人造花岗岩复合材料的制备及其模态特性研究

乔雪涛， 许华威， 于贺春， 陈春山

(中原工学院， 郑州 450007)

人造花岗岩复合材料的制备及其模态特性研究

乔雪涛， 许华威， 于贺春， 陈春山

(中原工学院， 郑州 450007)

为了研究不同配比人造花岗岩材料的模态特性规律，通过正交试验方法，制备不同配比人造花岗岩复合材料试件，运用ANSYS Workbench有限元仿真软件对试件进行仿真计算，借助多通道动态信号分析系统对试件进行模态试验，并与仿真结果对比分析。研究发现:仿真计算和试验模态求得的固有频率变化趋势一致，振型相同；环氧树脂用量和骨料级配对材料阻尼影响较大；骨料级配和固化剂用量对固有频率影响较小，而环氧树脂和稀释剂用量对固有频率影响较大。

人造花岗岩；配比；模态分析；固有频率；阻尼比

人造花岗岩(又称聚合物混凝土、树脂混凝土、矿物铸件复合材料)是以天然花岗岩颗粒为骨料，环氧树脂等有机树脂为黏接剂，并按适当比例添加填料、稀释剂、增韧剂等，在常温常压条件下通过固化作用聚合而成的新型复合材料。它具有良好的阻尼特性、动静态特性、热稳定性、高整合性以及耐酸碱性、绿色无污染等优点，被认为是制作超精密机床、精密测量仪器等高端装备基础件的理想材料[1]。纵览国内外相关文献，目前对人造花岗岩复合材料的研究主要集中于材料组分配比优化[2-4]、力学性能及其增强机理[5-8]、阻尼特性与蠕变机理[9-15]、热性能[16-20]、精密机床基础件人造花岗岩复合材料及其制造工艺流程[21-22]等，而有关人造花岗岩复合材料各组分配比对其模态特性影响规律的研究较少。鉴于此，本文在前期研究的基础上[23-26]，通过正交试验法制作一组不同配比人造花岗岩复合材料试件，探究不同配比下人造花岗岩复合材料的模态特性规律。

1 人造花岗岩复合材料试件制备

1.1 原材料

1.1.1 环氧树脂

本文研究选用的凤凰牌低分子量双酚A型环氧树脂(E44)为无色高黏度液体。其聚合度n=0～2，软化点为12～20 ℃，环氧当量为210～250。

1.1.2 固化剂

固化剂种类和结构很多，不同种类的固化剂与环氧树脂固化反应后强度和韧性相差较大。虽然胺类固化剂是环氧树脂常用的固化剂，如乙二胺，但考虑到乙二胺具有刺激性气味，本研究不用乙二胺，而采用650聚酰胺树脂作为环氧树脂固化剂。

1.1.3 稀释剂

环氧树脂在常温下是一种黏稠状液体，搅拌困难。为了增大树脂的流动性，需要在环氧树脂里添加适量稀释剂。常用的稀释剂有丙酮、甲苯、二甲苯、无水乙醇等。有些稀释剂不参与固化反应，但在固化过程中会产生大量气泡而影响材料的密实度。综合考虑后，本研究选用无水乙醇作为稀释剂。

1.1.4 骨 料

骨料的选取原则是硬度高、吸水性小。本研究采用经锤式破碎机粉碎的济南青骨料。骨料经直线式振动筛被分成10种规格粒径，即：细骨料①<0.1、②0.1～0.2、③0.2～0.4、④0.4～0.7、⑤0.7～1.25、⑥1.25～2、⑦2～2.5，粗骨料⑧2.5～5、⑨5～10、⑩10～15。

1.2 试件配比方案

基于统计学理论，科学选取试验中具有代表性的影响因子，制作正交试验表，以减少不必要的试验次数，显著提升工作效率[27]。

在前期研究的基础上，本研究选取骨料级配、环氧树脂用量、稀释剂用量、固化剂用量作为影响因子，制作L16(4×4)正交表，进行4因素4水平的正交试验。表1为5 kg人造花岗岩的配比方案，表2为骨料级配方案。

