纤维增强复合薄板非线性振动测试平台开发及应用

常永乐,李 晖,杨雪峰,赵 帆,李政泽

(东北大学 机械工程与自动化学院,沈阳 110819)



纤维增强复合薄板非线性振动测试平台开发及应用

常永乐,李 晖,杨雪峰,赵 帆,李政泽

(东北大学 机械工程与自动化学院,沈阳 110819)

自主设计并开发了一套新型纤维增强复合薄板非线性振动测试平台.首先,开发了基于LabVIEW控制的二维激光扫描测振系统,介绍了该系统的实现原理及测控优势.然后,自主设计复合薄板专用夹具、振动转化底座等功能部件,完成纤维增强复合薄板激振平台的设计与开发.最后,经过对各个功能部件进行安装、调试和组配后,利用该振动测试平台获得了复合薄板结构的3类非线性振动现象,包括谐波失真、软式刚度非线性和非线性跳跃现象.应用研究表明,开发的测试平台能够达到预期实验效果,且相对于已有测试平台,在测试精度、测试效率方面都有大幅提高,可以为纤维增强复合结构的非线性振动测试问题提供一种新思路和新方法.

复合薄板; 纤维增强复合材料; 非线性振动; 振动测试平台

纤维增强复合材料及其薄板结构的比强度高、比模量高、材料具有可设计性、热稳定性好,而且还具有承载力大、质量轻等优点,广泛应用于航空、航天、机械、船舶、体育器械、电气设备、医学、兵器工业等领域[1].然而,由于纤维增强复合材料不同于常规材料,其性能具有明显的各向异性,其宏观薄板结构件还表现出非线性刚度及阻尼等振动特点[2-3].例如:其固有频率随着外界激振幅度的增大会出现降低,呈现软式非线性刚度特点;其阻尼参数也受到外界激振幅度及频率变化的影响[4-5].上述非线性特点给传统的线性振动测试方法及相关实验平台的设计开发带来困难与挑战.

研究纤维增强复合材料及其结构的非线性振动特性不仅对复合结构系统的理论建模、机理研究以及优化设计等方面具有重要意义,而且能够为后续的振动控制、故障诊断等提供重要支持.目前,国内外学者及研究人员对纤维增强复合薄板的非线性振动特性进行了大量研究,取得了阶段性的研究成果.Crane等[6]搭建脉冲激励实验台,对3类不同材料复合梁试件的损耗因子进行了表征测试,研究发现90°纤维复合梁的阻尼性能要优于0°纤维复合梁.Turvey等[7]设计不同边界条件下带孔复合材料薄板振动试验台,在电磁激振器单点激励的情况下,用加速度传感器测玻璃增强塑料板的振动响应,利用扫频测试方法获得固有频率,并利用抛沙法获得模态振型.但是,该试验台还存在一些问题,例如只能进行单点激励,激励方式单一.同时,激振器的顶杆和加速度传感器都会给复合结构系统带来附加质量和刚度的影响,进而影响固有频率及阻尼测试的准确性.Berthelot等[8]设计了悬臂复合梁结构的振动测试平台,利用锤击法获得芳纶纤维和玻璃纤维两种复合梁结构的频响函数,并识别获得了模态振型、固有频率等参数.Chaudhuri等[9]搭建了四边简支实验台,在基础激励下获得不同纤维角度的纤维复合薄板的固有振动参数.结果表明,随着纤维角度的不同,复合薄板的固有频率和振型结果均会发生改变.Matter等[10]搭建了纤维复合材料声激振测试平台,用扬声器对复合薄板进行非接触激励,用激光位移传感器测量振动响应,并在自由状态下获得了复合薄板的固有频率、阻尼比和模态振型等模态参数.国内李瑞杰等[11]搭建了悬臂梁振动试验台,研究发现基体材料组分、纤维铺设方向对复合材料结构系统的刚度和阻尼性能有重要影响.杨云昭等[12]搭建了悬臂复合梁结构的振动测试平台,利用瞬态冲击振动梁法得到了不同树脂基体、不同纤维铺层角等参数下纤维增强复合梁结构的动态特性数据,并提取了模态频率与损耗因子.张伟教授团队[13]搭建了复合薄板非线性振动测试平台,在简支边界条件下利用电磁振动台以定幅、缓慢扫频的方式,通过对比在不同扫频方向获得的响应信号频谱及其发生跳跃现象对应的频率,来判断复合薄板结构的硬式、软式刚度非线性特征,初步确认了一套可行的非线性振动参数表征测试方法.

