常永樂(lè),李 暉,楊雪峰,趙 帆,李政澤

(東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,沈陽(yáng) 110819)

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纖維增強(qiáng)復(fù)合薄板非線性振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)開發(fā)及應(yīng)用

常永樂(lè),李 暉,楊雪峰,趙 帆,李政澤

(東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,沈陽(yáng) 110819)

自主設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套新型纖維增強(qiáng)復(fù)合薄板非線性振動(dòng)測(cè)試平臺(tái).首先,開發(fā)了基于LabVIEW控制的二維激光掃描測(cè)振系統(tǒng),介紹了該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理及測(cè)控優(yōu)勢(shì).然后,自主設(shè)計(jì)復(fù)合薄板專用夾具、振動(dòng)轉(zhuǎn)化底座等功能部件,完成纖維增強(qiáng)復(fù)合薄板激振平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā).最后,經(jīng)過(guò)對(duì)各個(gè)功能部件進(jìn)行安裝、調(diào)試和組配后,利用該振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)獲得了復(fù)合薄板結(jié)構(gòu)的3類非線性振動(dòng)現(xiàn)象,包括諧波失真、軟式剛度非線性和非線性跳躍現(xiàn)象.應(yīng)用研究表明,開發(fā)的測(cè)試平臺(tái)能夠達(dá)到預(yù)期實(shí)驗(yàn)效果,且相對(duì)于已有測(cè)試平臺(tái),在測(cè)試精度、測(cè)試效率方面都有大幅提高,可以為纖維增強(qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)的非線性振動(dòng)測(cè)試問(wèn)題提供一種新思路和新方法.

復(fù)合薄板; 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料; 非線性振動(dòng); 振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其薄板結(jié)構(gòu)的比強(qiáng)度高、比模量高、材料具有可設(shè)計(jì)性、熱穩(wěn)定性好,而且還具有承載力大、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)械、船舶、體育器械、電氣設(shè)備、醫(yī)學(xué)、兵器工業(yè)等領(lǐng)域[1].然而,由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料不同于常規(guī)材料,其性能具有明顯的各向異性,其宏觀薄板結(jié)構(gòu)件還表現(xiàn)出非線性剛度及阻尼等振動(dòng)特點(diǎn)[2-3].例如:其固有頻率隨著外界激振幅度的增大會(huì)出現(xiàn)降低,呈現(xiàn)軟式非線性剛度特點(diǎn);其阻尼參數(shù)也受到外界激振幅度及頻率變化的影響[4-5].上述非線性特點(diǎn)給傳統(tǒng)的線性振動(dòng)測(cè)試方法及相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)開發(fā)帶來(lái)困難與挑戰(zhàn).

