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蜂窝夹芯复合材料结构-阻尼性能研究及优化设计

【摘要】:相较于金属材料,蜂窝夹芯复合材料具有相对较高的阻尼性能、较低的体密度以及较高的比刚度和比强度,被广泛应用于航空航天、轨道交通、船舶、汽车及包装等质量敏感的领域。在蜂窝夹芯复合材料相对优异的性能中,阻尼性能在改善振动与噪声问题以提高舒适性以及在改善抗低速冲击与耐疲劳等性能以提高使用安全性方面起着重要作用。因此,探究蜂窝夹芯复合材料阻尼机理、改善其结构-阻尼性能有助于推进蜂窝夹芯复合材料在上述领域的应用。在分析蜂窝夹芯复合材料阻尼机理的基础之上,本文的目的是开展蜂窝夹芯复合材料阻尼处理方案的探索及优化设计,从而获得对蜂窝夹芯复合材料的结构-阻尼性能改进有指导意义的结构设计策略。蜂窝芯的基础阻尼参数是开展上述工作的重要基础。虽然蜂窝芯在工业中已有几十年的应用历史,却鲜有工作报道蜂窝芯的频率依赖的阻尼系数。蜂窝芯相对较软,难以自支撑,其频率依赖的阻尼值难以通过实验测试的方式直接获取。此外,蜂窝夹芯复合材料阻尼处理及优化设计所需的工作量大,采用纯实验的方法难于进行高效率的探究。随着计算机技术的迅速发展,数值计算方法打破了上述实验研究的局限性。基于此,本文采用了实验研究与数值计算相结合的方法,借助实验验证的有限元模型,同时结合比较成熟的优化算法,探究适用于蜂窝夹芯复合材料的结构-阻尼性能改进的策略。主要研究内容、结果及结论如下:首先,基于实验/数值混合法,由铝蒙皮/芳纶蜂窝夹芯结构的模态参数逆推获得不同规格蜂窝芯的频率依赖的横向剪切模量和阻尼系数。然后,通过对比不同蜂窝夹芯梁和蜂窝夹芯板的实测与计算模态参数来验证这些参数的可靠性。在此基础之上,开展相应的关键影响因素和阻尼机理的分析。对于蜂窝芯的横向剪切模量,结果显示其表现出较强的频率依赖性,随着频率的增加呈现近似对数函数的上升趋势。此外,关键影响因素(浸胶量及孔格边长)的分析结果表明:蜂窝芯横向剪切模量随着浸胶量(酚醛树脂厚度)的增加而快速提高,而孔格边长(体密度不变)对其影响却小得多。对蜂窝芯进行理想化假设,即假设酚醛树脂均布于芳纶纸两侧,推导得到的蜂窝芯横向剪切模量与其体密度呈现较好的线性相关性,该关系式的斜率取决于酚醛树脂的比剪切模量,与蜂窝芯的孔格边长无关。这意味着具有高比剪切模量酚醛树脂的蜂窝芯的横向剪切模量对其体密度更加敏感。蜂窝芯的横向剪切阻尼系数同样随着频率的增大呈近似对数函数的上升趋势。孔格边长相同、酚醛树脂厚度不同的蜂窝芯的阻尼系数对比显示:芳纶蜂窝芯的阻尼系数随着酚醛树脂厚度的增大而逐渐下降,但是下降的程度相对较小。体密度相同、孔格边长不同的蜂窝芯的阻尼系数对比表明:本文所探究的芳纶蜂窝芯中芳纶纸和酚醛树脂的阻尼值是相当的,而界面相的阻尼值则相对较大;此外,界面相在不同取向蜂窝芯形变中的能耗贡献差异是造成芳纶蜂窝芯的正交各向异性阻尼行为的重要原因。在获得上述实验验证后的蜂窝芯的横向剪切模量和阻尼参数之后,以数值计算为主,从结构(蜂窝芯取向、蒙皮取向、蜂窝芯与蒙皮厚度比和贯穿脱胶)以及材料的角度开展了蜂窝夹芯复合材料的结构-阻尼性能的关键影响因素分析。蜂窝芯取向对蜂窝夹芯复合材料的低阶弯曲和高阶扭转模态损耗因子有较大的影响(蜂窝芯取向从0°到90°,首阶弯曲模态损耗因子增加16.5%,第三阶扭转模态损耗因子减小12.8%)。相对于扭转模态,单向复合材料蒙皮的取向对蜂窝夹芯复合材料弯曲模态参数的影响相对较大,在取向角为30°时,蜂窝夹芯复合材料能够获得相对较高的弯曲模态损耗因子。当蜂窝芯与蒙皮厚度比为10~15时,所研究的蜂窝夹芯复合材料能够获得相对较优的综合性能。脱胶的出现提升了蜂窝夹芯复合材料的平均模态损耗因子并使其平均固有频率有所降低。值得注意的是,受具体的脱胶位置及模态振型的影响,平均模态损耗因子的提升幅度与脱胶程度并未表现出正相关的关系。