表1 5 kg人造花岗岩的配比方案

表2 骨料级配方案

1.3 试件制备工艺

图1所示为人造花岗岩复合材料试件的制作工艺流程。它包括如下步骤：①石料清洗；②石料破碎；③骨料分筛；④骨料烘干；⑤将人造花岗岩各组分骨料按比例称重，并混合均匀；⑥将环氧树脂、稀释剂、固化剂按照比例称重，并混合搅拌均匀；⑦将步骤⑤和步骤⑥的混合物倒入搅拌机，搅拌5 min；⑧将搅拌好的混合物倒入事先涂刷脱模剂的钢模具内；⑨振动成型，一边振动一边往模具里添加混合物，直至混合物不再沉降，振动时间为2 h；⑩室温固化24 h，脱模，室温养护48 h。

图1 人造花岗岩复合材料试件制作流程

图2为人造花岗岩复合材料浇铸用的组合模具和成型试件。试件固化脱模后仍需要在室温(20±2)℃的Ca(OH)2饱和溶液中养护，养护龄期为28 d。

(a)组合模具 (b)成型试件图2 组合模具和成型试件

2 仿真模态分析

2.1 建立模型

图3为创建的人造花岗岩复合材料悬臂梁模型。悬臂梁模型的长度为300 mm，宽度和高度均为100 mm。

2.2 约束载荷

某批试件的平均静力受压弹性模量为2.02 GPa，平均密度为1.73 g/cm3，泊松比为0.18。采用Automatic划分网格，对模型侧面施加固定约束，无载荷(见图4)。

图4 网格划分结果

表3所示为人造花岗岩复合材料仿真计算所得前5阶模态的固有频率。

表3 仿真模态结果

3 试验模态分析

借助美国迪飞公司多通道动态信号分析系统，对人造花岗岩复合材料试件采用单一测点多点敲击的方法进行试验模态分析。将获取的数据导入ME’scopeVES分析软件进行分析处理。该测试系统主要包括：美国迪飞数据采集器Data Physics730、力锤、加速度传感器、人造花岗岩试件、ME’scopeVES分析软件、数据线、强力胶水。具体试验布置如图5所示。

图5 人造花岗岩复合材料试件的模态试验布置

3.1 模型建立

运用ME’scopeVES绘图工具，创建人造花岗岩复合材料试件(100 mm×100mm×300 mm)的悬臂梁模型，长和宽均分成两段，模型节点数量为18。在图6所示的模型上，表面节点7是力锤敲击点，节点1～节点6是多向加速度传感器检测点。

图6 人造花岗岩复合材料试件几何模型

3.2 数据采集

本研究的采样频率为5 kHz，谱线数为3 200，加窗类型为指数类型，锤击法测频响用Stable方式，平均次数设为3次，可获得较好的相干特性。触发方式为输入通道触发，无跟踪。数据采集器输入通道1对应的是力锤，方向为-Z，通道2、3、4分别对应的是多向加速度传感器的X﹑Y﹑Z方向，并且与悬臂梁模型上对应检测点的X﹑Y﹑Z方向一一对应。图7所示为数据采集器Data Physics730的界面设置。

图7 Data Physics730软件参数设置界面

图8 力锤响应信号

图9 人造花岗岩复合材料加速度信号

图8和图9所示分别为力锤敲击点的响应信号和单一测点的加速度信号。为了更加直观地了解人造花岗岩复合材料的抗振性能，本研究对相同尺寸的天然花岗岩材料试件和铸铁材料试件进行了敲击试验。图10、图11所示分别为相同结构的天然花岗岩材料试件和铸铁材料试件的加速度信号。

图10 天然花岗岩加速度信号

图11 铸铁材料加速度信号

对比3种材料的加速度信号可知，人造花岗岩复合材料相对于天然花岗岩材料和铸铁材料，振动衰减速度快很多。这也佐证了人造花岗岩复合材料更加适用于制作超精密机床、精密测量仪器基础件。

