纤维增强复合材料的阻尼研究综述外文翻译资料

 2022-10-27 15:56:48

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纤维增强复合材料的阻尼研究综述

摘要：本文综述了纤维增强复合材料和结构阻尼的研究现状与重点研究，首先，描述了复合阻尼机制和适用于阻尼分析的方法；本文进一步提出了阻尼研究涉及宏观、细观力学和粘弹性（松弛）复合材料中的界面阻尼、阻尼和损伤模型；一些重要的关系到改进的阻尼模型的厚层压板，改善层压板阻尼和阻尼增强复合材料/结构的工作的批判性检讨。

  1. 简介

纤维增强复合材料被越来越多的用于替代传统材料，主要是因为其搞得比强度，比刚度和可裁剪的特性。此外，复合材料的粘弹性特性使其适用于高性能结构的应用，如航空航天、船舶、汽车等，然而，这些材料与金属截然不同是因为前者表现出几个失败的特殊模式（基体开裂、分层、纤维断裂和剥离导致界面粘结破坏）和相互作用的微机械，即组织水平。本文提供了几种在微机械方面的分析方法，并对复合材料静态和动态性能的宏观力学和结构模型/理论进行了调查。

阻尼是纤维增强复合材料结构动力特性研究的重要参数。对粘弹阻尼复合材料在规定的荷载作用下的动力响应模式成功的表征，和时程取决于根据其成分和它们之间的相互作用使用适当的分析模型和方法描述以及它们之间的相互作用-相间的条件和存在的缺陷和选择的计算技术。本文提出了对关于不同方面例如阻尼机理，阻尼和阻尼模型预测方法的现有文献的批判性的综述。

  1. 复合材料的阻尼机制

复合材料的阻尼机制完全不同于传统的金属和合金。不同来源的纤维增强复合材料的能量耗散如下：

（a）由于基体和/或纤维材料的粘弹性：复合材料的阻尼的主要是来源于基体。然而，阻尼纤维必须包括在对碳纤维和凯夫拉纤维具有比其他类型的纤维更高的阻尼的分析中。

（b）由于界面阻尼：界面是沿着纤维长度的与纤维表面的相邻区域，界面具有相当的厚度并且性质不同于埋入的纤维和大量的基体。界面的特性：弱，假想的或强烈地影响纤维增强复合材料的力学性能其次是阻尼。

（c）由于摩擦引起的阻尼：主要是两种类型；

（i）由于在纤维和基体界面之间无界区域或分层的滑动产生的摩擦阻尼；

（ii）由于基体裂纹区域，破坏的纤维等的能量耗散产生的阻尼，据报道纤维断裂等增加阻尼是纤维与基体界面滑移的许多倍，并且比刚度损伤更敏感。对复合材料阻尼损伤影响的实验研究广泛应用。

（d）粘塑性阻尼：振动/高应力水平的大振幅，尤其是热塑性复合材料由于存在于纤维之间局部区域的高应力和应变集中表现出明显的非线性阻尼

（e）热弹性阻尼：它是由于来自复合材料压应力区域向拉应力区域的循环热流。热塑性复合材料表现出较高的温度上升，这是一个外加负载，频率，样品厚度和周期数的函数。即使如此，热弹性阻尼比金属复合材料一般更重要，Kenny 和Marchetti观察到热塑性复合材料的自加热现象和相关的能量耗散造成的温度的周期性上升。

  1. 阻尼分析预测

大量的预测阻尼分析模型都基于线性粘弹性在微、宏观力学和结构层次的假设。基本上，力学材料和弹性的方法已被用于解弹性模量并且，阻尼预测使用以下两种不同的方法：

（a）对应原理：这里的对应原理与有效模量的解相结合，形成了纤维增强复合材料阻尼的基础。对应原理指出，线性弹性静力学分析可转换通过更换静态应力和应变与相应的线性动态粘弹性分析动态应力和应变，并通过分别替代弹性模量或依从性与复模量或依从性。此方法已被应用到不连续和连续的纤维增强复合材料微机械模型预测的阻尼分析。对应原理也被用于结合经典层合板理论（CLT）确定复合材料的损耗因子。损耗因子已被表示为假想伸展刚度到实际伸展刚度。Hashin成功应用对应原理开发的各向同性粘弹性材料的各向异性纤维增强复合材料复模量预测。此后，这一原则在许多研究人员的工作中得到了更广泛程度的接受。一些一般性的假设如纤维弹性和耗散，基质弹性在扩张，但粘弹性剪切行为如上面所述。

