不同连接层数的双轴向纬编多层衬纱织物增强复合材料的模态性能研究

不同连接层数的双轴向纬编多层衬纱织物增强复合材料的不同连接层数的双轴向纬编多层衬纱织物增强复合材料的 模态性能研究模态性能研究 目录第一章绪论 11 1引言 11 2MBWK织物增强复合材料 11 2 1MBWK织物特点及其应用现状 21 3国内外复合材料模态性能研究进展 21 3 1纤维增强树脂基复合材料的阻尼机理 31 4 选题目的 意义和研究内容 51 4 1选题的 目的和意义 51 4 2选题研究内容 一6第二章MBWK织物织造工艺及其增强复合材 料的成型工艺 72 1MBWK织物织造工艺 j72 1 1增强材料碳纤维 一72 1 2 MBWK织物组织结构 82 1 3ME WK织物分 析 一92 2MBWK织物增强复合材料的复合成 型工艺 102 2 1树脂的选用 l l2 2 2复合成型工艺 l l2 2 3纤维体积含量计算 12第三章MBWK 织物增强复合材料的试验模态分析 153 1模态分析 技术概述 153 1 1模态分析技术及其应 用 153 1 2模态分析技术的历史发展 163 1 3当前的模态分析技术 l 73 2实验模态分析 173 3MBWK织物增 强复合材料的试验模态分析 183 3 1实验目的 193 3 2试验方法 193 3 3试件制备 203 3 4测 试标准与测试设备 2l3 3 5注意事项 22第四章MBWK织物增强复合材料试验模态分析 结果 234 1纤维体积含量对MBWK织物增强复合材料 固有频率的影响 234 1 1纤维体积含量对三层连接MBWK织 物增强复合材料固有频噩影响的实验结果 一234 1 2纤维体积含量对四层连接MBWK织物增强复合材料模 态参数影响的实验结果 一274 1 3 纤维体积含量对五层连接MBWK织物增强复合材料模态参数影响的实 验结果 一304 2纤维体积含量对MBWK 织物增强复合材料阻尼比的影响 334 2 1纤维体积含量对 三层连接MBwK织物增强复合材料阻尼比影响的实验结果 334 2 2纤维体积含量对四层连接MBWK织 物增强复合材料阻尼比影响的实验结果 一374 2 3纤维体积含量对五层连接MBwK织物增强复合材料阻 尼比影响的实验结果 一394 3不同 衬纱方向对mWK织物增强复合材料振动性能的影响 424 3 1 不同衬纱方向对MBWK织物增强复合材料固有频率影响的实验结果 14 3 2不同衬纱 方向对MBwK织物增强复合材料阻尼比影响的实验结果一424 4织物 结构对MBwK织物增强复合材料振动性能的影响 424 4 1 织物结构对MBWK织物增强复合材料固有频率影响的实验结果 43 4 4 2织物结构对MBWK织物增强复合材料阻尼比影响的实验结果 464 5小结 50第 五章 WK织物增强复合材料减振特性和抗激振性能比较 5 15 1不同连接层数的mWK织物增强复合材料的抗激振性能 5 15 1 1纤维体积含量对纬编双轴向织物多层衬纱织物增强复合材 料抗激振性能影响 516 1 2不同衬纱方向对纬编双轴向织物多层衬纱织物增强复合材料抗 激振性能影响 535 2不同连接 层数的MBWK织物增强复合材料的减振特性 53第六章总结 57参考文献 59发表论文和参加科研情况说明 6 5附表 67附表l三层连接MBWK织 物增强复合材料试件振动性能数据表 平均值 67附表2五层连接MBwK织物增强 复合材料试件振动性能数据表 平均值 70附表3四层连接MBWK织物增强复合材料试件 振动性能数据表 平均值 72附表4MBWK织物增强复合材料试件实际外形尺寸数 值列表 平均值 75致谢 77 第一章绪论1 1引言第章绪论帚一早珀比纤维增强复合材料具有比 强度和比模量很高 刚度大 抗疲劳性能好 可设计性强 整体成 型性能优异等特点 显示传统结构材料无可比拟的优越性山2 并且 广泛地应用于航空航天领域 在汽车工业 船舶 建筑 运动器材 医疗等领域中也有广泛应用的前景 核潜艇 新型民用超音速飞机 高速列车以及汽车的高速发展 使 得机械设备更加趋于高效率 高效度和全面自动化 但是噪声 振 动和冲击等问题带来的影响也越来越突出 噪声和振动会破坏设备仪器运行的可靠性和稳定性 这会直接导致 仪器结构产生损伤性的疲劳 设备运行控制的精度会下降 