影响碳纤维复合材料层合板固有频率的因素分析

  复合材料是种基体材料及增强体材料组合而成结构材料。各种材料在性能上互相协调,产生协同效应,使复合材料的综合性能远优于原组成材料面满足各种不同的要求。多层单层板粘合在一起组成整体的结构板,成为碳纤维层合板。

  交错粘合的层合板是碳纤维增强复合材料最为常见的形式之一,层合板主要由一系列单向增强的铺层铺叠而成。在典型情况下,薄片每层厚度约为0. 2mm,把纤维平行铺设在薄片内,然后注入尚米固化的环氧树脂或其他热固性聚合物基体材料。每层纤维取向具有任意性特点,而且铺叠顺序也能够自由设定,进而使层合板达到要求的使用性能。本文通过对碳纤维增强碳基和树脂基复合材料周有频率的研究,得出影响因有频率的因素主要包括碳纤维结构、基体、温度、损伤等四个因素。

  1.纤维结构影响

  碳纤维增强复合材料的结构动力响应特性都和复合材料铺层比、铺层顺序、铺层方向等参数息息相关。对于复合材料板自由振动的研究,得出固有频率随纤维体积含量的增大面升高,同时发现了纤维编织角对固有频率的影响规律,对于模态(m,n)(m,n为锭了排成m行和n列的主体列阵)的固有频率,当m>n时,随编织角的增大,固有频半在减小,当m<n时,随编织角的增大,固有频率也增大。

  同时,对于简支的层压板或四边固支层压板,在铺层数和纤维含量不变的前提下,如果想降低固有频率,可以增加±45。碳纤维铺层比例或尽量使±45°铺层往表层铺设来进行调整。如果想要提高简支或四边固支层压板的固有频率,可以尽量把0°/90° 铺层往外表面铺设,还可以增加0°/90"铺层比例进行调整,避免出现频半共振现象。

  2.基体影响

  基体是纤维增强复合材料不可或缺的组成部分,对复合材料振动性能具有特别重要的影响。例如,对于碳/碳复合材料,碳基体包括光滑层、粗糙层、各向同性层。在热解碳组织中,粗糙层与光滑层主要是层面组织结构,结构具有较强的顺序性,但各向异性、规整度、密度等结构特性差异性较大。各向同性层结构具有较低的有序性,球状粒子的堆积形式混乱、无规则,而且其密度也较低。在碳基体中,一般各向同性层组织很少出现,因而主要研究单一含有光滑层和粗糙层的碳/碳复合材料。实验结果显示,光滑层基体的碳/碳复合材料一阶固有频率比粗糙层基体的碳/碳复合材料高,这是因为粗糙层热解碳组织裂纹含量比光滑层热解碳组织裂纹含量大,粗糙层基体强度比光滑层基体强度低,进而降低了复合材料弹性模量和固有频率。

  3温度影响

在热环境条件下,碳纤维增强复合材料会引起振动特性的改变,而复合材料壁板结构固有振动特性会受到显著影响。研究表明,材料固有频率会随温度升高而降低。杨自春研究了受热复合材料层合板非线性热振动情况,得出温度效应对复合材料层合板振动模态和固有频率具有显著影响,各阶固有频率会随温度升商而下降,而且对于不同铺设角和铺层方式复合材料层合板固有频率,温度效应具有不同的影响程度。

  4.损伤影响

  研究人员在实验中计算了椭圆分层层合板声激励响应、阳尼和固有频率,结果显示,当分层越靠近表面,其对局部模态的影响越明显,进而会增加共振峰值的密集程度和模态密度,分层损伤能够降低层合板结构刚度,进而降低结构振动固有频率。当分层区域小于30%时,对结构固有频率影响甚微,而随着振动模态的增加,临界区域会逐渐减小;当增大分层区域时,其振动频率的改变量小于开孔减小量。复合材料层合板出现开孔时,会引起振动频率的减小,而增大孔径会使振动频率随之降低.开孔位置的改变能够导致各阶固有频率的改变,孔在振动模态最大位移时频率会急剧减小,而孔在振动的节点时频半会有微小的改变。