3.3 数据处理

将加速度传感器拾取力锤敲击点的响应曲线导入ME’scopeVES分析软件进行拟合，并分析求解。通过观察拟合后的力锤频响函数FRF曲线(Frequency Response Function)，在选定的频率范围内设定合适的频率误差、极值点个数，捕捉FRF峰值点。

表4为人造花岗岩复合材料试验模态的前5阶固有频率和试验阻尼比。

图12为试验模态分析所得前5阶模态变形图。

表4 试验模态结果

4 仿真计算与试验模态结果分析

根据人造花岗岩复合材料仿真计算结果和试验模态，4个影响因子对其固有频率和阻尼比的影响如图13-图16所示。

由图13-图16可知，人造花岗岩复合材料各组分含量不同，其固有频率和阻尼比也不相同。随着细骨料增多，粗骨料减少，骨料间孔隙减小，密实度增大，材料的固有频率和阻尼比逐渐降低；随着环氧树脂含量的增加，环氧树脂本征阻尼特性更加突出，表现为材料的黏弹性和阻尼比增大，固有频率降低；随着稀释剂含量逐渐增加，人造花岗岩复合材料变稀，固化强度降低，材料各组分间界面的黏接性降低，固有频率降低，而阻尼比先降低后增大；固化剂含量逐渐增加，材料的固化速度增大，导致材料内部孔隙未曾填充就已经固化，骨料间存在较多的孔和材料缺陷，固有频率和阻尼比先降低后增大。

(a)一阶

(b)二阶

(c)三阶

(d)四阶

(e)五阶图12 人造花岗岩复合材料各阶模态试验与仿真变形图

图13 骨料级配对固有频率和阻尼比的影响

图14 环氧树脂用量对固有频率和阻尼比的影响

图15 稀释剂用量对固有频率和阻尼比的影响

图16 固化剂用量对固有频率和阻尼比的影响

5 结 语

(1)仿真计算和试验模态分析得到的固有频率变化趋势一致，振型相同。

(2)环氧树脂和骨料级配对材料阻尼影响较大。

(3)骨料级配和固化剂对固有频率影响较小，环氧树脂和稀释剂对固有频率影响较大。

[1] 李鹏，季中，刘韧，等. 矿物复合材料及其在机床上的应用[J].机床与液压，2013，41(19)：159-163.

[2] 周梅，刘海卿，武晓光. 对树脂混凝土集料级配的研究[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2001，20(6)：770-772.

[3] 李剑峰，陈艳秋. 聚合矿物复合材料组分优化与机械性能[J].山东大学学报，2003，33(3)：261-264.

[4] 王涛，张建华，郝世美，等. 基于分形级配的树脂矿物复合材料骨料尺寸效应研究[J].南京理工大学学报，2013，37(4)：597-602.

[5] Reis J M L，Ferreira A J M．Assessment of Fracture Properties of Epoxy Polymer Concrete Reinforced with Short Carbon and Glass Fibers[J]．Construction and Building Materials，2004，18(7)：523-528.

[6] Murugan R，Ramesh R，Padmanabhan K．Investigation on Static and Dynamic Mechanical Properties of Epoxy Based Woven Fabric Glass/Carbon Hybrid Composite Laminates[J]．Procedia Engineering，2014，97：459-468.

[7] 刘敬福，徐平，于英华，等. 填料对聚合物矿物混凝土性能影响的实验研究[J].非金属矿，2014，37(2)：36-39.

[8] Cortés F，Castillo G．Comparison Between the Dynamical Properties of Polymer Concrete and Grey Cast Iron for Machine Tool Applications[J]．Materials and Design，2007，28(5)：1461-1466.

[9] 段京虎，翁泽宇，杨托，等. 树脂混凝土试件的衰减特性的试验与研究[J]. 机床与液压，2008，36(7)：17-19.

[10] 白文峰. 纤维增强聚合物混凝土及其界面与阻尼机理研究[D].济南：山东大学，2009.

[11] 王涛. 机床用碳纤维增强树脂矿物复合材料的制备与性能研究[D].济南：山东大学，2014.

[12] 王泽宁. 钼纤维增强树脂矿物复合材料机理研究[D].济南：山东大学，2013.