仪器的 安全使用寿命明显会缩短等结果 并且会污染环境 严重危害人们 的身心健康 因此 提高材料的阻尼性能 减振降噪 改善人机工作环境 是一 个亟待解决的问题 纤维增强复合材料具有高比强和高比模的特点 同时具备粘弹性的 持点 纤维增强复合材料的阻尼比普通的金属材料会高出1 2个数量级一护圳 阻尼性能是衡量树脂基纤维增强复合材料及其结构动力学性能的重 要指标 能够有效控制结构件的噪声和振动 同时能延长结构件承 受循环载荷和冲击的服役时间 揭示树脂基纤维增强复合材料能量耗散产生的内在原理 预测复合 材料的阻尼性能 根据工程实际需要来恰当选择性能合适的组分材 料 设计阻尼性能优异的树脂基复合材料 这些方面的纤维增强复 合材料阻尼性能研究工作 从理论和实践两方面都具有重大的现实 意义 1 2MBWK织物增强复合材料针织轴向织物的发展已有三四十年的历 史 传统机织复合材料的不足由于多轴向经编针织物增强复合材料 的出现而弥补 其优越的力学性能在航空航天 防弹保护 车船材 料 建筑工程及土木工程等领域都有广泛的应用 此类织物的开发及应用在美国及德国有很多成果 美国航空航天局 NASA 已经多次将研究多轴向针织织物增强复合材料的研究列为其重 点研究项目 并在该种复合材料的研究中取得很大进展 德国Li ba公司的Copcentra Multi Axi al经编机和KarlMayer公司生产的MULTIAXIAL多轴向经编机是目前世 界上应用最多的多轴向天津工业大学硕士学位论文经编机 一川 MBWK织物增强复合材料的发展只有短短十几年时间1999年 天津工 业大学复合材料研究所成功研制出织造MBWK织物的织机 与此同时 对MBWK织物进行了中试 该产品的工艺研究在xx年完成 天津工业 大学复合材料研究所获得了此产品的专利 开始应用于产业化生产 中 这一成果标志着我国已具备了自主研制并生产MBWK织物增强复合材 料的能力 并且成功走出实验室 实现产业化生产 同时 MBWK织物增强复合材料的产业化生产为MBWK织物增强复合材 料的模态性能研究提供了可靠的试样 MBWK织物属于非屈曲织物 衬纱完全平行顺直 衬纱对应力的响应 速度快 能够充分发挥高性能衬纱的潜能 引 具有无可比拟的复杂 三维曲面成型方面的优势 引 此外 MBWK织物的生产或本较低 生产周期短 幅宽范围大 性价 比较高 在纺织复合材料领域将有广阔的发展前景 1 2 1MBWK织物特点及其应用现状MBV K的捆绑纱结构增强了其织 物结构整体 生 MBWK织物以其生产成本较低和机械化生产的优势 使其生产速麦明 显加快 MBWK织物具有良好的抗剪切 抗撕裂陛能 能够最大限度的发挥材 料特性 9 这是针织线圈的可变形性 不仅可以有效固定直线排列的高性能 纤维束 而且能够高效吸收能力 由于MBWK织物中 高性能纤维呈现完全伸直状态 所以MBWK织物能 够充分发挥高性能纱线的高强度高模量的特点 头盔复杂的三维曲面可由一整块MBWK织物模压成型而不需要裁剪 并且所形成的三维曲面光滑美观 这是与其本身具备很好的可成型 性能分不开的 而且MBWK织物中衬纱呈伸直状态的特性 这样该织 物增强头盔的抗冲击性能非常好 目前 MBWK织物已成功用于空军 飞行员的头盔 由于MBWK织物良好的一次成型性能 并通过大量的实验研究证明 其成型与双半球的间距无关 只与双半球的直径大小有关系 可根据人体不同生理结构来制造适用于不同人群的防弹衣 极其适 合于女用防弹衣的制造 这在防弹衣领域是非常大的突破 除此之外 MBWK织物在医用领域 航空航天领域等都有着不可替代 的作用 1 3国内外复合材料模态性能研究进晨模态是结构的固有振动特性 每一个模态具有特定的固有频率 阻尼比和模态振型 固有频率是系统本身矛具专款一种振动性质 当系统作固有振动第一章绪论时 它的振动频率就是 固有频率 一个系统的质量分布 内部的弹性以及其他的力学性质决定了它的 模态特性n21 对于纤维增强复合材料的模态特性 阻尼比和固有频率是两个重要 的动力学参数 它们主要依赖于增强纤维与基体的模态性能 纤维 体积百分数 增强纤维的组成结构以及纤维与基体的相互作用n引 1 3 1纤维增强树脂基复合材料的阻尼机理复合材料的阻尼机理与 传统材料是截然不同的 纤维增强复合材料不同的阻尼机理有9 1 