接热塑性复合材料夹芯结构的未来发展趋势和应用前景。     

树脂基复合材料环形减振器设计及实验研究

为了满足航空航天等特殊环境阻尼减振的需要,利用树脂基复合材料质量轻、比强度和比模量高、力学性能具有可设计性等特点,开发研制了树脂基复合材料环形减振器,揭示了减振机理,设计了减振器结构,对影响减振器性能的主要几何参数和性能指标进行了动静态实验研究.获得了该减振器的弹性迟滞回线和最大振动应力幅值,为实际应用提供了理论依据.研究结果表明:该减振器具有良好的减振性能,改变其纤维走向、减振环数量及主要几何参数,可以使减振器具有不同性能,以满足不同工况的需要.     

泡沫金属复合材料的研究进展EI北大核心CSCD

泡沫金属复合材料是一种轻质复合材料,具有低密度、高强度、高屏蔽性能、高阻尼性能等特性,其在航空航天、钻井隔水管浮筒、人工骨等多个领域具有广泛的应用前景,备受人们关注。本文通过对现有文献的研究,介绍了泡沫金属复合材料的制备方法,深入分析泡沫金属复合材料的显微结构对其性能的影响,综述了材料的力学性能、阻尼性能、屏蔽性能、隔热等性能和机制的进展以及其在相关领域的应用,为未来泡沫金属复合材料的开发提供一定的理论依据,并对其新制备工艺、建模研究、夹芯结构以及高性能泡沫空心球的制备等研究方向进行展望。     

Core material effect on wave number and vibrational damping characteristics in carbon fiber sandwich composites

A sandwich composite is typically designed to possess high bending stiffness and low density and consists of two thin and stiff skin sheets and a lightweight core. Due to the high stiffness-to-weight and strength-to-weight ratios, sandwich composite materials are widely used in various structural applications including aircraft, spacecraft, automotive, wind-turbine blades and so on. However, sandwich composite structures used in such applications often suffer from poor acoustic performance. Ironically, these superior mechanical properties make the sandwich composites “excellent” noise radiators. There is a growing interest in optimizing and developing a new sandwich composite which will meet the high stiffness-to-weight ratio and offer improved acoustic performance. The focus of this study is to investigate the structural–vibrational performance of carbon-fiber face sheet sandwich composite beams with varying core materials and properties. Core materials utilized in this study included Nomex and Kevlar Honeycomb cores, and Rohacell foam cores with different densities and shear moduli. The structural–vibrational performance including acoustic and vibrational damping properties was experimentally characterized by analyzing the wave number response, and structural damping loss factor (η) from the frequency response functions, respectively. It was observed that the relationship between the slopes of the wave number data for frequencies above 1000 Hz is inversely proportional to the core material’s specific modulus (G/ρ). The analysis also showed the importance of using a honeycomb core’s effective properties for equal comparison to foam-cored sandwich structures. Utilizing analytical modeling, the loss factors of the core materials (β) was determined based upon the measured structural loss factors (η) for a frequency range up to 4000 Hz. It was determined that low shear modulus cores have similar material damping values to structural damping values. However as the core’s shear modulus increases, the percent difference between these values is found to increase linearly. It was also observed that high structural damping values correlated to low wave number amplitudes, which correspond to reductions in the level of noise radiation from the structure.     

退火工艺对Al/Mg/Al复合板界面结合与阻尼性能的影响

研究了Al/Mg/Al三明治结构复合板的退火热处理工艺,探讨了退火温度、时间对复合界面和阻尼性能的影响。结果表明:退火使得Mg层中的孪晶及变形组织消失,晶粒明显长大,且可以促进Al-Mg界面原子的相互扩散。随着退火温度的升高,界面效应对复合板的阻尼性能影响由不利转变为有利,在250℃下随着退火时间的延长,复合板的阻尼性能有一定的提高。综合复合板的组织与性能要求,得到Al/Mg/Al复合板的最佳退火工艺为250℃×2h,在应变振幅为5×10~(-4)下复合板的阻尼值Q~(-1)达0.045。     

层压减振复合钢板的拉伸剪切特性

本文选用1.67×10-2、1.67×10-3、1.67×10-4、1.67×10-5s-1四种形变速率,在20～150℃试验温度范围内研究了用酚醛树脂氯丁胶作夹层的层压减振复合钢板的拉伸剪切特性。结果指出,在较低温度和较高形变速率下,层压减振复合钢板具有较高的拉伸剪切强度,其破坏形态呈高聚物撕裂和界面破坏的混合破坏特征;在80℃附近,拉伸剪切强度最低,其破坏形态为具有滑移特征的高聚物内聚破坏;在80～150℃温度范围内,随温度升高,拉伸剪切强度增加,这是由于高聚物夹层材料中的氯丁橡胶发生了交联反应的缘故。     

