周期微桁架結(jié)構(gòu)復(fù)合材料阻尼特性的研究

1、周期微桁架結(jié)構(gòu)復(fù)合材料阻尼特性的研究    摘 要：本文應(yīng)用ANSYS 軟件分別建立了四面體型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)鋼桁架模型、周期微桁架結(jié)構(gòu)復(fù)合材料模型以及施加質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合材料模型，并分別對(duì)三個(gè)模型進(jìn)行了諧響應(yīng)仿真分析。針對(duì)三個(gè)模型，分別繪制出各個(gè)關(guān)注節(jié)點(diǎn)的幅頻曲線，并通過比較不同模型相同節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)，研究不同模型的吸能減震效果。研究表明，添加橡膠材料的復(fù)合材料模型的吸能減震效果明顯好于鋼架點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的效果，而施加質(zhì)點(diǎn)后的模型具有更好的吸能減震效果。關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 ；微桁架結(jié)構(gòu)；ANSYS；諧響應(yīng)分析；阻尼特性中圖分類號(hào)：TB3331引言現(xiàn)代汽車的振動(dòng)和噪聲

2、特性是衡量汽車質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，振動(dòng)和噪聲不僅降低了汽車駕乘人員的舒適性，而且會(huì)給周圍環(huán)境造成噪聲污染，因此汽車振動(dòng)與噪聲控制已成為當(dāng)今汽車整車制造企業(yè)和零部件企業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一。在減振降噪的方法中，主要是從結(jié)構(gòu)和阻尼材料上加以應(yīng)用和控制。由于復(fù)合材料具有高硬度、高比強(qiáng)度、高比剛性、阻尼減震性好、加工成型方便等突出優(yōu)點(diǎn)，自20世紀(jì)40年代興起以來，一直成為世界關(guān)注、研究的熱點(diǎn)，得到迅速發(fā)展。已逐步取代木材及金屬合金，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑、健身器材等領(lǐng)域，在近幾年更是得到了飛速發(fā)展。復(fù)合材料種類繁多，目前研究和應(yīng)用比較成熟的幾種復(fù)合材料有樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、

3、陶瓷基復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)水泥等。其中金屬基復(fù)合材料，基體金屬主要使用Mg、Al、Ti等輕金屬及其合金。近年來以鋼鐵作為基體的復(fù)合材料在國外也正在開展研制。本文即以鋼鐵基復(fù)合材料作為研究對(duì)象。因?yàn)椴牧系男阅懿⒉皇且怀刹蛔兊囊蕾囉诓牧系幕瘜W(xué)成分，在很大的程度上還取決于材料的微觀組織結(jié)構(gòu)。因此，對(duì)復(fù)合材料微觀組織結(jié)構(gòu)的研究同樣得到了國內(nèi)外學(xué)者的重視。點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)是近年來提出的一種力學(xué)性能優(yōu)異的新型結(jié)構(gòu)?？紤]到這種新型桁架結(jié)構(gòu),可產(chǎn)生較好的阻尼作用,以達(dá)到控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的，因此本文將對(duì)四面體型周期微桁架結(jié)構(gòu)的鋼鐵基復(fù)合材料的阻尼減震性能進(jìn)行研究。2四面體型周期微桁架結(jié)構(gòu)復(fù)合材料及其阻尼2.1 點(diǎn)陣材

4、料點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)是在2000 年左右由西方材料學(xué)界哈佛大學(xué)的Evans 教授、劍橋大學(xué)的Ashby 教授和MIT 的Gibson 教授等人提出的一種新型結(jié)構(gòu)，也稱為“類桁架結(jié)構(gòu)”1。這種結(jié)構(gòu)形式類似于現(xiàn)有的空間網(wǎng)架，只是在尺寸上要小的多。該結(jié)構(gòu)具有超輕、比剛度高、比強(qiáng)度大、可控的優(yōu)化設(shè)計(jì)能力以及隔熱、降噪、吸能、制動(dòng)等多功能性，受到了材料學(xué)界的重視，吸引了越來越多的學(xué)者關(guān)注這類材料的研究，而且研究伊始，點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)就被普遍地作為一種高端材料來研究。因此，點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)成為當(dāng)前國際上認(rèn)為最有前景的新一代先進(jìn)、輕質(zhì)、超強(qiáng)韌材料 2。點(diǎn)陣材料是一種模擬分子點(diǎn)陣構(gòu)型制造出的一種有序超輕多孔材料。點(diǎn)陣材料是