研究纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)的非線性振動(dòng)特性不僅對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的理論建模、機(jī)理研究以及優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面具有重要意義,而且能夠?yàn)楹罄m(xù)的振動(dòng)控制、故障診斷等提供重要支持.目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者及研究人員對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合薄板的非線性振動(dòng)特性進(jìn)行了大量研究,取得了階段性的研究成果.Crane等[6]搭建脈沖激勵(lì)實(shí)驗(yàn)臺(tái),對(duì)3類不同材料復(fù)合梁試件的損耗因子進(jìn)行了表征測(cè)試,研究發(fā)現(xiàn)90°纖維復(fù)合梁的阻尼性能要優(yōu)于0°纖維復(fù)合梁.Turvey等[7]設(shè)計(jì)不同邊界條件下帶孔復(fù)合材料薄板振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái),在電磁激振器單點(diǎn)激勵(lì)的情況下,用加速度傳感器測(cè)玻璃增強(qiáng)塑料板的振動(dòng)響應(yīng),利用掃頻測(cè)試方法獲得固有頻率,并利用拋沙法獲得模態(tài)振型.但是,該試驗(yàn)臺(tái)還存在一些問(wèn)題,例如只能進(jìn)行單點(diǎn)激勵(lì),激勵(lì)方式單一.同時(shí),激振器的頂桿和加速度傳感器都會(huì)給復(fù)合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)帶來(lái)附加質(zhì)量和剛度的影響,進(jìn)而影響固有頻率及阻尼測(cè)試的準(zhǔn)確性.Berthelot等[8]設(shè)計(jì)了懸臂復(fù)合梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)試平臺(tái),利用錘擊法獲得芳綸纖維和玻璃纖維兩種復(fù)合梁結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù),并識(shí)別獲得了模態(tài)振型、固有頻率等參數(shù).Chaudhuri等[9]搭建了四邊簡(jiǎn)支實(shí)驗(yàn)臺(tái),在基礎(chǔ)激勵(lì)下獲得不同纖維角度的纖維復(fù)合薄板的固有振動(dòng)參數(shù).結(jié)果表明,隨著纖維角度的不同,復(fù)合薄板的固有頻率和振型結(jié)果均會(huì)發(fā)生改變.Matter等[10]搭建了纖維復(fù)合材料聲激振測(cè)試平臺(tái),用揚(yáng)聲器對(duì)復(fù)合薄板進(jìn)行非接觸激勵(lì),用激光位移傳感器測(cè)量振動(dòng)響應(yīng),并在自由狀態(tài)下獲得了復(fù)合薄板的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型等模態(tài)參數(shù).國(guó)內(nèi)李瑞杰等[11]搭建了懸臂梁振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái),研究發(fā)現(xiàn)基體材料組分、纖維鋪設(shè)方向?qū)?fù)合材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的剛度和阻尼性能有重要影響.楊云昭等[12]搭建了懸臂復(fù)合梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)試平臺(tái),利用瞬態(tài)沖擊振動(dòng)梁法得到了不同樹脂基體、不同纖維鋪層角等參數(shù)下纖維增強(qiáng)復(fù)合梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性數(shù)據(jù),并提取了模態(tài)頻率與損耗因子.張偉教授團(tuán)隊(duì)[13]搭建了復(fù)合薄板非線性振動(dòng)測(cè)試平臺(tái),在簡(jiǎn)支邊界條件下利用電磁振動(dòng)臺(tái)以定幅、緩慢掃頻的方式,通過(guò)對(duì)比在不同掃頻方向獲得的響應(yīng)信號(hào)頻譜及其發(fā)生跳躍現(xiàn)象對(duì)應(yīng)的頻率,來(lái)判斷復(fù)合薄板結(jié)構(gòu)的硬式、軟式剛度非線性特征,初步確認(rèn)了一套可行的非線性振動(dòng)參數(shù)表征測(cè)試方法.

雖然人們對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)開展了大量的研究工作,但絕大多數(shù)與線性振動(dòng)問(wèn)題有關(guān),對(duì)其非線性振動(dòng)特點(diǎn)和行為開展測(cè)試研究的相對(duì)較少.特別是在測(cè)試實(shí)踐中缺乏專用的復(fù)合薄板非線性振動(dòng)測(cè)試平臺(tái),難以有效獲取各向異性材料及其宏觀結(jié)構(gòu)件的非線性振動(dòng)現(xiàn)象,用驗(yàn)證數(shù)值仿真方法獲得某些非線性振動(dòng)結(jié)果及結(jié)論.因此,有必要在纖維增強(qiáng)復(fù)合薄板非線性振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)和開發(fā)上投入更大精力,綜合考慮激勵(lì)方式、測(cè)試效率、測(cè)試精度等方面的影響,來(lái)繼續(xù)研究其非線性振動(dòng)問(wèn)題.

本文自主設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套新型纖維增強(qiáng)復(fù)合薄板非線性振動(dòng)測(cè)試平臺(tái).首先,開發(fā)了基于LabVIEW控制[14]的二維激光掃描測(cè)振系統(tǒng),并詳細(xì)介紹了該掃描系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理及測(cè)控優(yōu)勢(shì).然后,完成了纖維增強(qiáng)復(fù)合薄板激振平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā),先設(shè)計(jì)了振動(dòng)臺(tái)面和復(fù)合薄板專用夾具等功能部件,使其可以有效模擬復(fù)合薄板對(duì)應(yīng)的單邊、對(duì)邊、四邊固支等多種邊界條件.同時(shí),還設(shè)計(jì)了一款振動(dòng)轉(zhuǎn)化底座結(jié)構(gòu),以便可以靈活地將振動(dòng)能量通過(guò)基礎(chǔ)激勵(lì)的形式傳遞給復(fù)合結(jié)構(gòu)系統(tǒng),并保證對(duì)其開展能量充足且幅度可控的振動(dòng)激勵(lì).最后,經(jīng)過(guò)對(duì)二維激光掃描測(cè)振系統(tǒng)及各個(gè)功能部件進(jìn)行安裝、調(diào)試和組配,完成了纖維增強(qiáng)復(fù)合薄板非線性振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的開發(fā)任務(wù),并以碳纖維/樹脂基復(fù)合薄板為例,對(duì)其進(jìn)行了應(yīng)用研究.在非線性振動(dòng)測(cè)試實(shí)踐中,利用該平臺(tái)共獲得了復(fù)合薄板結(jié)構(gòu)的3類非線性振動(dòng)現(xiàn)象,包括諧波失真、軟式剛度非線性和非線性跳躍現(xiàn)象等.應(yīng)用研究表明,開發(fā)的非線性振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)能夠達(dá)到預(yù)期實(shí)驗(yàn)效果,且相對(duì)于已有測(cè)試平臺(tái),在測(cè)試精度、測(cè)試效率方面都有大幅提高,可以為纖維增強(qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)的非線性振動(dòng)測(cè)試問(wèn)題提供一種新思路和新方法.

