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空心玻璃微球填充环氧树脂复合材料的力学性能及其悬臂梁结构的阻尼智能化

作　者: 陈卓
导　师: 黄志雄
学　校: 武汉理工大学
专　业: 材料学
关键词: 空心微球复合泡沫塑料应力分布振动控制压电阻尼复合材料
分类号: TB332
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

空心微球材料填充聚合物基体制备的复合泡沫塑料,因其低密度、高比强度、低雷达探测率、低吸水率及可设计性,被广泛应用于航天航空产品、水下载具结构件中。本文以空心玻璃微球填充环氧树脂基体制备了复合泡沫塑料,并对其进行了准静态单轴压缩测试；为分析复合泡沫塑料中的应力分布状态,建立了球颗粒在一定空间中的随机均匀分布模型；将球颗粒分布模型结合有限元软件分析了空心玻璃微球的球壁厚度及粒径变化对复合泡沫塑料应力分布的影响；使用工NV法测量了复合泡沫塑料悬臂梁的阻尼性能,并结合XPC Target实时控制环境对复合泡沫塑料悬臂梁进行了振动主动控制；通过以不同的方式将压电陶瓷／导电相／环氧树脂复合材料阻尼块布置在复合泡沫塑料悬臂梁上作为被动阻尼材料,并以不同强度Chirp信号激励悬臂梁结构,探讨了阻尼块的布置方式对减振效果的影响,为实现悬臂梁结构在变频率外载荷作用下于低频域内减小结构响应进行了可行性探索。本论文工作得到了如下重要结论：增大空心玻璃微球含量,复合泡沫塑料的密度下降。空心玻璃微球的种类与含量对复合泡沫塑料的力学性能有一定的影响,增大薄壁空心玻璃微球填充量会降低复合泡沫塑料的弹性模量和抗压强度；而增大厚壁空心玻璃微球填充量会增大复合泡沫塑料的弹性模量和抗压强度。使用粒径大球壁薄的空心微球与粒径小球壁厚的空心玻璃微球混合搭配的方式得到的新型空心玻璃微球制备复合泡沫塑料,其弹性模量和抗压强度高于同等密度的薄壁空心微球填制备的复合泡沫塑料。在随机均匀分散模型中,球颗粒的分布具有一定均匀性,不会出现局部颗粒数目陡增或陡降的现象。有限元分析结果表明,在复合泡沫塑料中,随空心玻璃微球球壁厚度的增大,复合泡沫塑料中最大应力减小。在一定的载荷下,空心玻璃微球球壁厚度较薄时,空心玻璃微球为主要的承载体；而当空心微球球壁厚度增大时,包覆空心玻璃微球的环氧树脂基体也参与吸收应变能。空心玻璃微球的球壁厚度越大,参与吸收应变能的树脂基体部分越多。通过INV阻尼计法测得了复合泡沫塑料悬臂梁结构的固有频率及阻尼比,增大空心玻璃微球含量,会增大悬臂梁结构的阻尼比；当空心玻璃微球含量增大到一定值时,悬臂梁结构的阻尼比降低。通过基于XPC Target的实时控制系统对复合泡沫塑料悬臂梁在瞬时激励下的振动进行了主动控制,主动控制可以有效减小悬臂梁的振动衰减时间及振幅,并提高结构阻尼比。但若悬臂梁自身结构阻尼较大,则主动控制对阻尼效能提升的效果会相对较差；对复合泡沫塑料悬臂梁在频率为一阶、二阶固有频率激励下的振动进行了主动控制,使振幅于一定程度减小,且一阶固有频率激励下的振动控制效果比二阶固有频率激励下的振动控制效果略差。在悬臂梁结构受到的强度较大的激励,且压电阻尼复合材料以某种特定的布置方式布置在悬臂梁上时,才能充分发挥压电阻尼复合材料的效能,使悬臂梁结构受到连续变频率外部激励时,于一定低频域内减小其频率响应。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-25
  1.1 复合泡沫塑料的研究现状  12-14
  1.2 基于压电材料的阻尼结构  14-17
    1.2.1 压电材料  14-16
    1.2.2 压电材料主动阻尼系统  16
    1.2.3 压电材料被动阻尼系统  16-17
  1.3 压电阻尼复合材料的发展状况  17-23
    1.3.1 高分子阻尼材料  17-19
    1.3.2 颗粒填充复合材料的阻尼特性  19-20
    1.3.3 压电阻尼复合材料的阻尼特性  20-23
