粘弹性复合材料降噪和损伤容限外文翻译资料

 2022-10-27 15:58:25

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粘弹性复合材料降噪和损伤容限

英国，DR，霍顿荒地，普尔，多塞特，BH166JU，结构材料中心

摘要：本文介绍了粘弹性复合材料的概念以及它们的动态物理特性是如何用于船舶应用的，其中，高减振和损伤容限是要求。数学模型被用于描述光纤对准的上粘弹性复合材料的动态杨氏模量和损耗因子的影响。该模型，通过实验验证支持，要求基质树脂的动态物理性能范围在操作温度和有益的频率之间。该模型预测，纤维的所得损耗因子增强粘弹性树脂组合物中的行为各向异性，然而，阻尼优化可以以两种不同的方式来实现依赖于角的纤维排列。本文讨论了这些研究结果的意义以及如何将粘弹性复合纤维排列应用于无噪音舰艇和潜艇机械筏。实证研究这种类型的粘弹性复合材料使用重冲击试验机做测试后表明它们的损伤容限是优于传统的玻璃纤维增强聚酯GRP。虽然尚未作出理论分析，它暗示基质树脂的粘弹性性质和它优越的典型的破坏性影响频率在大致相同的方式吸收冲击能量是一个重要的因素，因为它是用于吸收振动能量的。在这种情况下，冲击脉冲被认为是一种特别极端的振动源形式。所提供的冲击力可在基质上做工作，能量将会被它吸收假如粘弹性矩阵的性质是对的或对复合材料没有造成损害。

关键词：复合材料，减振，粘弹性，聚合物基质

  1. 引言

传统的结构纤维增强复合材料用高模量树脂具有尽可能高的玻璃化转变温度（Tg）。当这种类型的基体树脂是纤维增强时其结果为具有高的比刚度但具有相对低的内在阻尼的复合材料。事实上，穷尽所有的努力去探索更高Tg的基体树脂（特别是在飞机制造业）只会加剧一些问题比如导致复合材料具有越来越低的阻尼效果。因此使用这种复合材料必须回顾用于满足减振降噪的要求的减震处理。本文的目的主要介绍近期对具有较高的内在阻尼和损伤容限复合材料的研究。该项目研究了利用粘弹性矩阵树脂适当为纤维加固和已针对特定的操作频率

和温度进行了优化。虽然这种类型的基体树脂折和了一些特定的高（Tg）的树脂的刚性优势，他们会避免寄生阻尼治疗的需要，这种复合材料可能会被发现应用于新兴船制造如机械支座和木筏上。

纺织结构复合材料是纺织技术和现代复合材料技术相结合的产物，也是高技

术领域中的一种新型的先进复合材料，在现代工程技术各个领域中显示了独特优

势。它与普通的层合复合材料具有较大的区别。普通复合材料是通过把纤维束按

一定的角度和一定的顺序进行铺层或缠绕而制成的，形成层状结构，因此也称层

合复合材料。纺织结构复合材料是利用纺织技术，首先以纤维束织造成所需结构

形状，形成预成型件(简称预成型);然后，以预成型件作为增强骨架进行浸胶

固化而直接形成复合材料结构。这种工艺的变革使得纺织结构复合材料的纤维沿多个方向分布且交织，较比单向纤维增强复合材料具有更好的平面和空间性能。此外，纺织结构复合材料具有比金属更大的柔韧性和变形能力，能在复杂的轮廓上成形，尤其适合制造表面复杂的各种零部件

许多研究者力图从声源上根治噪声。但许多行业机械设备尚不能去除冲击、振动、不均匀运动等等。还有许多人研究各种降噪材料，效果尚不显著。我们在尽力掌握国内外研究治理噪声资料的基础上，从噪声传播途径上着手，有机结合吸声、隔声两种降噪机理，经多方面筛选比较，用非织造布与金属材料复合，研制成降噪效果好、阻燃、低成本的复合材料。这种材料为控制与治理噪声提供了物质条件，对工业生产和国民经济建设及改善人们生活环境都有现实意义。

