纤维增强复合材料的阻尼研究图文精.docx

纤维增强复合材料的阻尼研究图文精.docx

《纤维增强复合材料的阻尼研究图文精.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《纤维增强复合材料的阻尼研究图文精.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

纤维增强复合材料的阻尼研究图文精

2007.NO.6侯永振编译.纤维增强复合材料的阻尼研究21

纤维增强复合材料的阻尼研究

侯永振编译

（天津市橡胶工业研究所,天津300384

摘要:

本文评述了关于纤维增强复合材料和结构阻尼的研究现状,特别是聚合物基复合材料

和结构阻尼的研究现状,首先叙述了复合材料的阻尼机理和适宜的阻尼分析方法学,而后提出了

关于阻尼的研究包括宏观力学、微观力学、粘弹性研究方法、复合材料中的界面阻尼模型、阻尼

与破坏模型,某些重要工作涉及到已经改进了的厚的层压制品结构阻尼模型,对层压制品阻尼的

改进以及纤维增强复合材料/结构阻尼的优化进行了评价。

0导言

纤维增强复合材料正被目益广泛地用来代替传统材料,主要是由于其高的比强度、比刚度以及方便制作的性能,再加上其粘弹特性,使其适用于高性能的结构用途如飞行器、船舶、汽车等方面。

可是,这些材料与金属材料有很大的区别,在于前者呈现出几种特殊的材料失效方式（树脂基体破裂,脱层,纤维失效以及由于粘接破坏而造成的界面结合失效和微观机理方面的相互租用,即微观组成成分的不同。

一些应用于微观力学、宏观力学和建立结构模型/理论的分析方法也已应用于复合材料的静态和动态力学研究。

阻尼是与纤维增强复合材料结构的动态力学性能研究有关的一个重要参数,对于在规定的负荷方式和时问历程下的粘弹性阻尼复合材料的动态力学响应的成功表征,取决于描述复合材料性能所采用的适当的分析模型/分析方法,而这种描述复合材料性能的分析模型/分析方法是基于复合材料本身的组成成份和这些组成成份问的界面相互作用一界面的情况和存在的缺陷,以及计算技术的选择。

已有文献尝试对复合材料阻尼的某些不同方面,如阻尼机理、阻尼行为的预测方法、阻尼模型/理论等进行了评述。

1复合材料阻尼机理

复合材料与传统的金属和合金材料阻尼机理完全不同,纤维增强复合材料中能量损耗的根源不同在于:

（a树脂基体和/或纤维材料各自本身的粘弹性能不同。

复合材料的阻尼主要归因于树脂基体,但是由于碳纤维和kevlar纤维与其他纤维相比有着更高的阻尼,所以这两种纤维的阻尼在进行阻尼分析时也必须包括进去。

（b界面阻尼。

界面是沿着纤维长度方向与纤维全部表面相连接的区域,界面具有一定的厚度,并且有着与大块的树脂基体和嵌入其中的纤维都不同的性质,界面的性质:

根据对力学性能影响的强弱,随之也会对纤维增强复合材料的阻尼性能产生相应的强或弱的影响。

（c因破坏而产生的阻尼。

这种阻尼主要包括两种类型:

①是由纤维和树脂基体界面间的未成键区域的滑移、或者由脱层所产生的摩擦阻尼。

②是由于树脂基体破裂、纤维折断等区域的耗能而产生的阻尼。

据报导,由于纤维界面的滑移增加的阻尼比起由于刚度增加的阻尼来说,这种增长是成倍的,并且对于破坏来说,比起由于

　万方数据

《橡塑资源利用》2007.NO.6

刚度的变化造成的破坏更加敏感。

破坏对复合材料阻尼影响的实验研究正被r“泛的应用。

（d粘塑性阻尼。

在大振幅或高应力情况下,尤其是热塑性复合材料,呈现出明显的非线性阻尼,这主要是由于在纤维与纤维之间的局部区域存在高应力和应变集中的现象。

因此,即使对于那些许用应力在复合材料弹性范围内的材料,考虑其弹塑性微观力学性能也是很重要的。

（e热弹性阻尼。

这种阻尼是由于在复合材料中压应力区对拉应力区的循环热流产生的,热塑性复合材料表现出较大的升温幅度。

其值是所加的载荷、频率、样品的厚度以及应力循环的次数的函数。

虽然热弹性阻尼通常对于金属基复合材料比较重要,但是Kenny和Marchetti己观察到在热塑性复合材料中的自动升温现象以及与在每个升温循环之间的相关能量损耗。

2阻尼的分析性预测

许多关于微观力学层次、宏观力学层次以及在结构层面的阻尼预测的分析模型都是建立在线性粘弹性假设的基础上的,基本上是利用材料力学和弹性力学来解释弹性模量,而阻尼则进而利用如下强调的两种不同（原理/方法得到预测。