1 復(fù)合薄板二維激光掃描測(cè)振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

為高效、準(zhǔn)確地獲取纖維增強(qiáng)復(fù)合薄板非線性振動(dòng)參數(shù),首先設(shè)計(jì)了一套二維激光掃描測(cè)振系統(tǒng),其不僅能夠提高單點(diǎn)測(cè)量的效率,還可以連續(xù)掃描獲取復(fù)合薄板X,Y及其交叉方向的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào).

1.1 二維激光掃描測(cè)振系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

二維激光掃描測(cè)振系統(tǒng)硬件包括PDV-100激光測(cè)振儀、45°反光鏡、86HS45步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、R-10控制器以及工字滑臺(tái).其中激光測(cè)振儀可以通過(guò)非接觸測(cè)振的方式,精確獲取復(fù)合薄板的振動(dòng)頻率及幅值;45°反光鏡則將激光光路從水平方向調(diào)整為垂直方向;工字滑臺(tái)型導(dǎo)軌能實(shí)現(xiàn)300 mm×400 mm的進(jìn)給范圍,且在其X,Y方向上各安裝一個(gè)86HS45步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)控制滑塊的往復(fù)運(yùn)動(dòng),用以實(shí)現(xiàn)激光的連續(xù)掃描,掃描速度為0～5 mm/s.同時(shí),為了通過(guò)LabVIEW軟件對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制,還選用碩科數(shù)控科技有限公司的R-10控制器,并通過(guò)RS485串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信,二維激光掃描測(cè)振系統(tǒng)連接示意圖如圖1所示.

圖1 二維激光掃描測(cè)振系統(tǒng)連接示意圖

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

1.2 二維激光掃描測(cè)振軟件系統(tǒng)的開發(fā)

利用LabVIEW軟件編寫上位機(jī)程序,程序框圖如圖2(a)所示,該程序可以實(shí)現(xiàn)二維激光掃描測(cè)振系統(tǒng)的軟件控制,所開發(fā)的軟件程序界面如圖2(b)所示,該界面包括X和Y方向調(diào)速盤、位置運(yùn)動(dòng)和運(yùn)行、停止按鈕、回歸原點(diǎn)等.其中X和Y方向調(diào)速盤可以實(shí)現(xiàn)X和Y方向電動(dòng)機(jī)速度和方向的調(diào)節(jié);分別在X和Y位置運(yùn)動(dòng)欄輸入數(shù)值,可以控制滑塊X和Y方向的位移;設(shè)定X和Y方向速度,并同時(shí)按下X和Y方向運(yùn)動(dòng)按鈕,滑塊可以沿交叉方向運(yùn)動(dòng).點(diǎn)擊回歸原點(diǎn)按鈕,滑塊自動(dòng)回到掃描系統(tǒng)預(yù)設(shè)的原點(diǎn)位置.

圖2 基于LabVIEW二維激光掃描測(cè)振系統(tǒng)

2 復(fù)合薄板激振工作臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

所設(shè)計(jì)的纖維增強(qiáng)復(fù)合薄板激振工作臺(tái)由振動(dòng)臺(tái)面、復(fù)合薄板專用夾具、振動(dòng)轉(zhuǎn)化底座、電磁激振器、支撐架和支撐彈簧等功能部件組成,其整體結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 復(fù)合薄板激振工作臺(tái)結(jié)構(gòu)模型

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

各部分結(jié)構(gòu)形式和功能如下:

(1) 振動(dòng)臺(tái)面和復(fù)合薄板專用夾具

振動(dòng)臺(tái)面可以將激振能量以基礎(chǔ)激勵(lì)的方式傳遞給復(fù)合薄板專用夾具,通過(guò)臺(tái)面上的反饋傳感器來(lái)保證幅度可控的振動(dòng)激勵(lì).復(fù)合薄板專用夾具共包含4套壓緊模塊和4套固定模塊.其中固定模塊固定在振動(dòng)臺(tái)面上,中央形成一個(gè)固定槽,實(shí)驗(yàn)時(shí)可將纖維增強(qiáng)復(fù)合薄板置于固定槽中,通過(guò)壓緊模塊上的M12螺栓壓緊.調(diào)整壓緊模塊和固定模塊的數(shù)量,則可以有效模擬測(cè)試復(fù)合薄板所需的單邊、對(duì)邊、四邊固支等多種邊界條件.