基体和纤维材料的固有粘弹性一般情况下 复合材料阻尼的主要 贡献于基体 但是 碳纤维SBKevfar纤维相比其他纤维而言 材料 本身阻尼较高 因此分析时不能忽略它们的阻尼 2 面相的阻尼界面相是指邻近纤维表面 具有一定厚度的区域 它 具有与纤维和基体不同的性质 界面相内具有相当高的剪切应变 为耗散能量提供了必要的前提 3 由材料破坏所引起的阻尼包含两种情况 一是由于基体裂开和纤 维断裂的能量耗散所引起的阻尼 二是纤维和基体间的界面存在分层以及未粘合所引起的摩擦阻尼 4 粘塑性阻尼在大振幅 高应力情形下 特别是热塑性复合材料 由于在纤维之间的局部区域内存在高应力和应变集中而表现出非线 性的阻尼特性 5 热弹性阻足是由从复合材料压应力区域到拉应力区域的循环热流 动而引起的 在上述几种阻尼机理中 一般认为第一种机理为主要机理 大多数 阻尼研究都集中于此 1 3 1 1国外研究进展国外对纤维增强聚合物基阻尼材料进行了 许多研究 研究人员不仅提出了各种理论模型来预测材料的阻尼性 能 还在实验方面做了大量的研究工作 取得了较好的研究成果 Kal iske等 应用代表性体积单元微观分析工具建立了复合材料的阻尼模型 该 体积元由一个纤维子元和三个基体子元组成 该模型中假设纤维和基体为线性粘弹性 此方法是由纤维和基体的 耗散特性以及力学特性 推导出了分别与六个工程应力分量相关的 复合材料的六个阻尼系数 Saravanos等 提出了预估单向纤维增强复合材料阻尼的综合微观方法 综合考虑 了基体 纤维 界面孽擦阻尼以及纤维断裂引起的阻尼 分析了与 六个应天津工业大学硕士学位论文力分量相关的六个阻尼系数 模型假设基体耗散特性为各向同性 纤维耗散特性为各向异性 横向 各向同性 模型中还包括了湿度和温度对阻尼的影响 并揭示了正轴阻尼与纤 维 基体特性和纤维体积含量之间的关系 复合材料的偏轴阻尼可 由正轴阻尼值经过变换得到 Hwang瑚1应用应变能量法和有限元法研究了层合复合材料的阻尼特 性 考虑了三维应力状态的影响 Tal bot31等用复模量研究了层合板的阻尼特性 由各个单层的弹性和阻 尼常数推导了层合板的阻尼常数 Adams 一等预洁了复合材料梁的弯曲阻尼 揭示了它们与铺层角 度的关系 其中考虑了梁的纵横比和应力大小的影响 1 a ji me等将碳纤维填充至I环氧树脂体系基体 复合材料不仅具有很高的 硬度 而且阻尼效果明显增大 阻尼性能和力学性能不 又取决于 弹性体的粘弹性 而且还与碳纤维的层合排列方式有关也6 Adams和Bacon 1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 Sayavanos j等基于层合理论 应用有限元法研究了复合材料结构 的阻尼特性 综合考虑了弯扭 面内拉伸和拉弯耦合引起的阻尼 而且还考虑了温度 吸湿 微观破坏以及层闯存在有基体层时对结 构阻尼特性的影响 此外用此法也可计算复合材料结构的模态阻尼 1 3 1 2国内研究进展随着科学技术韵不断进步 我国利用阻尼 减振技术进行振动和噪声的控制在各工业部门日益广泛 作为振动 阻尼技术基础的阻尼材料也得到了迅速的发展 但是相对于国外的研究 我国对于阻尼材料领域的研究起步较晚 在纤维增强树脂基复合材料阻尼 生能的研究领域就涉及的更少 仅有极个别的研究单位在这个领域 做了探索性的研充工作州 范永忠23 q 等研究了纤维的混杂方式对环氧玻璃化转变温度和阻尼性能的影 响 结果表明 经GF CH昆杂吾 复合材科的阻尼性能符合混杂定律 阻尼因子介于GF复合材料与CF复合材料之间 并且都比基体的阻 尼因子大 玻璃纤维和碳纤维对复合材料阻尼性能墅贡献是截然相反的 蓝 玻璃纤维的引入增力E了复合材料的阻尼性能 而碳纤维则恰好相反 从材料设计的角度来说 混杂纤维种类 J a 一 T k 含量的选择与发计对兼顾复合材料的力学性能和阻尼性能起到 了决定住作第一章绪论用 西安航天复合材料研究所的廖英强乜卜231等研究了树脂 纤维及其 纤维增强复合材料的阻尼性能 分析混杂纤维增强复合材料的阻尼 性能时 使用的是体积混合率法 结果表明 混合率法则在复合材料的阻尼研究过程中是一个有效的 方法 为阻尼性能的研究工作指明了方向 叫 中国台湾中山大学的Li ao乜8 等研究了中面内交叠有聚乙烯一丙烯酸 