5、由結(jié)點(diǎn)和結(jié)點(diǎn)間連接桿件單元組成的周期結(jié)構(gòu)材料。它的特點(diǎn)是其細(xì)觀構(gòu)型均為二維或三維網(wǎng)架體中國科技論文在線-2-系，網(wǎng)架中的空隙沒有用來承載的填充物。目前，研究者提出了點(diǎn)陣材料的多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要包括四面體型(tetrahedral)、金字塔型(pyramidal)、3D-Kagome、八面體型(octet-truss)和lattice block 構(gòu)架等多種(如圖1)。其制備方案為基于金屬纖維編織工藝基礎(chǔ)之上的網(wǎng)系疊層點(diǎn)焊方案、熔模鑄造方案和基于微接觸印刷技術(shù)基礎(chǔ)之上的扎制-電鍍焊接方案，所采用的材料均為鋁、鋼等。圖1 幾種點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)Fig.1 Several sandwich structu

6、res2.2 復(fù)合材料復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上的不同材料組合而成的機(jī)械工程材料。各種組成材料在性能上能互相取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料，從而滿足各種不同的要求3。復(fù)合材料根據(jù)其組成可分為金屬與金屬復(fù)合材料、金屬與非金屬復(fù)合材料和非金屬與非金屬復(fù)合材料三種。金屬主要包括鋁、鎂、銅，鋼和它們的合金，非金屬主要包括合成樹脂、碳、石墨、橡膠、陶瓷等。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又可分為纖維復(fù)合材料、層疊復(fù)合材料、細(xì)粒復(fù)合材料和骨架復(fù)合材料。其中，骨架復(fù)合材料是指在連續(xù)多孔的結(jié)構(gòu)材料中填充其他材料，或由面板和芯子組成的夾層結(jié)構(gòu)材料等。2.3 四面體型周期微桁架結(jié)構(gòu)復(fù)合材料本文的研究對(duì)象

7、四面體型周期微桁架結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，是以鋼為基體的骨架復(fù)合材料，以圖2 中所示的四面體型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)為骨架，在其網(wǎng)架空隙中填充阻尼材料而形成的復(fù)合材料。圖2 四面體型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)Fig.2 Tetrahedron sandwich structure-3-2.4 阻尼概述一自由振動(dòng)的固體，即使與外界完全隔離(如處于真空環(huán)境)，它的機(jī)械能也會(huì)轉(zhuǎn)化成熱能，從而使振動(dòng)逐漸停止; 如果是強(qiáng)迫振動(dòng)，則外界必須不斷供給固體能量，才能維持振動(dòng)。這種由于固體內(nèi)部原因而使機(jī)械能消耗的現(xiàn)象稱為阻尼。阻尼是結(jié)構(gòu)的重要的動(dòng)力特性之一，是反映結(jié)構(gòu)體系振動(dòng)過程中能量耗散特征的參數(shù)。有足夠的阻尼存在，意味著結(jié)構(gòu)在振動(dòng)中能夠吸收較多

8、的能量，可以有效地減小振幅和應(yīng)力。阻尼的基本原理是損耗能量，各種阻尼技術(shù)都是圍繞如何把受激振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為其它形式的能（如熱能、變形能等）而使系統(tǒng)盡快恢復(fù)到受激前的狀態(tài)。研究阻尼的方法主要有3種，即采用系統(tǒng)阻尼、結(jié)構(gòu)阻尼和材料阻尼。系統(tǒng)阻尼是在系統(tǒng)中設(shè)置專用阻尼減振器，如減振彈簧、沖擊阻尼器等。結(jié)構(gòu)阻尼是在系統(tǒng)的某一振動(dòng)結(jié)構(gòu)上附加材料或形成附加結(jié)構(gòu)，增加系統(tǒng)自身的阻尼能力，這類方法包括接合面阻尼、庫侖摩擦阻尼和復(fù)合結(jié)構(gòu)阻尼等。而材料阻尼是依靠材料本身所具有的高阻尼特性達(dá)到減振降噪的目的。研究材料的阻尼行為，開發(fā)具有較高阻尼性能的結(jié)構(gòu)材料對(duì)于解決由振動(dòng)造成的問題具有十分重要的意義，也是材料科學(xué)工作者

