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
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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
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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
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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
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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,那末可确定阻尼常数霸、%、%2和%3,预测了在单轴拉伸、弯睦、剪切情况下的损耗模量和SDC, 并与其理论结果进行了比较。

Kenny和Marchetti 推荐了一个数学模型,可以预
测在高应力下材料的粘弹一塑性响应,以及它对PEEK(聚醚醚酮树脂基碳纤维复合材料疲劳破坏的影响。

理论和所观察到的试验结果的良好一致性,表明在屈服应力点上阻尼的不连续性,及在高应力下(塑性阻尼特殊的高阻尼值。

另一方面,在塑性阻尼区,可以发现温度上升幅度很大。

用于纤维增强复合材料阻尼分析的微观力学方法为研究阻尼机理、组成成分(树脂基体,纤维影响、以及纤维一树脂相互作用及其几何参数影响提供了更好的手段。

在这个研究方向上, Saravonos和Chamis的综合微观力学阻尼理论是正确的一步,包括纤维增强复合材料阻尼的分析和优化。

2.3粘弹性方法
粘弹性方法已经被许多研究者成功地应用于粘弹性材料的动态力学性能的研究工作。

利用阻尼测量结果,在一定的几何尺度和时间尺度范围内若干内在的变化和松弛机理等被揭示出来,几何尺度范围是从晶格尺度到宏观结构尺度,而时间尺度是在一个类似于宏观结构尺度的长时间尺度范围内的一瞬间,到类似于宏观结构尺度的长时间尺度的长时间。

Bagley和Torvik以逼近法解运动方程的方式,借助于覆盖宽频率范围的分部计算法,模拟了粘弹性阻尼结构的动态力学阻尼。

Golla和Hughes借助于损耗坐标对无阻尼运动方程的正则M和K型,综合研究了粘弹性材料的阻尼效应,提出了有限元表达式。

Pritz推荐了一个四参数分部导数模型,用于描述在宽频带范围具有低振动阻尼(金属以及具有高阻尼的聚合物材料的阻尼性能。

Lesientre和Mingori进一步提出了一个增广的热力学场模型(ArF。

ATF是一个时域的连续性材料阻尼模型,它保持了阻尼性能对频率的依赖性,并与有限元结构分析方法有兼容性。

Lesieture和Mingori建立了粘弹性替换场方法(ADF,用于模拟由线性粘弹性组分制造的单向长纤维增强的复合材料的时域径向性能。

这里, 在早期的方法中未用物理阻尼机理直接定址,它对替换场的影响是明显的。

这种方法认为所有的替换包括两个部分,弹性部分和滞后部分。

按照对应组分的性能和各组分相应的体积分数,
可以获得有效的复合材料滞后替换场以及材料的性质,如?对频率和时间有依赖性的复合材料模量以及复合材料阻尼。

Li和Weng运用Burger的四参数模型来研究有效的蠕变性质,并研究了由粘弹性的树脂基体加上有序排列的椭圆形增强纤维所组成的粘弹性正交各向异性复合材料的九个复数参数,提出了一个普适的微观力学粘弹性理论。

在低频率谐振条件下,这九个复数模量的实部和虚部,作为纤维长径比、纤维体积分数、以及频率的函数都可以得到研究。

有效弹性模量的实部与其弹性的对应性随频率的增加有良好的相关性,而有效弹性模量的虚部则发现依赖于纤维的剖面形状及加载
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的频率。

2.4界面的研究
纤维.树脂界面的情况显著地影响复合材料的力学性能,同时也常常会影响材料的阻尼性能。

纤维增强复合材料中的界面键接情况可以用弱、理想或强来区别。

理想的界面可以传递载荷但是不能提供阻尼性能。

Nielson介绍了用于界面键接情况理想的纤维增强复合材料的损耗角正切(tanO ℃的混合物准则。

Kubat、Ziegel和Ramanov研究了复合材料从弱界面键接到强界面键接的全部界面键接情况中各种界面键接类型的影响。

他们推荐了两个参数A和B,涵盖了所有的有缺陷的界面。

参数A(对应的阻尼相对于树脂基体组份的阻尼来说属界面键接的阻尼和界面的阻尼 (tanOt,表征复合材料中粘接不好的界面的键接情况,而强的界面键接区域(对阻尼无贡献则用参数B来确定。

Murayama建立了一种模型,可预测尼龙和PET纤维增强硫化橡胶复合材料的阻尼(作为真实的复合材料与界面键接情况理想的复合材料两者之间阻尼的一种差别性能,并发现其阻尼性能与界面的剪切强度直接相关。

Similarly Cinquin等人发现随着界面键接的情况的改善,其阻尼性能相应降低。

这些
结果已被动态力学分析(DMA测试所证明,使用动态力学分析法测定界面阻尼比别的力学测试法更加精确。

Chaturvedi和Tzeng提出了三种微观力学模型,用来预测有序排列的短纤维增
强三相聚合物复合材料的阻尼性能。

这些模型相对于上面所提到的简单模型更容易理解而且更加精确。

在这里, 相界面被认为是与纤维和块状树脂基体完全不同的第三相,它有着本身的粘弹特性。

参数的研究结果指出纤维的长径比(L/d,以及似乎是主要参数的相界面材料的弹性模量和阻尼性能,将显著地影响这个三相复合材料体系的动态刚度和粘弹阻尼性能。

这个模型主要的缺点是输入界面的一些数据,如:几何参数、以及相界面材料的性能己被内插而不能获得实验值。

在某些情况下, 相界面的体积分数已经根据纤维的六边形排列所确定,这些纤维被改性树脂基体层包围,导致相界面的体积分数(Ⅵ在5%~30%之间变化。

Vantome利用能量平衡法建立了两相和三相的模型,以获得材料性能与设计参数间的逼近关系。

复合材料(E一玻璃纤维增强环氧树脂的径向、横向以及剪切损耗因子的预测,根据纤维、树脂基体、相界面对阻尼的贡献不同而采用不同的模型。

这种三相模型显示出低弹性稳定性、质量差的界面对于单向层压复合材料的阻尼性能有显著的影响。

但是对于普通质量的界面,则需要更加敏感、更加精确的阻尼测量方法,来确定界面阻尼对于整个复合材料阻尼性能的贡献。

我们需要共同努力来发展这个三相微观力学阻尼模型,使它能够与横向应力及剪切应力作用模式下相界面的影响很好地结合起来。

相界面弹性和阻尼特性(输入关于三项模型的数据的实验性表征则是另外一个尚未研究的主要课题。

2.5阻尼模型的改进
复合材料的阻尼研究的大量工作都由于采用应力的二维状态而受到限制。

对于数学建模,复合材料的单个薄层都被认为是均匀的,并且是各向同性的,但是在层压制品的所有薄层中,整个厚度中的层与层都是不均匀的,而且通常都是各相异性的。

更重要的是,组成复合材料的纤维和树脂基体的弹性性能有更大的差异,导致复合材料薄层平面内弹性模量与横向剪切模量的高比值。

所以忽略平面外应力的经典的层压制品理论 (cLT是不足以分析多层复合材料的。

因此, 为了达到分析的可靠。