PEEA 的单向碳 环氧及其对称角交铺设碳 环氧层板的阻尼性能 结果表明 结构宏观阻尼有显著的增加 且外层复合材料刚度的影 响作用也很明显 一 j 李明俊二谢 39等将环氧树脂基碳纤维预浸料与T54 T60型改性环氧树脂制成试 样 并与不同厚度的阻尼层材料 ZN28 进行复合 用压敏胶和T54 T60型改性环氧树脂作胶粘剂 考查了两种粘接层 材料和不同粘接层厚度对各向异性交替层合阻尼结构内耗特性的影 响 认为在低于阻尼层材料Ts附近 用压敏胶作粘接层材料 其结构内 耗的温度特性优于用环氧树脂 结构内耗的频率特性与粘接层材料 及其厚度密切相关 胶层越薄 结构内耗的温度特性越好 j 孙大刚等解决了多层阻尼减振结构中各参数之间互为耦连的难题 研究了粘弹性阻尼材料温度一频率的动态特性 并把其特征曲线拟 合成方程 建立了结构的优化模型 孔 蔡敢为 一 等运用层合板类推法和能量耗散原理 导出了三维编织纤维增强复 合材料矩形截面杆 梁类结构的刚度系数和阻尼比计算公式 林敦祥等用有限元法对二维纤维复合材料梁 板的阻尼进行了研究 万志敏 谢1等也在宏观阻尼模型研究方面做了大量的工作 主要分 析了纤维铺设角度 体积分数 阻尼芯层性能 频率 应变状态等 因素对材料性能的影响 虽然很多科研单位和企业的研发工作己取得了较大进展 但多数产 品都只用于民用产业 其中结构阻尼在军事和航空航天产业中较少 应用 由此可见 与欧美等国家相比 我国在阻尼材料领域的研究和发展 方面还存在较大差距 多数研究工作还有待进一步深入开展 1 4选题目的 意义和研究内容1 4 1选题的目的和意义纤维增强 树脂基复合材料具有良好的阻尼性能和力学性能 能有效的降低机 械设备的振动和噪声 己成为国内外阻尼材料研究的热点 针织轴向多层衬纱织物是纺织复合材料增强体的一种新结构 在上 个世纪七八十年代引起人们的广泛关注 由于其优越的力学性能 在航空航天 军事 防弹保护等领域有广 泛应用天津工业大学硕士学位论文用 蚓 然而现在对该织物的研究尚处于初级研究阶段 它的很多性能还需 要进行更深的研究 模态试验可获得完整的导纳曲线 获得诸如固有频率 阻尼比 振 型等重要信息 有些问题要求做整套的模态试验 一般情况下 导纳特性的测试有 时便能说明问题H 1 因此 工程广泛利用模态试验结果直接判断产品质量 提供动态信 息 指出产品动态性能的改进方向 研究MBWK织物增强复合材料的模态性能 提高其在振动和噪声环境 下的可靠性是复合材料结构安全服役的重要保障 目前 已经有一些关于复合材料模态性能的研究 但对MBWK织物增 强复合材料的模态性能还没有系统的研究 旨在通过本论文研究不同碳纤维体积含量对MBWK织物增强复合材料 模态性能影响的实验 能够定量的分析碳纤维体积含量和复合材料 模态参数之间的关系 为以后的理论分析奠定基础 也为MBWK织物 增强复合材料在工程实践中的广泛应 习提供有力依据 1 4 2选题研究内容本课题的主要工作包括以下内容1 MBwK织物 结构参数影响分析对于细观结构主要考查不同连接层数的MBwK织物 增强复合材料的纤维体积含量 连接层数和衬纱方向 试件的长度方 向和经向衬纱一致 为0 试件的长度方向和纬向衬纱一致 为90 等结构参数对材料模态特性的影响 2 不同试件长度MBwK织物增强复合材料模态试验对比分析实验中对 长度为250mm 200mm 150ITl 1 100mm的 不同连接层数的MBwK 织物增强复合材料进行模态试验研宄 分析不同试件长度对材料模 态性能的影响以及固有频率和阻尼比的关系 本课题的研究主要通过试验方法对不同连接层数的MBwK织物增强复 合材料的模态特性进行研究 旨在得到不同结构参数 衬纱方向的不 同 纤维体积含量 对模态性能的影响 这些研究对此类材料的模态分析 优化设计等工作具有重大意义 另外损伤引起的复合材料结构中物理参数 质量 刚度等 的改变也 会反应在结构的模态参数 模态频率 模态振型 模态阻尼等 的变 化 这就使得模态性能的研究对监测和诊断故障具有重要意义 以 此来满足工程实践需求 第二章MBWK织物织造工艺及其增强复合材料的成型工艺第二章MBWK 织物织造工艺及其增强复合材料的成型工艺本论文将高强高模的碳 纤维作为衬经纱和衬纬纱 在织物纵行和横列方向衬入 采用这种 