[13] Khan M Z,Saleem H，Mahi A，et al． Design and Fabrication of High Temperature Creep Testing Machine[J]．American Journal of Materials Engineering and Technology，2015，3(3)：51-57.

[14] 张园，孙巍巍，卢赛，等. 树脂混凝土弯曲蠕变性能试验研究[J].科学技术与工程，2014，14(28)：280-283.

[15] Lee D G, Chang S H，Kim H S．Damping Improvement of Machine Tool Columns with Polymer Matrix Fiber Composite Material[J]．Composite Structures，1998，43(2)：155-163.

[16] Suh J D, Lee D J．Thermal Characteristics of Composite Sandwich Structures for Machine Tool Moving Body Applications[J]．Composite Structures，2004，66(1-4)：429-438.

[17] 梁秀霞，陈瑶，邱爽. 基于ANSYS Workbench的树脂混凝土机床床身热变性分析优化[J].机床与液压，2015，43(3)：175-178.

[18] Haddad H，Kobaisi M A．Influence of Moisture Content on the Thermal and Mechanical Properties and Curing Behavior of Polymeric Matrix and Polymer Concrete Composite[J]．Materials and Design，2013，49(8)：850-856.

[19] 丁江民，李想. 复合混凝土立式加工中心床身热特性研究[J].制造技术与机床，2015(2)：65-70.

[20] 王明旭，晏丽. 纤维树脂混凝土数控机床基础件热动力学拓扑优化研究综述[J].材料导报，2015，29(8)：108-112.

[21] Kim H S，Park K Y，Lee D G．A Study on the Epoxy Resin Concrete for the Ultra-precision Machine Tool bed[J]．Journal of Materials Processing Technology，1995，48(1-4)：649-655.

[22] Chang S H，Kim P J, Lee D G，et al．Steel-composite Hybrid Headstock for High-precision Grinding Machines[J]．Composite Structures，2001，53(1)：1-8.

[23] Qiao X T，Li Y S，Zhao H Y，et al.Study on Performances and Its Structural Designing of the High-speed CNC Lathe Epoxy Resin Concrete Bed[J]．Advanced Materials Research，2011，189-193：4370-4376.

[24] Wu L，Hu Y H, Qiao X T. Study for Seeking Optimal Mix Proportion of Resin Concrete[J].Applied Mechanics and Materials，2011，8：1689-1694.

[25] 吴隆. 高速铣床树脂混凝土床身制造的研究[J].现代制造工程，2004(2)：77-78.

[26] 胡燕华. 人造花岗岩复合材料制备工艺及其关键性质研究[D].郑州：中原工学院，2013.

[27] 廖永平. 正交试验法在机械工业中的应用[M].北京：中国农业机械出版社，1984.

(责任编辑：王长通)

Research on the Preparation and Modal Properties of Artificial Granite Composites

QIAO Xue-tao， XU Hua-wei， YU He-chun， CHEN Chun-shan

(Zhongyuan University of Technology， Zhengzhou 450007， China)

In order to research on different ratio artificial granite composites modal properties, using orthogonal test method to produce a set of artificial granite composite materials with different ratio，simulated the material model by using finite element analysis software of ANSYS Workbench, and to confirming the simulation，under the help of Multi channel dynamic signal analysis system, a series of modal tests is made. By analyzing the results， it is found that the natural frequency and damping ratio are affected by the artificial granite materials. The following conclusions: (1) Simulation and experimental modal natural frequency obtained the same trend, the same modes; (2) Epoxy resin and aggregate grade have great influence on material damping; (3) Aggregate gradation and curing agent has little effect on the natural frequency, epoxy resins and diluents amount greater impact.

artificial granite；mixture ratio；modal analysis；natural frequency；damping ratio

2017-01-13

河南省科技计划项目(172102210586)；河南省教育厅科学技术研究重点项目(13A460131)；郑州市科技攻关项目(153PKJGG132)

乔雪涛(1971-)，男，河南杞县人，副教授，主要研究方向为精密、超精密制造技术与装备。

1671-6906(2017)01-0007-07

TH145

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2017.01.002