(2) 振動(dòng)轉(zhuǎn)化底座

振動(dòng)轉(zhuǎn)化底座的作用是將電磁激振器的振動(dòng)能量有效傳遞給振動(dòng)臺(tái)面.在其四邊上設(shè)計(jì)了安裝孔,通過(guò)螺栓連接在振動(dòng)臺(tái)面底部的螺栓孔上,同時(shí)還設(shè)計(jì)了加強(qiáng)筋,以保證結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的剛性.為了保證較好地傳遞激振能量,避免帶給激振器格外的附加重量影響,還對(duì)振動(dòng)轉(zhuǎn)化底座進(jìn)行了減重優(yōu)化設(shè)計(jì).

(3) 其他結(jié)構(gòu)

其他結(jié)構(gòu)包括電磁激振振器、功率放大器、支撐彈簧.電磁激振振器為聯(lián)能JZK-100,通過(guò)配套YE5878 功率放大器,其最大激振力可達(dá)1 000 N,支撐彈簧為彈簧鋼材料,彈簧剛度約為13.5 N/mm.

3 復(fù)合薄板非線性振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的組配

在二維激光掃描測(cè)振系統(tǒng)和復(fù)合薄板激振工作臺(tái)中,結(jié)合LMS便攜式數(shù)據(jù)采集儀、機(jī)柜等設(shè)備,組配復(fù)合薄板非線性振動(dòng)測(cè)試平臺(tái),用于測(cè)量復(fù)合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的線性及非線性動(dòng)力學(xué)參數(shù).

復(fù)合薄板非線性振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的實(shí)物圖(見圖4).加工具有一定剛性且符合測(cè)試要求的機(jī)柜,機(jī)柜與復(fù)合薄板激振工作臺(tái)相互獨(dú)立,以避免機(jī)柜產(chǎn)生振動(dòng).從多角度觀察纖維增強(qiáng)復(fù)合薄板振動(dòng)情況,在其頂部、前部和右部均留有玻璃窗.二維激光掃描測(cè)振系統(tǒng)則安裝在機(jī)柜上面,激光測(cè)振儀發(fā)出的激光可以透過(guò)頂部玻璃窗投射在纖維增強(qiáng)復(fù)合薄板上,進(jìn)而測(cè)試其振動(dòng)響應(yīng).機(jī)柜內(nèi)側(cè)左邊安裝一盞普通照明燈,左上角還安裝報(bào)警燈,當(dāng)振動(dòng)幅度過(guò)大時(shí),報(bào)警燈會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào).

圖4 復(fù)合薄板非線性振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)

Fig.4 Nonlinear vibration testing platform for composite thin plate

纖維增強(qiáng)復(fù)合薄板非線性振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的連接示意圖及測(cè)點(diǎn)位置如圖5所示.主要包括筆記本工作站、電磁激振振器、LMS便攜式數(shù)據(jù)采集儀、二維激光掃描平臺(tái)等.其中LMS便攜式數(shù)據(jù)采集儀可發(fā)出激勵(lì)信號(hào),通過(guò)功率放大器將信號(hào)放大,進(jìn)而控制電磁激振器實(shí)現(xiàn)振動(dòng)激勵(lì).電磁激振器的振動(dòng)將轉(zhuǎn)化在底座上,通過(guò)基礎(chǔ)激勵(lì)的形式傳遞給復(fù)合結(jié)構(gòu)系統(tǒng).最后,通過(guò)二維激光掃描測(cè)振系統(tǒng)來(lái)獲取該類型復(fù)合薄板任意位置的振動(dòng)響應(yīng).