（a对应性原理。

这里所说的对应性原理与有效模量的解释联系起来一起形成纤维增强复合材料阻尼的基础。

对应性原理表述为:

分别用相对应的动态应力和应变代替静态应力和应变,以及用复数模量或复数柔量分别代替弹性模量或柔量,可使线性弹性静态力学分析转变成为动态线性粘弹性分析,这种方法已应用于微观力学模型,以预测校准的非连续纤维或连续纤维增强复合材料的阻尼性能。

对应性原理也用来与经典层压制品理论（CLT相联系,以确定多层复合材料的损耗因子。

损耗因子表达为虚拉伸刚度对实拉伸刚度的比率。

Hashin成功地把基于各向同性的粘弹性材料所发展的对应性原理应用于各向异性的纤维增强复合材料的研究,用于预测复数模量。

此后,发现这个原理广泛适用于许多研究领域。

一些基本假设,如纤维是弹性日.无能量损耗的,而树脂基体是弹性并有能量损耗的,并且剪切时的粘弹性也是建立在以上工作基础上的。

（b应变能法。

这种方法将材料与结构的总的阻尼与每一个单元的阻尼以及储存在该单元中的总应变能分数结合起来。

这种方法表述为:

对于任何线性粘弹性单元系统,其损耗因子可表示为单个单元的损耗因子与储存在每个单元中的应变能的积的求和与总应变能的比。

将这些方法应用于复合材料时,就可以把复合材料看成一种系统,系统中每个单元的性质依对其进行微观力学或宏观力学分析而定。

在微观力学分析中,单元包括组分如纤维、树脂基体,及纤维和树脂基体问的作用,空洞含量和界面。

另一方面,对于宏观力学分析来说,单个薄层就是综合考虑了给定的层压制品的整体损耗因子的应变和耗能单元。

作为优化技术的有限元法与一些其它的数值方法,正被应用于复合材料的阻尼分析和复合材料结构的阻尼优化。

每一种方式和方法对于复合材料阻尼的预测都有一定的范围和限制,对于纤维增强复合材料阻尼研究各方面的进展详细评述如下。

2。

1宏观力学方法

最初的研究主要集中在复合材料阻尼参数的表征及用测得的量来建立分析模型。

Adams和Bacon发展了单向纤维增强复合材料阻尼的宏观力学模型,现在被称为Adams.Bacon阻尼规范。

该规范表述为:

在一个单向薄层中所损耗的能量是该薄层的径向拉伸、横向拉伸和剪切应力各自独立耗能的总和。

相应地,该薄层的阻尼能力就可定义为损耗能量与储存的应变能的比率。

不少研究结果都证实了该阻尼规范的正确性。

Mcintyre和Woodhouse研究了正交各向异性板材的动态力学性能,这种材料基本与薄板弯曲理论吻合。

构成线性振动性能基础的这种理论由不随

　万方数据

2007.NO.6侯永振编译.纤维增强复合材料的阻尼研究

频率而变的四个弹性常数和四个阻尼常数所决定。

实验验证的阻尼和频率与预测值有很好的一致性,基于弹性一粘弹性对应性原理的分析性宏观力学模型,已被用来建立合并考虑了频率依赖性的复合材料的损耗因子的预测模型,利用经典的层压制品理论,复合A—B—D基体已经获得,并测定了径向拉伸、横向拉伸和剪切损耗因子。

这样预测的损耗因子表明与文献中介绍的关于在最大损耗因子出现时纤维就取向的说法不一致,可以解释为合并考虑了复合损耗因子的频率依赖性而造成的。

因为给定的研究中发生这种情况,试样的尺寸一般要保持恒定。

当试样的纤维取向改变时,刚度也改变,导致复合材料梁的第一阶谐振频率改变,该模型试验验证了:

由于不平衡层压结构而产生的应力耦合对损耗因子有显著的影响。

损耗因子随弯曲、扭曲耦合变形量的大小而成正比例的增加,结果是损耗因子在取向15。

和30。

时增加更多。

关于单向复合材料的基本弹性关系与Adams—Bacon规范一起被Adams和Makefis用于相对于纤维取向各向异性的CFRP和GFP梁的模量和弯曲阻尼的预测。

还考虑了长径比和应力大小对阻尼的影响。

应力振幅对具有不同纤维铺放角度的梁的单向CFRP和GFRP特有阻尼能力（sDc的影响结果已有报道。

对于小角度梁（0。

和15。

SDC在整个应力范围都是独立的。

即作为Hookean弹性材料和能量滞后圈是椭圆的,复合材料的性能和能量正比于振幅的平方,对于大角度梁（30~90。

SDC由纤维一树脂间的相互作用决定,即在CFRP中,非线性阻尼起始于1MPa,而在GFRP中,非线性降低。

直到应力为4MPa时,阻尼才呈现非线性。

材料的SDC的非线性可以归因于超过一定的临界应力后的塑性变形。

已经观察到在聚合物基增强复合材料中,由于树脂的明显的内应力,使得在纤维的剪切和横向方向上,非线性行为更明显。

此外,由材料存在的缺陷所决定的材料和结构的不完整性,例如微观结构（树脂/纤维键结或断键时形成的空隙、杂质和缺陷。

都是应力集中点,都会增加阻尼并增强非线性。

Barkanov和Gassan推荐了FEM/频率依赖性模型,该模型基于复数刚度法和分析层压复合材料梁中阻尼的层压制品理论。

由复本征值和由直接频率响应法获得的关于石墨一环氧复合材料的损耗因子呈现非常好的一致性。

关于复合材料宏观力学阻尼的大量研究工作与预测阻尼影响因素的影响程度有关,如:

纤维取向度,层压结构的构造如何,以及阻尼的频率和应力相关性程度。

对应性原理,应变能（SE法以及SE/FEM法都已用于阻尼分析。

2.2微观力学方法

微观力学方法已用于连续纤维增强复合材料和短纤维增强复合材料两种材料,White和Abdin‘已经指出:

通过适当的选择纤维的长径比和体积分数,可以在保持高刚度的条件下,改进短切纤维增强塑料的阻尼。

假定纤维材料本身的损耗因子可忽略,那么就可用Cox模型来预估储能模量和损耗模量,由于在分析模型中未考虑到影响它的动态力学性能的某些因素,CFRP损耗因子的实验值比理论值要高,这些影响因素如纤维间的相互作用,纤维与基体间界面的粘接情况,弯曲时在梁中的剪切变形,并且与预测值相比,纤维末端的实际应力是非常高的,而且对于CFRP复合材料来说,其弹性模量在拉伸和压缩时是不一样的。

Hwang和Gibson推荐用SE/FEM技术预测不连续纤维增强复合材料的的阻尼和刚度,该模型适合于研究几种参数的影响,这些参数有长径比,纤维的体积分数,纤维和基体材料的模量比,纤维的间距,以及纤维一末端间隙尺寸影响复合材料和复合结构阻尼性能的情况。

结果由FEM得到的损耗因子数据稍高于基于材料分析力学的改良的两相Cox模型的数据。

在这方面必须指出,FEM模型是基于实际上的非均匀应力分布,而源

　万方数据

《橡塑资源利用》2007.No.6

自改良Cox模型的材料分析的力学方法是基于在整个复合材料中均匀应力分布的假定。

Willway和White对基于混合定律的纵向弯曲的未取向CFRP（既连续又分散增强的阻尼进行了理论研究,并提出了Cox模型（其中已考虑了不连续纤维的影响。

进一步借助于能量消耗仅在树脂中出现的假定,利用材料平衡力学和对应性原理确定了横向弯曲和横向剪切情况下的连续纤维增强复合材料的阻尼。

理论和实验结果表明,利用高损耗性树脂基体来制备具有高纵向模量和损耗因子的非取向的CFRP薄层是可行的。

Chang和Bert完成了基于微观力学的单层纤维增强复合材料的阻尼和刚度的完整的分析性表征。

所预测的损耗角正切是基于弹性.粘弹性对应性原理（适用于具有明确表示的刚度,而其余的性能则基于能量法。

刚度和损耗角正切的分析结果可以与硼.环氧、硼一铝和E.玻璃环氧的实验值相比拟。

Dass等已推荐了用于短纤维（分散的增强的,而纤维为任意分布的溴化丁基橡胶复合材料的阻尼预测模型。

他们的方法是以Cox和Gibson等的剪切滞后模型为基础的,研究表明由于纤维的任意分布,纤维效率以n/8的系数减少,也研究了阻尼随参考频率和温度变化的