整体而言,蜂窝夹芯复合材料的阻尼性能由各组分阻尼系数及应变能占比决定,在试样几何尺寸一定时,蒙皮与蜂窝芯的应变能占比进一步取决于形变中受力方向上蒙皮面内弹性模量与蜂窝芯横向剪切模量的差异。在明晰蜂窝芯及蜂窝夹芯复合材料的阻尼机理之后,分别以减振和脱胶识别为例直观展示了蜂窝夹芯复合材料的结构-阻尼性能(模态参数)的应用。已有较多文献报道了采用振动基的方法对夹芯结构进行脱胶识别。然而,上述工作的研究对象基本均为单侧脱胶的夹芯结构,且在脱胶定位和范围识别之前预先设定了脱胶出现在哪一侧(比如上蒙皮和蜂窝芯之间)。本文针对两侧脱胶的蜂窝夹芯复合材料,提出了下述的两步法脱胶识别策略:首先对自由边界下的蜂窝夹芯复合材料进行全局识别,对潜在的脱胶区域进行初步定位;然后在潜在脱胶区域边界上施加局部约束,从而迅速提高蜂窝夹芯结构的系统刚度,增大脱胶处蒙皮在整体模态振型中的相对振幅。结果显示:在假设不知脱胶出现在哪一侧的前提下,上述策略成功应用于复杂脱胶的识别中。在此基础之上,针对影响蜂窝夹芯结构振动响应的因素,分析了上述策略的适用范围。受复合材料层合结构的约束阻尼处理的启发,在探究蜂窝芯及蜂窝夹芯复合材料阻尼机理的基础之上,针对实验室自制的玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料(Glass Fiber Reinforced Polymer,GFRP)蜂窝芯,提出了在蜂窝芯内蜂窝壁界面粘接处插入粘弹性层的阻尼处理方案。基于实验验证了的有限元模型(其中,蜂窝芯采用实体单元进行细节化建模),将蜂窝芯内阻尼处理方案与传统的蒙皮内插层阻尼处理方案进行了全面的对比,分析各自的优势、局限性及适用范围。对比结果显示:蜂窝芯内阻尼处理在较大的阻尼材料模量范围内均表现出相对较优的阻尼效果,而且能在附加阻尼层质量较小的前提下较大幅度地提升蜂窝夹芯复合材料的阻尼性能,这在对阻尼性能提升有迫切需要且对质量非常敏感的应用领域是一种很好的阻尼处理方案。不足之处是蜂窝芯内阻尼处理对蜂窝夹芯复合材料的力学性能影响相对较大,在用于对力学性能有较高要求的非内饰结构时,需要额外开展改变阻尼层分布密度等设计,以寻找阻尼性能提升与力学性能损失的平衡点。此外,阐述了上述两种阻尼处理方案对应阻尼效果有较大差异的深层次原因。针对上述的蜂窝芯内阻尼处理方案,采用带精英策略的快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ),开展了蜂窝夹芯复合材料的结构-阻尼性能优化设计。然而,蜂窝芯内阻尼处理后的各阶固有频率及模态损耗因子的解析解难以直接推导获得,而数值计算所需的时间较长。因此,本文引入BP神经网络构建了 NSGA-Ⅱ所需的适应度函数。首先,基于训练好的BP神经网络获得了不同模量和厚度的阻尼层的应变能占比。结果显示:存在与不同模量阻尼材料相匹配的最佳阻尼处理厚度,在该厚度下,相应阻尼材料的应变能占比达到最大,意味着其阻尼效果得到了最大程度的发挥。以优选的阻尼层厚度及蜂窝壁内的GFRP取向为设计变量,针对力学性能通常要求不高的内饰结构,将附加阻尼层质量占比最小化和平均模态损耗因子最大化作为优化目标进行了优化设计。在阻尼层质量占比不超过2%时,相比于相同GFRP取向、未经阻尼处理的对照试样,优化后的蜂窝夹芯复合材料的平均模态损耗因子最高增加了 463.8%。在所得到的Pareto(帕累托)前沿中,发现阻尼层质量占比高于1.5%时,蜂窝夹芯复合材料的阻尼提升效率变得很小。针对力学性能通常要求较高的非内饰结构,首先对附加阻尼层质量占比进行约束(控制在1.5%以内),将平均模态损耗因子和平均固有频率的最大化作为优化目标,得到了相应的帕累托最优解和帕累托前沿,为蜂窝夹芯复合材料的结构-阻尼性能的优化设计提供了指导。

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