频率相关自由阻尼层复合材料加筋板动力分析

　　复合材料加筋层合结构以其比强度高、比刚度大和节省材料等优点已广泛应用于现代舰艇、飞机、卫星以及高速列车等结构中。由于该类工程结构中振源很多，激励复杂，因而有效控制结构振动，降低噪声和避免共振是结构设计和分析中必须考虑的重要指标[1]。提高结构阻尼是改善结构动力特性比较常用的方法，其中采用约束阻尼层、共固化阻尼层和结构上局部粘贴自由阻尼层是提高结构阻尼的三种典型方式。采用约束阻尼层方法[2,3]将会增加结构的重量;而共固化阻尼层[4]则是在复合材料结构内部夹进粘弹性阻尼层，但阻尼层材料选择不当，将造成结构刚度的降低，故对阻尼层材料的选择有较高的要求。此外阻尼层的厚度、分布位置以及数量等也都需要在设计阶段中一一考虑;与上述两种方法相比，粘贴自由阻尼层则简便易行，而且也不会显著地附加结构的整体重量，因而它是在工程结构中比较常规的提高结构阻尼方法。在工程结构中粘贴自由阻尼层时，阻尼层材料的选择和配置是提高该方法效率的关键，杨德庆等[5]提出了阻尼胞单元和阻尼拓扑敏度等概念，建立了基于阻尼拓扑敏度综合评价的阻尼材料拓扑优化准则，用于自由阻尼层结构振动控制中阻尼材料的配置优化。而深入研究加筋板结构的动力特性[6,7]及其与阻尼材料的动态力学性能的关系则是合理选择阻尼材料，优化设计阻尼层参数，从而达到最佳减振效果的前提和理论基础。孙社营[8]提出了一种研究粘弹性阻尼结构动态力学性能的迭代有限元模拟分析方法，计算了几种典型阻尼结构—悬臂梁和压筋板的模态参数，桂洪斌等[9]对自由阻尼层板的振动和阻尼进行了分析研究，针对不同厚度的整体性和局部单元性阻尼层，分别考察了其复弹性模量的实部和虚部、材料的损耗因子的变化规律，并应用模态叠加法研究了敷设粘弹性自由阻尼层加筋板的稳态简谐响应，分析了阻尼材料模量、损耗因子和阻尼层与基层厚度比对结构响应的影响。戴新进等[10]采用虚拟激励法对敷设粘弹性阻尼层的复合材料四边简支层合薄板受平稳随机激励下的应力和位移响应进行分析，考虑了不同铺设角度对响应的影响，然后以波音 737 客机尾翼的安定面结构为例，进行随机振动分析。考虑到复合材料结构具有易损伤的弱点，因此在分析中不仅要考虑复合材料各向异性和阻尼层材料的温度、频率相关性，同时还需考虑各种损伤对结构力学性能的影响，这就给敷设粘弹性自由阻尼层的含损伤复合材料结构进行动力特性问题的分析带来较大的难度，特别是对于频率密集的结构受到复杂激励的作用，由于需要应用大量的模态进行迭加，因此建立一种高精度高效率的分析求解方法对于该问题的研究具有重要的意义。本文提出了同时考虑分层损伤和频率相关自由阻尼层复合材料加筋板模态和响应分析的有限元方法，采用精细积分法[11]求解动力方程，从而为该类结构的动力特性分析建立了一种较为准确、有效的分析方法。