4 復(fù)合薄板非線性振動(dòng)測(cè)試實(shí)例

在非線性振動(dòng)測(cè)試實(shí)踐中,利用所開發(fā)的非線性振動(dòng)測(cè)試平臺(tái),共獲得復(fù)合薄板結(jié)構(gòu)的3類非線性振動(dòng)現(xiàn)象,包括諧波失真、硬/軟式剛度非線性和非線性跳躍測(cè)試現(xiàn)象.

以TC500碳纖維/樹脂基復(fù)合薄板為研究對(duì)象(見圖5),對(duì)其進(jìn)行非線性振動(dòng)測(cè)試.該類型復(fù)合薄板為對(duì)稱正交鋪設(shè),即[(0/90)s/0/(90/0)s],共有21層,每個(gè)鋪層具有相同的厚度和纖維體積分?jǐn)?shù),其纖維縱向彈性模量E1=136 GPa,纖維橫向彈性模量E2=7.92 GPa,剪切模量G12=3.39 GPa,泊松比v12=0.32,質(zhì)量為251 g,密度為1 780 kg/m3.通過(guò)圖5所示的夾具來(lái)夾緊其中的一邊,夾持長(zhǎng)度為30 mm,用以模擬懸臂約束邊界條件,約束后的復(fù)合薄板的長(zhǎng)、寬、厚尺寸為200 mm×130 mm×2.36 mm.

圖5 纖維增強(qiáng)復(fù)合薄板非線性振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)及其測(cè)點(diǎn)位置

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

測(cè)試時(shí),先將復(fù)合薄板通過(guò)夾具固定在激振工作臺(tái)上,并通過(guò)力矩扳手?jǐn)Q緊夾具上的4個(gè)M12螺栓.再進(jìn)行測(cè)點(diǎn)位置的確定,經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試對(duì)比,最終選取距離復(fù)合板約束端150 mm,且距離上測(cè)自由邊20 mm、振動(dòng)響應(yīng)較強(qiáng)又不超出傳感器量程的A點(diǎn)為響應(yīng)測(cè)點(diǎn),并將夾具上的B點(diǎn)作為反饋傳感器測(cè)點(diǎn),如圖5所示.

開展掃頻法固有頻率測(cè)試和共振狀態(tài)下模態(tài)振型測(cè)試.表1給出了掃頻速度0.5 Hz/s、激勵(lì)幅值0.5 g時(shí)測(cè)試獲得的固有頻率,建立該類型復(fù)合薄板的線框模型.在固有頻率處,激發(fā)其達(dá)到共振狀態(tài),通過(guò)二維激光掃描測(cè)振系統(tǒng)獲取其在不同行、列測(cè)點(diǎn)下的振動(dòng)響應(yīng)信息,進(jìn)而獲取其各階模態(tài)振型,相應(yīng)的振型結(jié)果如表1所示.

表1 測(cè)試獲得的纖維增強(qiáng)復(fù)合薄板前5階固有頻率和模態(tài)振型

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

模態(tài)階次12345測(cè)試頻率/Hz48．8101．6310．8416．0505．2模態(tài)振型

在通過(guò)二維激光掃描測(cè)振系統(tǒng)獲取纖維增強(qiáng)復(fù)合薄板的模態(tài)陣型時(shí),采樣頻率為4 096 Hz,共獲得多達(dá)21 036個(gè)測(cè)點(diǎn)的信息,完成前5階模態(tài)振型的測(cè)試時(shí)間大約為30 min.如果通過(guò)傳統(tǒng)的頻響函數(shù)測(cè)試方法來(lái)獲得振型結(jié)果,需要不斷地移動(dòng)激勵(lì)點(diǎn)或響應(yīng)拾取點(diǎn)的位置,導(dǎo)致測(cè)試效率低下.以測(cè)試包含60多個(gè)測(cè)點(diǎn)的復(fù)合板為例,如要完成模態(tài)振型測(cè)試,大約需要1～2 h.對(duì)比兩種方法的時(shí)間成本,可知所開發(fā)的測(cè)試平臺(tái)有效提高了測(cè)試效率.

(1) 諧波失真測(cè)試

在獲得復(fù)合薄板的固有頻率和振型之后,考察不同激勵(lì)頻率下,該類型復(fù)合薄板是否存在諧波失真現(xiàn)象.實(shí)驗(yàn)時(shí),激勵(lì)頻率為308.2 Hz,激勵(lì)幅度為3g時(shí),在反饋測(cè)點(diǎn)B位置測(cè)試獲得的激勵(lì)信號(hào)時(shí)域波形和頻譜圖如圖6所示;在測(cè)點(diǎn)A位置獲得的響應(yīng)信號(hào)時(shí)域波形和頻譜圖如圖7所示.對(duì)比圖6和圖7可發(fā)現(xiàn),纖維增強(qiáng)復(fù)合薄板的振動(dòng)響應(yīng)除與激勵(lì)頻率相同的頻率成分外,還出現(xiàn)了與倍頻成分.因此,可知該類型復(fù)合薄板結(jié)構(gòu)確實(shí)存在非線性諧波失真現(xiàn)象.