2.理论模型

所开发的理论模型要求插入所有熟悉的变量，如纤维模量，矩阵模量，泊松比和体积分数。然而，为了预测复合动态模量和损耗因子为范围的纤维类型和排列，动态矩阵实部和虚模量（或损耗因子）连同纤维编织方向上的信息，经纱和纬纱比是必需的。该理论模型采用由Nielsen发明的的基本方程来预测在任何角度theta;的纤维排列的有效杨氏模量Etheta;。

1/Etheta;=cos4theta;/EL＋sin4theta;/ET＋(1/GLT-2upsilon;LT/EL)sin2theta;cos2theta;

其中：

EL=E1phi;1 E2phi;2

EL=矩阵的杨氏模量

phi;1=基质体积分数

E2=纤维的杨氏模量

phi;2= 纤维体积分数

upsilon;LT=泊松比

ET/E1=(1 ABphi;2)/(1-Bpsi;phi;2)

ET=横向模量

A=0.5

phi;2=0.82

B=(E2/E1-1)/(E2/E1 A)

和

Psi;asymp;1 （（1-phi;m）/phi;2)phi;2

GLT=G1(1 ABphi;2)(1-Bpsi;phi;2)

GLT=纵向横向模

G1=矩阵剪切模量

动态杨氏模量和损耗因子

上述理论仅仅是预测复合材料的静态模量和纤维以及基质两种材料的假定静态弹性模量。这项工作的目的是研究复合材料振动吸能的机制，并且有必要对损耗因子和动态杨氏模量进行量化。这将需要范围广泛的操作频率和温度。为此数学模型已经修改，以检查所得复合动态模量和关联的损耗因子在其基质树脂为粘弹性树脂时会有什么变化，其物理动态属性由频率和温度共同决定。

复合材料粘弹性

在此情况下的基质材料模制

损耗因子（tandelta;）=E1'/E2'

此外，上述理论只考虑在一个方向上排列的纤维。考虑到编织纤维是有0°和90°两个取向的，有必要进行两次上述计算，但在进行第二次计算时90°异相于第一次。所得E（theta;）是由混合物的线性规律相结合而成的，因此对于一个纤维增强复合材料即直角相互对齐排列的纤维关于各种取向的角度所产生的模量由下式给出：

其中：

Phi;1=是纤维在一个方向上的体积分数。

在的不同角度取向所得的损耗因子由下式给出：

  1. 实验验证

为了取得在理论模型的上的信心我们制作了一个尺寸为0.5mtimes;0.5mtimes;0.01m的纤维增强复合板，基质材料是一种专门为这项研究而发展起来的柔软化环氧树脂，其分子主链过渡区在10赫兹的频率下温度范围超过5℃至55℃。图一中动态物理基体树脂的性能为在10Hz的恒定频率温度范围为-250℃至65℃。然后这些数据被在由威廉姆斯发展起来的时间/温度叠加原理上进行操作。 Landle and Ferry提供了该组在很宽的频率范围内且为10℃的单一温度时动态杨氏模量和损耗因子的数据。此数据在图2中有图解说明。这种树脂系统用低密度Diolen164S聚酯纤维增强（模量11GPa）,平纹布即纤维在0°和90°以0.42体积分数对齐。以这样的方式从面板上切断下来的50mm宽的分隔梁，该纤维呈出在0°和90°对齐，分别为10 °和100 °, 20 °和 110 °, 35 °和 125°, 45 °和135 °, 55 °和145°, 70 °和 160 °, 80°和170°和90°和180°。

每个梁被弹性地安装在一个设定温度为10℃环境柜里，一个小型轻量化加速计被安装于梁的一端以及一个小的仪表力锤在梁的另一端使用。加速计传感和锤激励方向均平行于梁，这样得以压缩所以波可以被监测。使用双通道实时快速傅里叶变换分析仪的加速度和力脉冲进行了分析。然后每条梁在长度方向上被减少至1/2个谐振波，在这个测试中每个梁测试时的频率都是相同的，为1KHz。如图3第一个1/2谐振波从所得的惯性积确定而来。从这点上说，我们沿着尺寸方向推断出复合材料的有效杨氏模量和损耗因子是可行的：