双轴向针织结构可有效发挥碳纤维高强度高模量的性能 从而提高I Vl BWK织物增强复合材料的力学性能 2 1MBWK织物织造工艺2 1 1增强材料碳纤维航空航天结构中需要 轻质高强材料 这样才能承受大载荷而形变艰小因此航空航天工业 界非常重视高比强度和高比模量材料的开发 人们已经仔细地研究过好几种材料 如铝 银 玻璃 硼 碳等 但发现其中大多数都很脆 不适合在航空航天结构中应用 为了尽量减小它们的脆性 己把它们制成纤维形式加进金属和高聚 物基体中去 比较了几种纤维以及它们与环氧树脂的复合材料的比强度和比模量 可以发现 玻璃纤维的比模量很低 而硼纤维和碳纤维的比强度和 比模量都很高 从这两种纤维与环氧树脂基体组成复合材料所得的强度和模里性能 也发现 它们具有发展为高性能复合材料的潜力 碳纤维应用于复合材料中 由有机树脂粘结剂做为基体将其粘结成 牢固的一体 碳纤维在复合材料中的作用是提高刚度和强度 大大降低热膨张系 数 大幅度提高疲劳强度和降低电阻率 制备复合材料的方法是把 碳纤维和其它 程材料按适当的比例复合 把碳纤维加进不同的树脂 基体以及与其它纤维混杂采用适当的制造方法 适当地铺放纤维来 控制纤维的局部含量 可以使复合材料比对应的钢制件强度更高 而重量减少40 70 结构件重量的直接减轻又可导致重量的间接减轻 因为只需要较轻 的支架 卜拦 碳纤维主要应用于两个领域 其一是技术要求很高的领域 包括航 空航天工业和核工业 其二是一般工业和交通运输 包括轴承 齿 轮 风扇等工程部件和汽车车身 然而 这两方面的要求基本上是不同的 例如 碳纤维之所以在飞机和航天飞行器上大规模地应用 主要是 因为要求高性能和最大的燃料效率 至于成本问题和产量要求就显 得不那么重要 而碳纤维在一般工业和地面交通运输工具上的应用 则主要考虑的 是低成本和高生产率 而对性能的要求不是非 常之高 因此在这两类应用中 对材料的形式 可用的基体 混杂的意义 可能采用的制造方法以及生产过程中的质量控制等方面的考虑是很 不相同的 j 碳纤维增强复合材料的物理性能在很大程度上取决于基体性质 纤 维的排列天津工业大学硕士学位论文方式 纤维相基体的体积分数 和控制条件 因此 选择合适的条件就可能获得满足特定要求的复合材料 已经有好几种基体如玻璃 陶瓷和塑料来作碳纤维增强的基体材料 不过 从力学性能 密度和纤维一基体粘结性的角度考核 环氧树 脂通常是最好的选择 但这种基体不适于在高温下使用 也已研制了几种耐高温塑料基体 可望提高复合材料的使用温度范 围 对于很高温度下的应用 已经发展了一种以碳纤维和碳基体制 成的碳一碳复合材料 刖 2 1 2MBWK织物组织结构MBWK织物可设计性艰强 它的结构变化多 样 主要有单向衬纬结构 衬经衬纬双层连接结构 三层连接结构 四层连接结构 五层连接结构 经纱空穿结构及纬纱抽纱结构等 等 此外 bdBWK织物的绑缚系统同样也可以有多种形式 如1 1罗 纹组织 纬平针组织 变化罗纹组织 3 1罗纹 2 1罗纹 2 2罗纹 等H MBWK织物使用的捆绑纱多为质地较为柔软 断裂和剪切强力较高 纱支较细 5 50tex 的纱线 如芳纶 涤纶等 衬纬 衬经等增强纱大多使用纱支较粗 200 2500tex 弹性模量 高 断裂强度高 纱线刚度较大 剪切强力差 芳纶除外 的高性能 纤维 如碳纤维 芳纶纤维 玻璃纤维 高强聚乙烯纤维等 捆绑纱的力学性能对MBWK织物力学性能的影响远远小于织物增强纱 的影响 但是捆绑纱结构的变形较大 而且衬纬纱和衬经纱分层铺 覆在织物中 呈现非交织状态 因此两种衬纱可在一定范围内自由 的转动和滑动 使得成型过程中经纬和衬纱之间的夹角可在很大的 范围内变化 这就使该织物具备很强的变形能力以及易于成型的特 点 本课题所采用的织物是在天津工业大学复合材料研究所改进的针织 横机上进行编织的 为MBWK织物 使用1一 l罗纹组织怍为基本组织 75Dx2涤纶低弹丝作为捆绑纱线 衬纱采 用T300碳纤维 衬经纱被衬纬纱和罗纹组织的沉降弧握持 而衬纬 纱由衬经纱和圈干握持 衬纬纱和衬经纱在织物呈现完全伸直平行 的状态 实验采用的MBWK结构如图2 1所示 图2 1 a 为三层连接MBWK织物 其上下两个表面层是衬纬纱 中间一层 是衬经纱 衬经纱和衬纬纱是成90 角衬入织物中 相互之间无交织 