9、所面臨的重要課題。2.5 損耗系數(shù)復(fù)合材料在振動(dòng)載荷作用下，必然伴隨著內(nèi)部能量的耗散過程，阻尼即標(biāo)志這種能量耗散的大小。這也是材料粘彈性的表現(xiàn)，其典型的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可以表示為 =（E+iE) ，則E =E +E (1.1)tg EE = =(1.2)其中：E儲(chǔ)能模量;E耗能模量;E復(fù)彈性模量; 損耗系數(shù);tg 損耗角正切4。3ANSYS 仿真分析3.1 有限元模型的建立四面體型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)是一種多孔有序夾芯結(jié)構(gòu)。通過平移胞元，能不相重疊且沒有空隙地填滿整個(gè)空間，滿足Platena 多孔結(jié)構(gòu)平衡定律，所以此結(jié)構(gòu)具有周期性。本文在長、寬、高三個(gè)方向分別選取包含20 個(gè)四面體桁架單胞的三維四面體型周

10、期微桁架結(jié)構(gòu)來進(jìn)行建模分析。由于是由大量的周期性單胞組成，可以先建立幾個(gè)單胞的實(shí)體模型，如圖3 所示。然后通過復(fù)制生成其它單胞，最后將重合的節(jié)點(diǎn)合并，得到整個(gè)結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型。其中，每個(gè)四面體桁架單胞的尺寸采用毫米量級(jí)，每根桿件長為4 毫米，截面積為1 平方毫米。-4-在初步建立了實(shí)體模型之后，應(yīng)進(jìn)一步考慮模型的離散化處理，這時(shí)，應(yīng)首先考慮采用哪種單元進(jìn)行計(jì)算。選定了單元類型后，需要在具體計(jì)算中把模型分割成離散后的單元組合體，稱之為劃分網(wǎng)格。本文選用LINK 8 單元對(duì)四面體型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成如圖4 所示的有限元模型，共包括50300 個(gè)桁架單元。其中，桁架材料采用不銹鋼，密度78

11、00 kg/m3，彈性模量2.07e11Pa，泊松比0.3。圖3 四面體桁架結(jié)構(gòu)Fig.3 Tetrahedron truss structure(a) 正視圖 (b) 左視圖(a) Front view (b) Left view圖4 鋼桁架有限元模型Fig. 4 Finite element model of steel truss在四面體桁架結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格空隙中，填充阻尼材料，形成復(fù)合材料模型。填充的阻尼材料定為橡膠，選用SOLID187 單元，密度7800 kg/m3，彈性模量7.8e6Pa，泊松比0.47，恒定阻尼比2.5，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成包括50300 個(gè)桁架單元和24658 個(gè)四面

12、體單元的有限元模型如圖5 所示。-5-圖5 周期微桁架結(jié)構(gòu)復(fù)合材料有限元模型Fig.5 Finite element model of composite material with periodic micro-truss structure在上述模型的基礎(chǔ)上，施加一定數(shù)量的質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)既是將實(shí)體簡化后得到的只有質(zhì)量而不計(jì)大小、形狀的幾何點(diǎn)。質(zhì)點(diǎn)選用MASS21 單元，鋼材料。密度7800 kg/m3，彈性模量2.07e11Pa，泊松比0.3。如圖6 所示。圖6 質(zhì)點(diǎn)Fig.6 Particles劃分網(wǎng)格生成的有限元模型如下圖所示，在上一個(gè)模型的基礎(chǔ)上，又增加了9041 個(gè)質(zhì)點(diǎn)單元。圖7 施加

13、質(zhì)點(diǎn)后的復(fù)合材料模型Fig.7 Model of composite material with particles3.2 諧響應(yīng)分析ANSYS 分析中載荷可以直接在實(shí)體模型上加載，也可以在有限元模型上加載5。本文選擇將載荷施加在節(jié)點(diǎn)上，選取模型最上層的中心節(jié)點(diǎn)，施加垂直于模型上表面的單位正弦載荷，如圖8 所示。-6-圖8 施加載荷Fig. 8 Apply load周期邊界條件的加法有很多種，本文采用多周期單元法，此方法實(shí)質(zhì)是采用很多周期單元來計(jì)算，當(dāng)單元數(shù)多到一定程度時(shí)，在周期載荷作用下外邊界對(duì)內(nèi)部響應(yīng)的影響很小。因此，只要建立20x20x20 周期單元的結(jié)構(gòu)模型，在正弦點(diǎn)載荷作用下，不用加