虽然人们对纤维增强复合材料结构开展了大量的研究工作,但绝大多数与线性振动问题有关,对其非线性振动特点和行为开展测试研究的相对较少.特别是在测试实践中缺乏专用的复合薄板非线性振动测试平台,难以有效获取各向异性材料及其宏观结构件的非线性振动现象,用验证数值仿真方法获得某些非线性振动结果及结论.因此,有必要在纤维增强复合薄板非线性振动测试平台的设计和开发上投入更大精力,综合考虑激励方式、测试效率、测试精度等方面的影响,来继续研究其非线性振动问题.

本文自主设计并开发了一套新型纤维增强复合薄板非线性振动测试平台.首先,开发了基于LabVIEW控制[14]的二维激光扫描测振系统,并详细介绍了该扫描系统的实现原理及测控优势.然后,完成了纤维增强复合薄板激振平台的设计与开发,先设计了振动台面和复合薄板专用夹具等功能部件,使其可以有效模拟复合薄板对应的单边、对边、四边固支等多种边界条件.同时,还设计了一款振动转化底座结构,以便可以灵活地将振动能量通过基础激励的形式传递给复合结构系统,并保证对其开展能量充足且幅度可控的振动激励.最后,经过对二维激光扫描测振系统及各个功能部件进行安装、调试和组配,完成了纤维增强复合薄板非线性振动测试平台的开发任务,并以碳纤维/树脂基复合薄板为例,对其进行了应用研究.在非线性振动测试实践中,利用该平台共获得了复合薄板结构的3类非线性振动现象,包括谐波失真、软式刚度非线性和非线性跳跃现象等.应用研究表明,开发的非线性振动测试平台能够达到预期实验效果,且相对于已有测试平台,在测试精度、测试效率方面都有大幅提高,可以为纤维增强复合结构的非线性振动测试问题提供一种新思路和新方法.

1 复合薄板二维激光扫描测振系统的设计与开发

为高效、准确地获取纤维增强复合薄板非线性振动参数,首先设计了一套二维激光扫描测振系统,其不仅能够提高单点测量的效率,还可以连续扫描获取复合薄板X,Y及其交叉方向的振动响应信号.

1.1 二维激光扫描测振系统硬件设计及实现

二维激光扫描测振系统硬件包括PDV-100激光测振仪、45°反光镜、86HS45步进电动机、步进电动机驱动器、R-10控制器以及工字滑台.其中激光测振仪可以通过非接触测振的方式,精确获取复合薄板的振动频率及幅值;45°反光镜则将激光光路从水平方向调整为垂直方向;工字滑台型导轨能实现300 mm×400 mm的进给范围,且在其X,Y方向上各安装一个86HS45步进电动机来控制滑块的往复运动,用以实现激光的连续扫描,扫描速度为0～5 mm/s.同时,为了通过LabVIEW软件对步进电动机进行控制,还选用硕科数控科技有限公司的R-10控制器,并通过RS485串口实现数据通信,二维激光扫描测振系统连接示意图如图1所示.

图1 二维激光扫描测振系统连接示意图

Fig.1 Connection schematic of two-dimensional laser scanning vibration measurement system

1.2 二维激光扫描测振软件系统的开发

利用LabVIEW软件编写上位机程序,程序框图如图2(a)所示,该程序可以实现二维激光扫描测振系统的软件控制,所开发的软件程序界面如图2(b)所示,该界面包括X和Y方向调速盘、位置运动和运行、停止按钮、回归原点等.其中X和Y方向调速盘可以实现X和Y方向电动机速度和方向的调节;分别在X和Y位置运动栏输入数值,可以控制滑块X和Y方向的位移;设定X和Y方向速度,并同时按下X和Y方向运动按钮,滑块可以沿交叉方向运动.点击回归原点按钮,滑块自动回到扫描系统预设的原点位置.

图2 基于LabVIEW二维激光扫描测振系统

2 复合薄板激振工作台的设计与开发

所设计的纤维增强复合薄板激振工作台由振动台面、复合薄板专用夹具、振动转化底座、电磁激振器、支撑架和支撑弹簧等功能部件组成,其整体结构如图3所示.

图3 复合薄板激振工作台结构模型

Fig.3 Structure model of vibration table for composite thin plate

各部分结构形式和功能如下:

(1) 振动台面和复合薄板专用夹具

振动台面可以将激振能量以基础激励的方式传递给复合薄板专用夹具,通过台面上的反馈传感器来保证幅度可控的振动激励.复合薄板专用夹具共包含4套压紧模块和4套固定模块.其中固定模块固定在振动台面上,中央形成一个固定槽,实验时可将纤维增强复合薄板置于固定槽中,通过压紧模块上的M12螺栓压紧.调整压紧模块和固定模块的数量,则可以有效模拟测试复合薄板所需的单边、对边、四边固支等多种边界条件.

(2) 振动转化底座

振动转化底座的作用是将电磁激振器的振动能量有效传递给振动台面.在其四边上设计了安装孔,通过螺栓连接在振动台面底部的螺栓孔上,同时还设计了加强筋,以保证结构具有较强的刚性.为了保证较好地传递激振能量,避免带给激振器格外的附加重量影响,还对振动转化底座进行了减重优化设计.