而是通过罗纹针织线圈将两个系 统的衬纱捆绑在一起形成如图所示的结构 图2一l b 为四层连接MB WK织物 上下两个表面层是讨纬纱 中间两层是衬经纱 衬经纱和 衬纬纱是成90 角衬入织物中 衬纬纱和衬经纱无交织 但是两层衬经纱之间并没 有明显界限 是作为同一个切平面上的两种衬经纱被捆绑在一起 形成合股的衬经纱 图2 1 c 为五层连接MBWK织物 上下两个表层是两层衬纬纱 两层衬纬 纱之间被1 l罗纹组织的线圈绑缚在一起形成合股的衬纬纱 中间一 层是衬经纱 五层衬纱被线圈绑缚奎第二章MBWK织物织造工艺及其 增强复合材料的成型工艺一起形成如图所示结构 461 a 纬编双轴向三层连接衬纱织物结构图 b 纬编双轴向四层衬纱织 物结构图 C 纬编双轴向五层衬纱织物结构图图2 1MBWK织物结构图 蚓2 1 3MBWK织物分析本论文中所用到的试样预制件布面平整 结构均匀 衬经纱与衬纬纱被绑缚在捆绑纱的罗纹组织结构中 分 别平行排列在纵行方向和横列方向呈直线状 由于衬经纱和衬纬纱 呈现完全伸直平行状态 因此织物不会出现卷边现象 具备良天津 工业大学硕士学位论文好的稳定性 表2 1给出了MBWK织物预件的主要工艺参数 表2 1BWK织物预制件的主要工艺参数图2 2是MB WK织物的表面的 实物照片 由图可看到 在横机上采用1 1罗纹组织的编织工艺 碳纤维在中排 列非常整齐织物结构均匀平整 织物编过程中衬纱和捆绑纱的损伤都小 图2 2MBWK织物形态照片 惦2 2MBWK织物增强复合材料的复合成型工艺MBWK织物增强复合材 料模态性能不仅与MBWK织物结构和所用增强材料有关 而且也受到 环氧树脂体选取以及固化成型工艺的影响 为了比较不同碳纤维体积含量对复合材料模态性能影响 以及不同 连接层数的MBWK织物结构对模态性能的影响 本论文的实验制作了 三组试样 分别为三层连接 四层连接和五层连接碳纤维MBWK织物 增强环氧树脂 理论厚度为4ram用于模态实验研究和讨论 选取合适的树脂类型即TDE一86环氧树脂以及对树g旨配方的确定 根据MBWK织物的结构特点 确定适合此结构的复合成型工艺 制作 树且旨浸润性能比较良好而且孔隙率较低的复合材料 并对所制作 的N BWK织物增强环氧树脂基复合材料的一些基本参数进行测试 第二章MBWK织物织造工艺及其增强复合材料的成型工艺2 2 1树脂 的选用纤维增强复合材料的基体材料 主要分为热塑性树脂和热固 性树脂两大类 本实验用环氧树脂 在其中掺入催化剂和固化剂 以一定配比配制 而成 密度为1 29 cm3 环氧树脂具备优异的使用性能和工艺性能 选用不同的固化剂以及固化剂配方 不同的环氧树脂品种 可以在O 180 C温度范围内的不同温度下进行固化环氧树脂对各物质都有很高黏附 力 是由于其结构中存在醚键和羟基 环氧树脂与所用固化剂的反 应经常是通过直接加成反应 或者是树脂分子中环氧基的开环聚合 来进行反应的 没有水或其他挥发性产物生成 因此 固化收缩率 很低 小于2 环氧树脂固化后具有良好的电性能 优异的力学性能 良好的尺寸 稳定性 很强的化学稳定性 具有耐酸耐碱生手墨耐溶剞性 耐久 性 固化后的环氧树脂耐大多数霉菌 可以在湿热环境下使用 一1 2 2 2复合成型工艺RTM是首字母缩写 称为树脂传递模塑工艺 是将树脂注入闭合模具中浸润增强材料并固化成型的工艺方法 近 年来RTM发展很迅速 这项工艺是适合多品种 中批量 高质量先进 复合材料制品生产的成型工艺 它是一种接近最终形状部件的生产 方法 树脂传递模塑技术最早出现于20世纪40年代中期 最初是为成型飞 机雷达罩而发展起来的 RTM工艺虽然成本较低 但技术要求高 特别是对原材料和模具的要 求较高 且对气泡难以排尽 纤维浸润性差 树脂流动出现死角 等问题未能找到好的解决办法 因此当时未能大规模推广 进入20世纪80年代 各国对生产环境的要求日益严格 如对工作区 苯乙烯的限量浓变在100 xl o 石以下 再加上RTM技术的诸多优点 RTM成型技术的研究 应用 和推广开始活跃 日本将RTM和拉挤两工艺推荐为最有发展前途的工艺 并组织开展了 大量的研究工作 同时民用复合材料界在生产成本 生产周期和环 保新要求的压力下也出现了RTM研究和应用的热潮 近几年 RTM技 术已经在航空航天 汽车工业和军事工业中获得较广泛的应用 