圖6 激勵(lì)信號(hào)的時(shí)、頻域圖

圖7 響應(yīng)信號(hào)的時(shí)、頻域圖

(2) 非線性跳躍測(cè)試

非線性跳躍測(cè)試分別在正掃和逆掃兩種掃頻方式下進(jìn)行,觀測(cè)該類型復(fù)合薄板是否存在非線性跳躍.這里主要對(duì)第2,3階固有頻率對(duì)應(yīng)的非線性跳躍現(xiàn)象進(jìn)行考察.當(dāng)激勵(lì)幅值為3g時(shí),掃頻得到的固有頻率和響應(yīng)結(jié)果見表2,纖維增強(qiáng)復(fù)合薄板的第3階頻響曲線見圖8.

對(duì)圖8中纖維增強(qiáng)復(fù)合薄板第3階頻響曲線進(jìn)行分析可知:如果保持激振力幅度不變,緩慢地增加激振頻率,當(dāng)增加至最大值時(shí),將出現(xiàn)增幅跳躍,接著振動(dòng)幅度將逐漸減小;逐漸減少振動(dòng)頻率,振幅將逐漸增大,增至某一點(diǎn)之后,又會(huì)出現(xiàn)降幅跳躍,此后振幅將逐漸減小.因此,纖維增強(qiáng)復(fù)合薄板發(fā)生了跳躍現(xiàn)象.

表2 激勵(lì)幅度為3g時(shí)纖維增強(qiáng)復(fù)合板固有頻率和響應(yīng)

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

掃頻方向第2階第3階正掃固有頻率/Hz100．6307．8響應(yīng)/(m·s-1)0．030．27逆掃固有頻率/Hz100．0307．2響應(yīng)/(m·s-1)0．050．35

圖8 正掃和逆掃獲得的纖維增強(qiáng)復(fù)合薄板第3階頻響曲線

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

(3) 硬/軟式剛度非線性測(cè)試

硬/軟式剛度非線性測(cè)試.改變掃頻激勵(lì)的幅值,在逆掃同一掃頻速度下,對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合薄板進(jìn)行掃頻響應(yīng)測(cè)試.在不同激勵(lì)幅度(300～320 Hz)下,測(cè)試的第3階固有頻率及其頻域響應(yīng)結(jié)果見表3,不同激勵(lì)幅度下測(cè)試獲得的第3階頻域響應(yīng)曲線見圖9.

表3 不同激勵(lì)幅度下測(cè)試獲得的第3階固有頻率及其頻域響應(yīng)結(jié)果

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

激勵(lì)幅度0．5g1g2g3g3．5g固有頻率/Hz310．8309．8308．2307．2307．0頻域響應(yīng)/(m·s-1)0．110．180．250．350．37

由表2和圖9分析可知,隨著激勵(lì)幅度的增加,纖維增強(qiáng)復(fù)合薄板的第3階固有頻率不斷減小,即第3階模態(tài)呈現(xiàn)出明顯的軟式剛度特性.

圖9 不同激勵(lì)幅度下測(cè)試獲得的第3階頻域響應(yīng)曲線Fig.9 Frequency response curves of fiber reinforced composite plate at the third order under different excitation amplitude

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)和開發(fā)了新型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料薄板非線性振動(dòng)測(cè)試平臺(tái),并對(duì)其進(jìn)行了應(yīng)用研究,獲取了碳纖維/樹脂基復(fù)合薄板的3類非線性振動(dòng)現(xiàn)象,包括諧波失真、軟式剛度非線性和非線性跳躍等.實(shí)踐證明,所開發(fā)的測(cè)試平臺(tái)能夠達(dá)到預(yù)期實(shí)驗(yàn)效果,為進(jìn)一步研究纖維增強(qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)的非線性振動(dòng)測(cè)試問(wèn)題提供一種新思路和新方法.

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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

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51505070,51375079);國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2013YQ470765)

常永樂(lè)(1989—),男,碩士生.E-mail:631081103@qq.com

TB 535

A

1672-5581(2017)02-0147-06