含SMA约束层的复合材料矩形板的阻尼能力分析

　　1　引言

　　纤维增强复合材料由于具有很高的强度、刚度及其性能可裁剪性,已在许多尖端技术领域内,如空间结构、飞行器、潜艇、汽车的结构设计方面发挥着越来越重要的作用。随着科学技术的迅猛发展,特别是21世纪的到来,由于人类必须面对来自能源、环境、信息产业等方面的诸多严峻的挑战,因此对复合材料不仅在高性能,而且在多功能化、智能化方面也提出了新的要求。某些功能材料和智能材料,如SMA(形状记忆合金shape memory alloy, SMA)纤维、压电纤维、光导纤维埋入基体结构而产生的具有多功能、自适应、智能特性的最先进的复合材料结构的研究与开发,已成为当前国际上复合材料发展的前沿性工作。SMA复合材料基于SMA的感知和驱动功能,是一类引人关注的典型的多功能、自适应、智能复合材料。今天,它在结构振动、噪声、冲击控制,结构形状控制,损伤监测和控制等方面已有成功的应用[1,2]。在上述应用中,人们大多是利用SMA的形状记忆效应。另一方面,SMA材料如NiTi、Cu-Zn-Al在马氏体相变过程中的高阻尼特性及其在高温下的伪弹性迟滞阻尼特性,会吸收能量而具有很好的阻尼特性,因此,SMA复合材料结构的阻尼具有潜在的高性能。阻尼是刻化复合材料结构动力学行为的一个重要参数,就振动控制而言,开展相关的研究无疑具有重要的学术价值和工程实用性。

　　作者及其合作者们曾就SMA纤维混杂复合材料矩形板、梁的模态阻尼特性进行深入的分析和研究,揭示SMA纤维的含量、铺层角等参数的影响,研究结果表明,将SMA纤维和普通纤维复合材料进行混合之后,板、梁结构的整体阻尼水平有显著的提高。但同时也注意到,虽然SMA复合材料的阻尼可设计性强,性能优良,大多数情况下能够获得令人满意的阻尼效果,但探索新的改进方法,进一步增强和提高这种复合材料的被动阻尼耗散能力,仍显得十分必要。

　　在普通复合材料阻尼研究方面,Hamada的研究已经证实[3],在金属梁表层粘贴含阻尼层的纤维复合材料叠层(E-glass/polyster layer)后,结构阻尼得到进一步的提高。Saravanos等人[4]的研究也表明,采用添加层间阻尼层(interlaminar damping layers)的阻尼设计方案,有利于进一步增加纤维增强复合材料板的模态阻尼。

　　本文将表面阻尼技术[5]与复合材料阻尼设计方法相结合,提出一种SMA复合材料板的阻尼增强方案,即在SMA纤维混杂复合材料叠层板上、下表面粘贴SMA层,以便提高结构的被动阻尼控制能力和开环稳定性。发展一种用于预测含SMA约束层及其SMA纤维混杂叠层复合材料两种阻尼处置方式在内的矩形复合材料板阻尼特性的数学模型。采用多胞模型[6]和阻尼的细观力学方法[7]分别计算SMA纤维混杂单层材料的等效弹性性能和阻尼性能,叠层复合材料中考虑了横向剪切变形的影响[8],在导出板的应变能和阻尼耗散能表达式的基础上,根据最大应变能理论[9]建立简支矩形板模态阻尼比的数学表达式。以一个具有对称NiTi约束层的规则对称铺设NiTi纤维/玻璃纤维/环氧树脂简支矩形薄板为例,计算其阻尼比性能随铺层角θ的变化规律,并讨论多种参数,如NiTi纤维体积含量、NiTi约束层的厚度、板的纵横比、跨—厚比等参数的影响。