卜7 树脂传递模塑属于复合材料的液体成型工艺 其基本原理是在设计好的模具中放置经合理设计和制备的预成型增 强体 闭合模具后 将所需的树脂注入模具内 当树脂充分浸润增强材料后固化成型 然后脱模获得产品 1 本论文中实验所采用增强体结构是以碳纤维为衬纬纱和衬经纱的MBW K织物 厚度与紧密度都不及三维机织物和编织物 树脂比较容易渗 透 故选用RTM工艺 RTM工艺流程如图2 3所示 天津工业大学硕士学位论文织物干燥卜 叫织物修剪卜 一织物称重 土I清理模具卜一一涂脱模剂卜 一增强织物铺放卜 叫真空处理l n 琵丽话H树脂称重卜 一注入储料罐P纠注入树脂 密封Jr固化上脱模清洗上获得制品图2 3RT 工艺流程图2 2 3纤维体积含量计算从模具中取出复合材 料层合板 棒其放置24小时 便可对其进行基本参数的测试与分析 可以通过两种方法来计算增强体碳纤维体积含量的计算 一种是理 论计算的方法 另一种是称重法 称重差可以利用MBWK织物中的碳纤维实际重量 以及固化后复合材 料层合板的实际尺寸计算得出 因此其数值是比较准确的 根据公式可算出碳纤维体积含量Vi V 一 v 0 f2 1 式中 为MBWK织物中碳纤维体积含量为 MBWK织物增强复 合材料的总体积为K 单位为cm3 mf是MBWK织物增强复合材料中碳 纤维的重量 单位为g T300碳纤维的密度为 i 单位为g cm二 理论计算Ivl BWK织物中碳纤维的体积含量 其计算公式如下1vj 2ICc c hp 2 2 式中 m为碳纤维增强MBwK织物言勺平方米克重 单应为 0 ITl二 h为MBwK织物增强复合材料层合板的厚受 单应为mIn pj为T300碳纤维的密良 单壁为g cmj 第二章MBWK织物织造工艺及其增强复合材料的成型工艺以上两种方 法都可以用来计算MBWK织物增强复合材料中碳纤维的体积含量 但 是由于织物织造以及制作试件过程中的许多不确定因素 我们不能 保证织物克重在每个地方都是均匀一致的 因此计算碳纤维体积含量时 理论计算的方法就会使数据出现不准 确 误差偏大的情况 利用称重法计算碳纤维体积含量的时候 由于织物重量是在固化之 前称重得到的 这样得到的数据往往比较准确 狮 以上两种方法计算出的碳纤维体积含量的结果见表2 2 从表2 2中可看出 两种方法计算出的纤维体积含量值吻合度不是很好 利用织物平方米克重这种理论方法得出的碳纤维体积含量值略高于 称重法得出的织物纤维体积含量值 这主要是因为称重法计算碳纤维体积含量时 实际织物重量小于利 用每平方米克重得出的织物重量 而且MBWK复合材料层合板的实际 厚度比理论值要大一些 这就造哎了理论计算碳纤维体积含量的不 准确性 表2 2理论计算值和称重法测量值结果对比简称3L4P代表MBWK织物增强复 合材料层合板是用四层这样的三层连接织物铺设而成的 5L2P代表M BWK织物增强复合材料层合板是用两层这样的五层连接织物铺设而成 的 以此类推 下同 表2 3给出了MBWK织物增强复合材料层合板总体的纤维体积含量 以及每 一衬纱方向 试件的长度方向和经向衬纱一致 为0 试件的长度亨向和纬向衬纱一致 为90 j上碳纤维的纤维体积含量 由表2 3可以看出 对于同一试件来说 两个方向上的碳纤维含量几乎相同 我们可以根据这个来预测两个方向上的模态性能是没有显著差异 的 天津工业大学硕士学位论文表2 3不同衬纱方向碳纤维体积含量织 物结构层数试i 牛整体Vf Oo方向Vf 90 方向Vf 三层连接4 3L4P 34 517 2517 255 3L5P 43 1323 219 936 3L6P 51 7525 87525 875四层连接3 4L3P j j17 6517 654 4L4P 44 521 55 4L5P 5527 627 4五层连 接2 5L2P 31 215 515 7L5L3P 44 925 419 54 5L4p 59930299第三章MBWK织物增强复合材料的试验模态分析第 三章MBWK织物增强复合材料的试验模态分析3 1模态分析技术概述3 1 1模态分析技术及其应用模态分析可定义为对结构动态特性的 解析分析和试验分析 其结构动态特性用模态参数来表征 在数学上 模态参数是力学系统运动微分方程的特征值和特征矢量 而在试验方面则是试验测得的系统之极点 