阻尼层合板中波传播性能研究

最近许多约束阻尼复合结构的研究中,阻尼层一般都选用粘弹性材料,由于粘弹性材料的刚度一般远小于约束层和基层的刚度,所以大部分研究都在计算和建模时,忽略粘弹材料的弯曲刚度,而不考虑阻尼层的外延和弯曲变形的影响。应用高阶理论研究了敷设具有一定刚度的蜂房型粘弹性材料的约束阻尼层合板结构动力学方程,探讨了复合层合板梁在振动情况时材料的弯曲刚度,剪切刚度对弯曲波在复合梁中传播的能量损耗影响,以及各层厚对层合板梁的阻尼性能的影响。     

Effect of core thickness on wave number and damping properties in sandwich composites

Due to their higher strength-to-weight and stiffness-to-weight ratios compared to metals, fiber reinforced composite materials are a great alternative for use in many structural applications. However these properties lead to poor acoustic performance as composite materials are excellent noise radiators. This is particularly true for sandwich composite structures. Therefore the focus of this study is to investigate the effect of a core thickness change on the vibrational properties of Rohacell foam/carbon-fiber face sheet sandwich composite beams. Four different foam core thicknesses were explored, using a combination of experimental and analytical methods to characterize sound and vibrational properties of the sandwich beams. First, the wave number responses of the beams were obtained, from which coincidence frequencies were identified. Second, from the frequency response functions the structural damping loss factor, η, was determined using the half-power bandwidth method. Experimental and analytical results show that the relationship between core thickness and coincidence frequency is non-linear. A drastic increase in coincidence frequency was observed for the sandwich beam with the thinnest core thickness due to the low bending stiffness. Moreover this low bending stiffness results in low damping values, and consequently high wave number amplitude responses at low frequency ranges (<1000 Hz).     

复合材料褶皱夹芯结构研究进展

复合材料褶皱夹芯结构是通过二维材料折叠而成的三维周期性空间结构,作为一种新型的夹芯结构,具有轻质、高比强度、高比刚度、芯子空间贯通及多功能潜力等优势。本文结合飞行器结构轻量化和多功能化要求,对近年来复合材料褶皱夹芯结构的主要研究成果与特点进行了总结和分析。阐述了复合材料褶皱夹芯结构的构型优化方案及制备工艺,重点归纳了复合材料褶皱夹芯结构的力学性能及多功能的研究现状,包括结构的准静态力学性能、抗冲击性能及隔声、热防护、隐身性能等。基于国内外研究现状,对未来复合材料褶皱夹芯结构的重点研究方向进行了展望。      

A study on material damping of 0° laminated composite sandwich cantilever beams with a viscoelastic layer

The damping behavior of a 0° laminated sandwich composite beam inserted with a viscoelastic layer is investigated. A quantitative analysis of damping in the sandwich laminated composite beam has been conducted through the theoretical method. Results showed that the viscoelastic core thickness in the sandwich beam and the length of the beam have a great effect on the damping loss factor. They also demonstrate the great capability of laminated sandwich composites with embedded viscoelastic layer to considerably enhance structural damping. It is shown that the extended Ni–Adams’ theory can be efficiently used to identify the damping characteristics of the laminated sandwich composite beam.     

新型装配式金属消能减震复合墙板抗震性能试验研究

为了研究新型预制装配式金属消能减震复合墙板的抗震性能,分别对新型预制装配式复合墙板以及传统夹心墙板进行了低周反复加载试验,对比研究了试件的破坏模式、滞回耗能性能、承载力与刚度、位移延性等变化。研究表明:新型预制金属消能减震复合墙板滞回曲线呈现"平行四边形",相对于传统复合墙板较为饱满,具有良好的抗震性能;相比于传统夹心复合墙板主要在墙板中部出现X形剪切裂缝,新型预制装配式金属消能复合墙板裂缝主要在墙板角部出现,具有良好的整体性能;新型预制装配式金属消能减震复合墙板具有较小的侧向刚度、较好的位移延性,能够降低围护墙板附加刚度约束效应;新型预制装配式金属消能减震墙板能够达到"小震下处于弹性,大震下屈服耗能"抗震设计目标。