碳纤维复合材料悬臂梁的振动分析

碳纤维复合材料悬臂梁的振动分析

刊名：Composite Structures（英）

刊期：2014年第116期

作者：Roberto Capozucca et al

编译：陈丁跃

由于碳纤维复合材料具有密度低、强度高等特性，使得其成为汽车制造中最理想的非金属材料。但由于该种材料价格偏高，因而仅在高档车型或小批量车型上使用。随着技术进步，碳纤维复合材料成本的不断降低，因此将在更多车型中应用该种材料。以悬臂梁为例，对碳纤维复合材料进行不同损伤情况下的动态响应分析，基于试验结果，建立了分析是否带有损伤的碳纤维复合材料悬臂梁振动的理论模型。

复合材料受损情况主要包括材料中纤维受损、基体受损、纤维与基体接触面受损这3种情况。由于材料受损将会改变材料的刚度、质量和阻尼，因此影响材料的固有频率、振型和阻尼比等动态响应，这样可以基于振动的固有频率对材料进行损伤分析。选择环氧树脂作为基体材料，制造了4个悬臂梁样品。4个悬臂梁的几何特征均根据ASTM D 3039标准制定，截面为矩形，尺寸为250mm×20mm×1.4mm。设定悬臂梁损伤情况，一个保持未损伤状态，另外3个分别在靠近固定端3mm处进行双向切口，切口宽度分别为5mm、8mm、11mm。对悬臂梁进行冲击测试，将4个加速度计沿悬臂梁布置，利用数据采集系统进行数据统计，并对数据处理得到悬臂梁固有振动频率。结果显示，试验得到的振动频率约比理论值低27%，这种差异可能是由加速度计质量造成的，但该差异不会对分析结果产生影响；随着损伤程度的增加，固有频率下降且对于双向切口损伤，切口长度变化对固有频率的影响小于宽度变化产生的影响。因而，可以利用振动分析方法评估碳纤维复合材料的损伤情况。