（b）应变能法：该方法涉及在该元素中储存的总应变能的材料或结构中的总阻尼的总阻尼。它指出，对于任何系统的线性粘弹性元件的损耗因子可以表示为单个元素损耗因子和应变能存储在每个元素的总应变能一个比例的结果，当将这些方法应用于复合材料时，复合材料就成了一个系统，而元素的性质取决于分析是微机械的或宏观力学。在细观力学分析的要素包括成分如纤维、基体和它们之间的相互作用，空隙率和界面。在宏观力学分析另一方面，单独的层的元素的应变和耗散的能量相结合，对层压板的整体损耗，优化技术的有限元方法和某些其他数值方法被应用于分析复合材料或优化复合材料结构阻尼。这些途径和方法有其自身的适用范围和局限性，对复合材料的阻尼预测。在纤维增强复合材料阻尼各个方向上的研究进展相关详细地综述如下。

对复合材料应用这些方法时，复合材料成为系统，元素的特性取决于分析细观还是宏观力学。在微机械分析中，包括纤维、基体及其相互作用、空隙率和相间的成分。另一方面在宏观力学分析中，个别叶片的应变和压板的整体损耗因子。

耗散能量结合起来，成为整个层压板的整体损耗因子。有限元法和若干其他的优化技术的数值方法被应用于复合材料的阻尼分析或优化复合材料结构的阻尼。

这些方法和方法都有各自的范围和局限性，在复合材料的阻尼预测方面有其局限性。对纤维增强复合材料的阻尼性能的研究进展的详细综述如下。

3.1.宏观力学方法

初步调查主要集中在复合材料的阻尼实验参数表征，使用测量量来发展分析模型。Adams 和 Bacon设计开发了一种阻尼单向纤维增强复合材料，现在被称为Adams -Bacon标准的宏观力学模型。它指出在一个薄的单向层的能量损耗是由于纵向应力，横向应力和剪切应力的单独的能量耗散总和。因此，特定的阻尼能力可以被定义为存储的能量与消耗的能量比。几个研究者的结果验证了Adams和Bacon标准。McIntyre 和 Woodhouse研究了正交异性材料的动态行为内的近似薄板弯曲理论，线性振动特性的基础是四个弹性和四个对应于任何频率的阻尼常数。阻尼和频率的实验与预测吻合地很好。一种基于弹性-粘弹性对应原理分析的宏观力学模型已经发展起来以预测复合损耗因子对其频率的依赖性。利用经典的层合板理论，复杂的A-B-D基体已确定纵向、横向和剪切损耗因子。损耗因子的预测表明，在文献中记载的产生最大损失系数的不一致的纤维取向，可议通过频率与复合损耗因子的相关性来解决。这是因为对于一个给定的调查，测试试样的尺寸通常保持不变。当试样的纤维取向改变，刚度也随之变化，导致组合梁的第一谐振频率变化。该模型显示出了由于非平衡层合结构对损耗因子有明显影响而产生的应力耦合。损耗因子相应地增加了弯曲-扭转耦合项的数量级。因此损耗因子的增加更多的取向为15°和30°。

单向复合材料的基本弹性关系连同 Adams-Bacon标准都被Adams 和 Maheri用来预测各向异性碳纤维和碳纤维束的弹性模量和弯曲阻尼。阻尼结构的横纵比和应力水平的影响也被考虑到了。不同纤维角度的单向碳纤维和玻璃纤维梁的比阻尼容量（SDC）的应力幅度的影响结果已经有过报道。对于低角度梁（0°和15°）SDC是独立于整个应力范围，复合材料表现得像Hookean弹性材料并且能量循环是椭圆形而且能量与振幅的平方成比例。对于高角度梁（30°—90°），SDC主要取决于纤维与树脂的相互作用，例如，碳纤维的非线性阻尼开始于大约1MPa，而玻璃纤维由于减少非线性，应力能达到4MPa。SDC材料非线性可议归因于塑性变形超过一定的临界应力水平。已经观察到在聚合物增强的复合材料中，由于纤维相当大的张力，非线性行为发生在剪切和横向方向的纤维是更有意义的。此外，材料和结构的完整性决定的缺陷，如微观结构（空隙，杂质和树脂/纤维粘接或剥离）是由于增加阻尼和增加非线性导致的应力集中发生的重点。

Barkanov 和Gassan提出了一种基于复杂的刚度和叠层理论的分析复合材料层合梁的阻尼有限元/频率相关模型。复杂的特征值和直接频率响应方法的石墨环氧复合材料的损耗因子表现得非常吻合。大多数复合材料的宏观力学阻尼研究工作都涉及预测这些因子的影响：纤维取向，层压结构，频率和阻尼的应力依赖性。对应原理、应变能方法和有限元法已经被用来进行阻尼分析。

