郝文銳，梁 森，韋利明，梁天錫

(1.中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900;2.青島理工大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，山東 青島 266033)

復(fù)合材料由于具有較高的比強(qiáng)度、比剛度、抗疲勞、耐沖擊、可設(shè)計(jì)等一系列優(yōu)點(diǎn)，近年來在航空、航天、機(jī)械、生物、醫(yī)學(xué)、體育等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用［1，2］。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，高速、重載工況對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件的強(qiáng)度和阻尼特性提出了更高的設(shè)計(jì)要求，復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性又為其強(qiáng)度和阻尼性能的進(jìn)一步提高和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了廣闊的空間［3］。嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)(Embedded and Co-cured Composite Damping Structure，ECCD)為將3種不同性質(zhì)的材料通過物理或化學(xué)的方法復(fù)合而成的一種多相固體［3］。從組成和結(jié)構(gòu)上分析，其中有一相在層內(nèi)基本上是連續(xù)的，稱為基體;另一相是被基體分散包容的，稱為增強(qiáng)相;還有一相是各向同性的粘彈性阻尼材料［3］。其基體相、增強(qiáng)相和粘彈性阻尼材料在性能上互相協(xié)調(diào)，大幅度提高了構(gòu)件的阻尼，得到單一材料難以比擬的綜合力學(xué)性能［3］。與傳統(tǒng)的阻尼結(jié)構(gòu)相比，這種結(jié)構(gòu)阻尼材料鑲嵌在基體內(nèi)部，具有不脫落、抗老化等優(yōu)點(diǎn)，已成為研究的熱點(diǎn)［4-8］。

泡沫夾芯結(jié)構(gòu)在航空、航天及民用產(chǎn)品等領(lǐng)域有大量應(yīng)用。聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)泡沫是在國外首先研制成功并投入工業(yè)化生產(chǎn)的，具有密度小、耐高溫、抗壓和比強(qiáng)度高等特點(diǎn)，且具有優(yōu)異的二次加工性能和與其他復(fù)合材料的粘接固化等綜合性能，多被用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的夾芯［9，10］。和蜂窩芯相比，各向同性的PMI泡沫在熱壓罐固化過程中，能滿足側(cè)壓下尺寸穩(wěn)定性，并能將壓力均勻地傳遞給泡沫下的面板，還具有成型質(zhì)量高的特點(diǎn)［10］。

本文將ECCD結(jié)構(gòu)和PMI泡沫的特點(diǎn)相結(jié)合，提出了用ECCD結(jié)構(gòu)作為面板、PMI泡沫作為夾芯材料，設(shè)計(jì)出一種新型復(fù)合材料儀表板，通過使用低密度的PMI夾芯層，使整個(gè)儀表板具有剛度高、減振性能優(yōu)異的效果，并采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)該新型儀表板的靜力學(xué)性能進(jìn)行了分析研究，結(jié)論為精密、高速、動(dòng)載復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計(jì)提供參考。

1 設(shè)計(jì)方案

如圖1所示，儀表板上有精密儀器的安裝孔，因此要求儀表板的厚度不能超過15 mm，需保證較高的剛度和強(qiáng)度，并且滿足輕質(zhì)要求。

圖1 儀表板正、反面示意圖

為此本文提出了兩種設(shè)計(jì)方案，它們?cè)诤穸确较虻匿亴禹樞蚍謩e為:［45/0/d/-45/90/d/90/-45/d/0/45/PMI/45/0/d/-45/90/d/90/-45/d/0/45/PMI/45/0/d/-45/90/d/90/-45/d/0/45］和［45/d/90/d/0/d/0/PMI/45/d/90/d/0/d/90/d/45/PMI/0/d/0/d/90/d/45］，其中 d 代表 0.1 mm阻尼材料層。在第一種鋪層方式中使用的是纖維復(fù)合材料預(yù)浸料，其每層厚度為0.125 mm，整個(gè)儀表板是由厚度為1.3 mm 的蒙皮、5.55 mm 厚的 PMI、1.3 mm 的蒙皮、5.55 mm厚的PMI和1.3 mm的蒙皮構(gòu)成;第二種鋪層方式使用的是編織布復(fù)合材料預(yù)浸料，其每層厚度為0.23 mm，它是由厚度為1.22 mm 的蒙皮、5.505 mm 厚的 PMI、1.55 mm 的蒙皮、5.505 mm厚的PMI、1.22 mm的蒙皮構(gòu)成。兩鐘設(shè)計(jì)方案所得儀表板的總厚度均為15 mm。

選用的碳纖維復(fù)合材料(T300/QY8911)、編織布復(fù)合材料(CF3031/QY8911)阻尼薄膜、PMI夾芯材料、鈦合金螺釘套的主要力學(xué)參數(shù)分別見表1～表5。