  1.4 本课题研究的目的和意义  23
  1.5 本课题主要研究内容  23-25
第2章复合泡沫塑料的抗压性能  25-35
  2.1 引言  25
  2.2 空心玻璃微球厚度对复合泡沫塑料抗压性能的影响  25-29
    2.2.1 复合泡沫塑料的制备  25-26
      2.2.1.1 实验原材料介绍  25-26
      2.2.1.2 复合泡沫塑料的制备  26
      2.2.1.3 复合泡沫塑料的命名  26
    2.2.2 复合泡沫塑料力学性能测试方法  26-27
    2.2.3 测试结果分析  27-29
  2.3 空心玻璃微球粒径大小对复合泡沫塑料抗压性能的影响  29-31
    2.3.1 空心玻璃微球的筛分  29
    2.3.2 测试结果分析  29-31
      2.3.2.1 密度与抗压强度随HGM含量的变化  29-30
      2.3.2.2 复合泡沫塑料的微观结构  30-31
  2.4 不同壁厚HGM混搭对复合泡沫塑料抗压性能的影响  31-34
    2.4.1 复合泡沫塑料的制备  32-33
    2.4.3 测试结果与分析  33-34
  2.5 小结  34-35
第3章空心微球的随机均匀分布模型及应用  35-58
  3.1 引言  35
  3.2 复合泡沫塑料的微观模型  35-42
    3.2.1 球颗粒的随机均匀分布算法及实例  35-39
    3.2.2 球颗粒的随机均匀分布的分散状态表征  39-42
  3.3 空心玻璃微球壁厚对复合泡沫塑料应力分布的影响  42-51
    3.3.1 实体模型与边界条件  42-44
    3.3.2 结果分析  44-51
  3.4 空心玻璃微球粒径大小对复合泡沫塑料应力分布的影响  51-57
    3.4.1 实体模型与边界条件  51-52
    3.4.2 分析结果  52-57
  3.5 小结  57-58
第4章复合泡沫塑料悬臂梁的振动主动控制  58-80
  4.1 引言  58-59
  4.2 复合泡沫塑料悬臂梁结构的结构阻尼比测定  59-63
    4.2.1 复合泡沫塑料悬臂梁的制备  59
    4.2.2 模态分析简介  59-60
    4.2.3 悬臂梁结构阻尼测试设备  60-62
      4.2.3.1 INV1601B型振动教学实验仪  60-61
      4.2.3.2 INV3018-24位高精度数据采集仪  61-62
      4.2.3.3 MSC-1型弹性力锤  62
    4.2.4 复合泡沫塑料悬臂梁阻尼性能测试结果  62-63
  4.3 基于PID算法的复合泡沫塑料悬臂梁振动主动控制  63-79
    4.3.0 PID控制率  63-64
    4.3.1 硬件设备  64
    4.3.2 软件系统  64-65
    4.3.3 主动阻尼系统对复合泡沫塑料悬臂梁结构阻尼的影响  65-75
    4.3.4 固有频率激励下的主动控制  75-79
  4.4 小结  79-80
第5章压电陶瓷/导电相/环氧树脂复合材料对复合泡沫塑料悬臂梁的振动阻尼  80-117
  5.1 前言  80
  5.2 压电陶瓷/导电相/环氧树脂复合材料  80-81
  5.3 实验方法  81-85
    5.3.1 压电阻尼复合材料的布置方式  81-82
    5.3.2 测试方式  82-85
  5.4 测试结果分析  85-116
    5.4.1 阻尼块的横向布置对振动控制效果的影响  85-99
    5.4.2 阻尼块的纵向布置对振动控制效果的影响  99-116
  5.5 小结  116-117
第6章结论  117-119
参考文献  119-129
攻读博士学位期间发表论文  129-130
致谢  130

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