(3) 其他结构

其他结构包括电磁激振振器、功率放大器、支撑弹簧.电磁激振振器为联能JZK-100,通过配套YE5878 功率放大器,其最大激振力可达1 000 N,支撑弹簧为弹簧钢材料,弹簧刚度约为13.5 N/mm.

3 复合薄板非线性振动测试平台的组配

在二维激光扫描测振系统和复合薄板激振工作台中,结合LMS便携式数据采集仪、机柜等设备,组配复合薄板非线性振动测试平台,用于测量复合结构系统的线性及非线性动力学参数.

复合薄板非线性振动测试平台的实物图(见图4).加工具有一定刚性且符合测试要求的机柜,机柜与复合薄板激振工作台相互独立,以避免机柜产生振动.从多角度观察纤维增强复合薄板振动情况,在其顶部、前部和右部均留有玻璃窗.二维激光扫描测振系统则安装在机柜上面,激光测振仪发出的激光可以透过顶部玻璃窗投射在纤维增强复合薄板上,进而测试其振动响应.机柜内侧左边安装一盏普通照明灯,左上角还安装报警灯,当振动幅度过大时,报警灯会发出报警信号.

图4 复合薄板非线性振动测试平台

Fig.4 Nonlinear vibration testing platform for composite thin plate

纤维增强复合薄板非线性振动测试平台的连接示意图及测点位置如图5所示.主要包括笔记本工作站、电磁激振振器、LMS便携式数据采集仪、二维激光扫描平台等.其中LMS便携式数据采集仪可发出激励信号,通过功率放大器将信号放大,进而控制电磁激振器实现振动激励.电磁激振器的振动将转化在底座上,通过基础激励的形式传递给复合结构系统.最后,通过二维激光扫描测振系统来获取该类型复合薄板任意位置的振动响应.

4 复合薄板非线性振动测试实例

在非线性振动测试实践中,利用所开发的非线性振动测试平台,共获得复合薄板结构的3类非线性振动现象,包括谐波失真、硬/软式刚度非线性和非线性跳跃测试现象.

以TC500碳纤维/树脂基复合薄板为研究对象(见图5),对其进行非线性振动测试.该类型复合薄板为对称正交铺设,即[(0/90)s/0/(90/0)s],共有21层,每个铺层具有相同的厚度和纤维体积分数,其纤维纵向弹性模量E1=136 GPa,纤维横向弹性模量E2=7.92 GPa,剪切模量G12=3.39 GPa,泊松比v12=0.32,质量为251 g,密度为1 780 kg/m3.通过图5所示的夹具来夹紧其中的一边,夹持长度为30 mm,用以模拟悬臂约束边界条件,约束后的复合薄板的长、宽、厚尺寸为200 mm×130 mm×2.36 mm.

图5 纤维增强复合薄板非线性振动测试平台及其测点位置

Fig.5 Nonlinear vibration testing platform of fiber reinforced composite thin plate and measuring point position

测试时,先将复合薄板通过夹具固定在激振工作台上,并通过力矩扳手拧紧夹具上的4个M12螺栓.再进行测点位置的确定,经过反复测试对比,最终选取距离复合板约束端150 mm,且距离上测自由边20 mm、振动响应较强又不超出传感器量程的A点为响应测点,并将夹具上的B点作为反馈传感器测点,如图5所示.

开展扫频法固有频率测试和共振状态下模态振型测试.表1给出了扫频速度0.5 Hz/s、激励幅值0.5 g时测试获得的固有频率,建立该类型复合薄板的线框模型.在固有频率处,激发其达到共振状态,通过二维激光扫描测振系统获取其在不同行、列测点下的振动响应信息,进而获取其各阶模态振型,相应的振型结果如表1所示.

表1 测试获得的纤维增强复合薄板前5阶固有频率和模态振型

Tab.1 The first 5 natural frequencies and modal shapes of fiber reinforced composite thin plate obtained by experiment

模态阶次12345测试频率/Hz48．8101．6310．8416．0505．2模态振型

在通过二维激光扫描测振系统获取纤维增强复合薄板的模态阵型时,采样频率为4 096 Hz,共获得多达21 036个测点的信息,完成前5阶模态振型的测试时间大约为30 min.如果通过传统的频响函数测试方法来获得振型结果,需要不断地移动激励点或响应拾取点的位置,导致测试效率低下.以测试包含60多个测点的复合板为例,如要完成模态振型测试,大约需要1～2 h.对比两种方法的时间成本,可知所开发的测试平台有效提高了测试效率.