固有频率和阻尼 和振 型 模态向量 然而随着模态分析技术应用研究范围的不断发展 无论是从系统识 别 或者结构灵敏度分析 以及动力修改等方面的研究中 模态分 析技术己被广义地理解为确定力学系统动态特性以及与其应用有关 的大部分领域曲一1 通过模态试验可获得完整的导纳曲线 从而获得诸如固有频率 阻 尼比 振型等重要信息 有些问题并不要求做整套的模态试验 通过选取的几个特殊点的导 纳特性的测试有时便能说明问题 因此 在工程中广泛利用模态试验结果直接判断产品质量 提供产 品动态信息 指出产品动态性能的改进方向 降低激励或降低结构对激励的响应 或者同时降低二者 都可以降 低结构的振动程度 在设计阶段 通过改变机具设备的响应性能 变动设备在结构中的 位置 或者使设备与结构隔振 这都可以降低激振力和位移 改变结构的质量或刚度 改动振动点的位置 或者增大结构阻尼 也能改变结构的响应 当然 无论是在设计阶段还是在修改现有的结构时 都必须仔细分 析 才能预计这些变化后的效果 那些零振幅点是安放高精密度仪器的常用位置 还有一种特殊振型 当力作用在这个振型节点之一时 不会激起振 动 侧 如果想通过在结构中增加结构阻尼来降低振动等级时 应首先降低 振源处的振动激励 大家都知道 许多机器操作时都能够产生这种或那种扰动 但对扰 动力的频段不应同结构的自频率相一致或靠近 否则就会发生共振 其结果会导致高振幅和高动应力 以及噪声和疲劳问题 共振也会阻止结构实现其所要求的功能 改变产生振动的机器能使激励得到降低 但是这种情况通常只有在 设计阶段完成 把设备迁移到新地方也可以起到一些改善的作用 然而对于像地i面运动 从邻近建筑吹来的侧风或湍流等这种外部激 励源引起的结构振动 只有对结构增加阻尼 才能被控带0住 在某些机器和结构中 激励产生的振动只是过程的一部分 譬如在 振动输送天津工业大学硕士学位论文机和压实机中 以及在超声波 焊接中就是这样 所以 附近的结构必须加以保护使之免受振动 转动机例如电风扇 涡轮机和推进器 就能在各种不同的频率下 例 如转速和叶片通过的频段 产生扰动力 气体中的压力起伏 管道中的液体流动 诸如房屋建筑中起重机所 加上的间歇荷级等作用 都能在结构中引起强烈的振动W3 模态分析技术最早应用于航空航天领域 随着科学技术的迅速发展 在诸如车辆 船舶等产品结构的振动特 性方面也起到至关重要的作用 可以对产品的振动特性做预测来设计改善乘坐的舒适性 以及对噪 声的控制 同时电子计算机技术的发展 大大降低了工程中模态分析技术的费 用 这就促进了模态分析技术应用领域的进一步扩大 并日益成为 工程结构系统进行动力学分析动力学分析领域中不可缺少的现代化 方法和手段 3 1 2模态分析技术的历史发展模态分析技术的发展扣剀源于上世 纪30年代提出的将机电进行比拟的机械阻抗技术 但是受到那时候的计算机技术以及对应的测试技术限制 使得模态 分析技术的发展在很长的一段时期内是非常缓慢的 一直到50年代末 模态分析技术的分析方法都仅限于离散的稳态正 弦激振方法 在60年代初期 跟踪滤波器的出现大大节约了测试频响函数的时间 这就为模态分析技术成为切实可行的应用奠定了基础 后来出现 了四相测试仪 这就意味着可以利用模态的正交性来分离相邻的较 近的模态 同时有学者开始探索使用数字计算机对模态参数进行识别 主要想 转换为数值计算的方法来进行模态参数的识别 这一研究方向也因为许多研究者的关注 发展成为现代模态分析技 术中模态参数识别的唯一有效手段 模态分析技术的频域方法j训中的多点稳态正弦激振法和单点激振频 响函数法在70年代中期以前就已经发展成熟 快速富立叶变换计算方法 FFT 大大节省了单点激振频响函数法对频 响函数的测定时间 此后脉冲激振 随机激振 伪随机激振等试验激振方法也相继出现 单点激振频响函数法操作方法简单 费用低廉 因此对于精度要求 不是特别高的故障诊断中应用的较为广泛 多点稳态正弦激振方法能够分离不同布点密集的模态 降低了丢失 模态的可能性 假如结合使用频率分辨率较高的信号源 则试验结 果的精确性可以与有限元分析的结果相比照 不过多点稳态正弦激振方法的试验设备是很宠大的 费用也相对来 说很昂贵 而且它会依赖于试验人员的经验来对激振力进行适调 试验周期比较长 因此多点稳态正弦激振方法更多用在了航空航