儀表板由5層結(jié)構(gòu)組成，它在厚度方向上的結(jié)構(gòu)以及螺釘與結(jié)構(gòu)之間的連接關(guān)系如圖2所示。螺釘安裝套固定方式簡單，主要靠粘結(jié)劑將其粘結(jié)在中間復(fù)合材料上，而且對(duì)中間復(fù)合材料預(yù)浸料的鋪層沒有太大影響，使制作工藝比較簡單。

表1 碳纖維T300/QY8911的主要力學(xué)參數(shù)

表2 編織CF3031/QY8911主要力學(xué)參數(shù)

表3 阻尼薄膜的主要力學(xué)參數(shù)

表4 PMI的主要力學(xué)參數(shù)

表5 鈦合金的主要力學(xué)參數(shù)

圖2 儀表板的截面結(jié)構(gòu)示意圖

2 計(jì)算分析

2.1 邊界條件

邊界條件包括約束和外載荷，當(dāng)外載荷固定時(shí)，為適應(yīng)不同工況，采用3種約束邊界條件模擬實(shí)際情況，具體情況為:

1)邊界約束條件1。將儀表板外圓柱母線上網(wǎng)格點(diǎn)的6個(gè)自由度(3個(gè)移動(dòng)自由度、3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度)全約束，目的是造成一個(gè)周邊固支邊界條件，以模擬螺釘連接情況下結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)性能，其示意如圖3所示。

圖3 邊界約束條件1示意圖

2)邊界約束條件2。將外圓環(huán)上網(wǎng)格點(diǎn)的3個(gè)移動(dòng)自由度約束，圓環(huán)半徑是螺釘套中心線到外圓之間長度，目的是造成一個(gè)周邊簡支邊界條件，以模擬螺釘連接情況下結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)性能，其示意如圖4所示。

圖4 邊界約束條件2示意圖

3)邊界約束條件3。如圖5所示，約束小紅圈這一點(diǎn)約束3個(gè)移動(dòng)自由度，圓柱母線限制z向(垂直板面方向)移動(dòng)自由度，目的是造成一個(gè)周邊簡支邊界條件，以模擬螺釘連接情況下結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)性能。

圖5 邊界約束條件3示意圖

4)外載荷條件。將儀表板兩邊共安裝組件的重量為16 kg，儀表板受縱向過載(垂直板面方向)75 g，作平均處理后，均勻加載在每一個(gè)螺釘孔上。

圖6 外載荷施加示意圖

2.2 結(jié)果分析

針對(duì)2種設(shè)計(jì)方案的模型，分析其不同邊界條件下，靜力學(xué)分析結(jié)果，其最大變形量及其位置、最大應(yīng)力及其位置分別列于表6、表7。其中最大變形出現(xiàn)位置均為儀表板中心處。

表6 設(shè)計(jì)方案1儀表板的靜力學(xué)分析結(jié)果

表7 設(shè)計(jì)方案2儀表板的靜力學(xué)分析結(jié)果

從表6與表7可以看出:設(shè)計(jì)方案1模型和設(shè)計(jì)方案2模型的計(jì)算結(jié)果中 z向最大位移變化不大，且均不超過0.3 mm，可以說性能優(yōu)異。由于編織布復(fù)合材料的力學(xué)性能與纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能不同，導(dǎo)致最大應(yīng)力位置和最大應(yīng)力的數(shù)值發(fā)生了不同程度的變化，但都在相對(duì)應(yīng)力的安全范圍之內(nèi)，滿足靜態(tài)載荷的受力要求。以設(shè)計(jì)方案2的計(jì)算模型為例，它在邊界條件1下的z向變形量模擬分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 設(shè)計(jì)方案2在邊界條件1下的z向變形量(mm)

設(shè)計(jì)方案2模型在邊界條件2下的應(yīng)力模擬分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 設(shè)計(jì)方案2在邊界條件2下的合成應(yīng)力(MPa)

設(shè)計(jì)方案2在邊界條件3下的應(yīng)力模擬分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 設(shè)計(jì)方案2在邊界條件3下的合成應(yīng)力(MPa)

3 結(jié)論

本文針對(duì)某儀表板質(zhì)輕、高強(qiáng)度的性能要求，提出采用共固化嵌入式阻尼復(fù)合材料與PMI泡沫夾芯組合結(jié)構(gòu)的兩種設(shè)計(jì)方案。通過有限元模型的計(jì)算分析初步表明，兩者均能達(dá)到質(zhì)輕、高強(qiáng)度的要求。相比而言，方案一的性能更優(yōu)一些，結(jié)論可以為精密、高速、動(dòng)載復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計(jì)提供參考。

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