14、位移邊界條件，直接進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算就可以了。本文選擇在頻率范圍為0-150HZ，以300 個(gè)載荷步。進(jìn)行諧響應(yīng)分析，并采用稀疏矩陣直接法進(jìn)行求解。        4結(jié)果分析在本文的三個(gè)模型中，我們選取模型上層中央施加載荷的節(jié)點(diǎn)及以下各層與其對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，共計(jì)21 個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)位置及編號(hào)如下圖所示。為了在分析中更方便更清晰的表達(dá)節(jié)點(diǎn)，我們將節(jié)點(diǎn)重新編號(hào)，從上至下，即從8600 節(jié)點(diǎn)到758 節(jié)點(diǎn)，依次為1 號(hào)節(jié)點(diǎn)、2 號(hào)節(jié)點(diǎn)直到21 號(hào)節(jié)點(diǎn)。圖9 節(jié)點(diǎn)編號(hào)Fig. 9 node number在POST26 的No

15、de for Data 窗口中，輸入節(jié)點(diǎn)編號(hào)，可以得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同頻率范圍的幅頻曲線。下面，我們分別對(duì)三個(gè)模型中的關(guān)注節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，繪制出他們的幅頻曲線。4.1 四面體型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)與周期微桁架結(jié)構(gòu)復(fù)合材料比較-7-圖10 1 號(hào)節(jié)點(diǎn)幅值對(duì)比Fig. 10 Amplitude contrast of no.1 node圖11 2 號(hào)節(jié)點(diǎn)幅值對(duì)比Fig. 11 Amplitude contrast of no.2 node圖12 3 號(hào)節(jié)點(diǎn)幅值對(duì)比Fig. 12 Amplitude contrast of no.3 node限于篇幅的原因，僅列出前3 號(hào)節(jié)點(diǎn)的幅頻曲線，由此可以得出在四面體型

16、點(diǎn)陣夾芯結(jié)-8-構(gòu)中填充阻尼材料形成的復(fù)合材料模型在吸能減震方面比四面體型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)模型更具有優(yōu)越性，驗(yàn)證了復(fù)合材料模型具有更好的阻尼特性。4.2 周期微桁架結(jié)構(gòu)復(fù)合材料與施加質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合材料比較圖13 1 號(hào)節(jié)點(diǎn)幅值對(duì)比Fig. 13 Amplitude contrast of node 1圖14 2 號(hào)節(jié)點(diǎn)幅值對(duì)比Fig. 14 Amplitude contrast of node 2圖15 3 號(hào)節(jié)點(diǎn)幅值對(duì)比Fig. 15 Amplitude contrast of node 3同樣，限于篇幅的原因，僅列出前3 號(hào)節(jié)點(diǎn)的幅頻曲線，由此可以得出施加質(zhì)點(diǎn)后的復(fù)-9-合材料模型在吸能減震方面比

17、復(fù)合材料模型更具有優(yōu)越性，質(zhì)點(diǎn)的施加使復(fù)合材料模型具有了更好的阻尼特性。5結(jié)論本文主要是對(duì)三個(gè)模型進(jìn)行諧響應(yīng)動(dòng)力仿真計(jì)算，分別對(duì)每個(gè)模型的阻尼減震特性進(jìn)行分析，并進(jìn)行了綜合比較，得出以下主要結(jié)論：1) 四面體型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)具有吸能減震的優(yōu)越性，可以有效的減小系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)的響應(yīng)。2) 以四面體型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)為骨架，在其網(wǎng)架空隙中填充阻尼材料形成復(fù)合材料模型，其吸能減震效果明顯好于點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的效果。3) 在復(fù)合材料模型的基礎(chǔ)上，施加質(zhì)點(diǎn)后的模型具有更好的吸能減震效果。參考文獻(xiàn)1 A.G.Evans, J.W.Hutchinson, N.A.Fleck, M.F.Ashby, H.N.G.Wadle

18、y, The topological design ofmultifunctional cellular metalsJ. Progress in Materials Science 2001,46:309-327.2 張衛(wèi)紅，吳瓊，高彤，周期性金屬桁架夾芯板的力學(xué)性能研究進(jìn)展N，昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)，Vol.30,No.6,2005:24-28.3 沃丁柱復(fù)合材料大全M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.4 李昕蔣瑞興，陳洪蓀，等彈性與非彈性的測量與應(yīng)用M北京冶金工業(yè)出版社，1999; 225-230.5 博弈創(chuàng)作室，APDL 參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例，中國水利水電出版社，2004，5-7

19、9.Research on Damping Characteristic of Composite Materialwith Periodic Micro-truss StructureMa Liyan, Mei YulinSchool of Automotive Engineering,Dalian University of Technology, Dalian, PRC (116024)AbstractThe finite element model of sandwich structure with tetrahedron truss core , the finite element model ofcomposite material with periodic micro-truss structure and the model of composite m