3.2细观力学法

微机械的方法已被用于连续和短纤维增强复合材料。White 和 Abdin表明，通过对纤维长径比和体积分数的适当选择，短排列的纤维增强塑料可以在保持刚度不变的情况下增强阻尼。使用Cox模型在假设纤维材料的损失可以忽略不计的情况下可以预测储能模量和损耗模量。碳纤维材料的损耗因子的实验值高于理论值，是由于一些动态行为不是在分析模型中的因素，例如纤维之间的相互作用的影响，纤维和基体之间的界面粘合度，在梁的纤维末端弯曲和实际应力导致的剪切变形比预测值高很多。此外，碳纤维复合材料的杨氏模量在拉伸和压缩时不同。

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，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完基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实验结果Crema和Castellani利用能量法构建了简单的两相模型来预测Kevlar纤维复合材料的阻尼系数。由Kevlar纤维复合材料获得的高阻尼性能，及Kevlar纤维复合材料的高阻尼性能与复合材料的模量无关这一事实表明，Kevlar纤维表现出与基体树脂材料具有同量级阻尼系数的粘弹性材料的阻尼性能。结果表明Kevlar纤维复合材料，尤其是Kevlar／环氧具有高阻尼，且至少在6～70GPa的弹性模量范围与模量无关。关于复合材料阻尼研究的大量工作都因为研究者各自的看法而受到制约。

Saravanos和Chamis建立了集微观力学方法学大成的，用于未取向纤维增强复合材料阻尼性能预测的方法。在所推荐的综合方法中，考虑了涉及六个应力的所有六个阻尼系数。可是，限制了许多别的微观力学阻尼方面的理论，这些阻尼与径向应力，法向应力或平面内的剪切应力有关。与先前的许多工作相比，综合方法只包括基体树脂的滞后阻尼的贡献，这里的六个阻尼系数是由具有滞后阻尼的树脂基体、纤维和界面摩擦以及折断的纤维产生的阻尼综合得出的。所作出的某些重要假设是：树脂基体的损耗性能是各向同性的，而纤维的损耗性能是各向异性的(但横向是各向同性的)，还建立了湿度和温度对聚合物基复合材料阻尼影响的模型，结果获得了以应变能法为基础的，使轴上的阻尼容量与纤维基体性能和纤维体积分数相关联的明晰的微观力学方程。轴外的复合材料的阻尼容量由轴上的阻尼值利用转化法综合得到。要获得复合材料轴外的阻尼推荐使用转化定律。

Saravanos和CHamis进一步扩展了他们的前期工作，并在此基础上审慎地建立了适用于包括叠层间剪切阻尼效应的厚的层压制品的单个薄层(离散层)阻尼机理，并且提供了简支特性复合材料板模态阻尼的半分析性预测。应用于薄的层压制品梁、板、壳材料表明其统一力学的优势，并且图示出了纤维体积分数、纤维取向、几何结构、温度对阻尼的影响。将经典的层压制品板阻尼理论(机理)与单个薄层阻尼机理(理论)对比可知，两种理论在高长径比情况下，其结果是相似的。但是在低长径比、高度整齐排列型式以及高温条件下，单个薄层阻尼机理的结果要好于交叉排布层压制品机理的结果。

在Saravanos和Chamis进行研究的同时，Kaliske和Rother也提出了一个关于复合材料结构中材料阻尼的模型，这个模型使用了一种由Aboud所定义的典型纤维增强树脂基体网格一致性微观力学理论。其结果中的六个阻尼系数与六个工程应力分量相对应。按照结构标准，利用有限元法来分析阻尼，即用相等的质量和刚度矩阵进行建模。类似于复合材料的力学性能，该方法导致正交各向异性材料的阻尼以严密的形式表征。以下是几个基本假设：复合材料中的能量与各组分损耗的应变能量相等；树脂基体与增强纤维的线性粘弹性与复合材料应力状态相一致；不考虑材料内部应力所产生的阻尼。因为对于各向异性纤维材料的阻尼效果的实验分析一直存在着很大的争议，所以为方便起见，纤维的阻尼在许多文献中假设为各向同性，所介绍的模型的结果与Saravanos和CHamis的方法相比，所得到的结果一样好。

Rickard等人建立了一个有限元模型，其基础是弹性一粘弹性对应性原理，这个模型模拟了层压复合材料结构的阻尼。在这个模型中，单向层的阻尼模拟与统一的微观力学阻尼理论相一致，考虑到纤维在复合材料中是方形成捆排列的，那末

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