其中：

rho;=复合材料的密度

l=复合材料的长度

fr =1/2波共振频率

复合材料的损耗因子是从显示在半个共振波周围的半功率点（3 dB为单位）的惯性积中推断出来的，如下：

其中：f2-f1=3dB 带宽

  1. 冲击试验

使用ROSAND落锤冲击试验机测试一个10mm厚的相同的聚酯纤维增强粘弹性体复合材料面板（AWMM1C)），并与一个具有相似厚度的玻璃增强聚酯面板（AWMM1D）相比较。在此之前的任何测试的测力传感器用已知的重物在原位校准。

测试条件

托普外形尺寸 10mm半径

支撑环的尺寸 215mm内径，255 mm外径

限制 松开

重量 10.97 Kg

坠落高度 1.86 m

总能量 200 J

温度 20℃

防反弹 活性

  1. 结果与讨论

减振

图4在温度为10℃和频率为1KHz时比较了在各个角度取向的动态模量和损耗因子，在一般情况下预测和测量相对较好。对于方格布增强粘弹性树脂的最高模量是在0和90°对齐情况下45°时获得最大值。损耗因子另一个峰在45°和下降的角度或者0°和90°取向。注意到有趣的是，模量在0°和90°时不是如可以预料的那样，下面是此现象的两个可能的原因;（一）该纤维没有真正在0°和90°取向，（二）纤维的体积分数在每个方向是不相同或编织波动需要被考虑在内。肉眼上对梁的观察表明纤维排列没有问题，编织波动确实是小，但它似乎有可能是纤维在一个方向相对于另一个方向上的较高的体积分数。该预测假定经纱编织的相对比例是60/40。

损伤容限

影响结果的图形表示在图5和6中给出。我们可看到图5（用于AWMMC）显示出非常流畅的关于峰值能量的标准型分布这表明，有最小的损伤存在。图6中的AWMM1D在另一方面展示出了标准的GRP样品的图，我们再次看到了正态分布但有一些裂开的被修改过的啮合特征。这最有可能实际上是由于一些叠层和玻璃钢（AWMM1D）的可见层内的一些早期损坏显示了广泛的破坏和脱层，但虽然是最小的损伤在聚酯纤维增强粘弹性复合材料(AWMM1C）中却是明显的。两条曲线下的面积几乎是相同的暗示着在聚酯纤维增强粘弹性树脂的情况下在变形过程中大部分能量必须被吸收因为最小的损伤已被赋予所述复合体。

到目前为止，我们只考虑了撞击事件的第一阶段。峰值能量已经实现了之后的面板要么开始返回所吸收的能量到顶部要么开始遭受冲击损伤程度的提高。

这通常表现为纤维破损，模型/光纤接口剪切和最终的分层。因此，最终的故障能量是面板所吸收的总能量的一个指示。该标准依赖于应用来判定。如果需要防弹那么很可能你想要的材料为了尽可能吸收冲击能量，就需要拥有尽可能多的机理，这可能会导致毛利率分层。然而，在正常情况下，如果所需要的材料继续作为一个结构成员参与其中，那么当一个撞击事件发生后，它必须要能实现折中，把大部分的能量返回给弹丸或锤头。但在所述粘弹性复合材料的情况下，它建议的替代方法是通过加工粘弹性基体树脂来吸收冲击能量。复合材料会在冲击下发生变形，能量将被基质的粘弹性性质所吸收，而不是作为剥离的结果，或者对复合材料的损害，复合材料将改变其自然形状从而保持结构完整性。

复合材料粘弹性

无损检验

面板的无损检测的进行不是使用韦尔斯Krautkramer超声波水浸泡C扫描系统就是使用一个惠普Faxitron X射线柜。

在超声波检查的情况下，C扫描就是用于比较冲击前后区别的目的。在所有情况下

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