(1) 谐波失真测试

在获得复合薄板的固有频率和振型之后,考察不同激励频率下,该类型复合薄板是否存在谐波失真现象.实验时,激励频率为308.2 Hz,激励幅度为3g时,在反馈测点B位置测试获得的激励信号时域波形和频谱图如图6所示;在测点A位置获得的响应信号时域波形和频谱图如图7所示.对比图6和图7可发现,纤维增强复合薄板的振动响应除与激励频率相同的频率成分外,还出现了与倍频成分.因此,可知该类型复合薄板结构确实存在非线性谐波失真现象.

图6 激励信号的时、频域图

图7 响应信号的时、频域图

(2) 非线性跳跃测试

非线性跳跃测试分别在正扫和逆扫两种扫频方式下进行,观测该类型复合薄板是否存在非线性跳跃.这里主要对第2,3阶固有频率对应的非线性跳跃现象进行考察.当激励幅值为3g时,扫频得到的固有频率和响应结果见表2,纤维增强复合薄板的第3阶频响曲线见图8.

对图8中纤维增强复合薄板第3阶频响曲线进行分析可知:如果保持激振力幅度不变,缓慢地增加激振频率,当增加至最大值时,将出现增幅跳跃,接着振动幅度将逐渐减小;逐渐减少振动频率,振幅将逐渐增大,增至某一点之后,又会出现降幅跳跃,此后振幅将逐渐减小.因此,纤维增强复合薄板发生了跳跃现象.

表2 激励幅度为3g时纤维增强复合板固有频率和响应

Tab.2 The natural frequencies and response of fiber reinforced composite plate at 3g

扫频方向第2阶第3阶正扫固有频率/Hz100．6307．8响应/(m·s-1)0．030．27逆扫固有频率/Hz100．0307．2响应/(m·s-1)0．050．35

图8 正扫和逆扫获得的纤维增强复合薄板第3阶频响曲线

Fig.8 Frequency response curves of fiber reinforced composite plate at the third order by positive and negative sweep

(3) 硬/软式刚度非线性测试

硬/软式刚度非线性测试.改变扫频激励的幅值,在逆扫同一扫频速度下,对纤维增强复合薄板进行扫频响应测试.在不同激励幅度(300～320 Hz)下,测试的第3阶固有频率及其频域响应结果见表3,不同激励幅度下测试获得的第3阶频域响应曲线见图9.

表3 不同激励幅度下测试获得的第3阶固有频率及其频域响应结果

Tab.3 The third order natural frequency and frequency response of the test under different excitation amplitude

激励幅度0．5g1g2g3g3．5g固有频率/Hz310．8309．8308．2307．2307．0频域响应/(m·s-1)0．110．180．250．350．37

由表2和图9分析可知,随着激励幅度的增加,纤维增强复合薄板的第3阶固有频率不断减小,即第3阶模态呈现出明显的软式刚度特性.

图9 不同激励幅度下测试获得的第3阶频域响应曲线Fig.9 Frequency response curves of fiber reinforced composite plate at the third order under different excitation amplitude

5 结论

本文设计和开发了新型纤维增强复合材料薄板非线性振动测试平台,并对其进行了应用研究,获取了碳纤维/树脂基复合薄板的3类非线性振动现象,包括谐波失真、软式刚度非线性和非线性跳跃等.实践证明,所开发的测试平台能够达到预期实验效果,为进一步研究纤维增强复合结构的非线性振动测试问题提供一种新思路和新方法.

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Development and application of nonlinear vibration testing platform for fiber reinforced composite thin plate

CHANG Yongle,LI Hui,YANG Xuefeng,ZHAO Fan,LI Zhengze

(School of Mechanical Engineering & Automation,Northeastern University,Shenyang 110819,China)

A new nonlinear vibration testing platform of fiber reinforced composite thin plate was designed and developed. Firstly, the two-dimensional laser scanning vibration measurement system based on LabVIEW was developed, and subsequently the realization principles of this system and its measuring advantages were introduced in detail. Then, the corresponding exciting platform and some important components, including the special fixture of the composite thin plate, the vibration conversion base and others were also designed. Finally, when we finish the installation, debugging and matching of the above components, three kinds of nonlinear vibration phenomenon of composite thin plate were obtained based on the above testing platform, such as harmonic distortion, the soft nonlinear stiffness and nonlinear jump. The practical application results shows that the self-designed test platform can meet the needs of nonlinear vibration measurement, and its test accuracies and test efficiencies have been greatly improved compared with the traditional ones. Therefore, it can provide a new idea and technique for the nonlinear vibration test of fiber reinforced composite structure.

composite thin plate; fiber reinforced composite; nonlinear vibration; vibration testing platform

国家自然科学基金资助项目(51505070,51375079);国家重大科学仪器设备开发专项资助项目(2013YQ470765)

常永乐(1989—),男,硕士生.E-mail:631081103@qq.com

TB 535

A

1672-5581(2017)02-0147-06