1.1 纤维增强复合薄板结构在工程应用中的振动问题

1.1.1 纤维增强复合材料概述

纤维增强复合材料是由纤维与基体材料构成的先进复合材料，广泛应用于航空、航天、兵器、核工业、船舶、汽车、建筑等领域。其中，纤维作为增强材料均匀地分布在基体中，发挥了主要的承载作用；而基体则对不同铺设参数的纤维层起到了一定的黏结作用，承受和传递着不同纤维层间的切应力，并在垂直于纤维方向承受着部分的拉应力或压应力，同时保护纤维不受化学腐蚀和机械损伤。在实际工程实践中，为了满足其在不同工作环境下的力学性能需求，纤维材料和基体材料的种类繁多，并且为了充分发挥纤维的承载作用，在设计和制备过程中的纤维增强复合材料，主要为不同角度、多层铺设的层合结构，如图1-1所示。

图1-1 纤维增强复合材料示意图

在实际应用中，常按照增强材料的形态，将纤维增强复合材料分为连续纤维、短纤维、颗粒填充、片状填充、编织、缠绕等形式，如图1-2a所示；另外，也可按照纤维材料和基体材料的种类进行分类。其中，基体材料通常包括树脂基、金属基、陶瓷基等，增强材料则采用玻璃纤维、硼纤维、碳纤维、碳化硅（SiC）纤维、芳纶纤维（Kevlar纤维）等，如图1-2b所示。

图1-2 纤维增强复合材料分类

a）按增强材料的形态分类 b）按材料的种类分类

下面对不同种类的纤维材料，简单进行介绍。玻璃纤维是纤维增强复合材料中应用非常广泛的增强体，包括E型玻璃纤维（无碱玻璃纤维和电绝缘纤维）和S型玻璃纤维（高强度玻璃纤维）等，其优点是抗拉强度高，具有良好的绝缘性能和较大的伸长率，但是脆性大，比模量较低，与铝接近；碳纤维复合材料是为了满足宇航、导弹及航空等部门的需要而发展起来的高性能增强材料，具有密度小、强度高、模量高、耐热性好等优势，是目前最受重视的先进纤维材料之一。碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳，分为高强度碳纤维、高模量碳纤维和超高模量碳纤维等多种不同的牌号。由于后两种碳纤维还需经过石墨化处理，因此也被称为石墨纤维；Kevlar纤维是一类芳香族聚酰胺合成有机纤维，它具有很高的强度和较高的模量，并且具有很小的热膨胀系数和良好的绝缘性能，是玻璃纤维很好的代替物；硼纤维是由硼整齐在钨丝上沉积制成的复合纤维，具有较高的强度和模量，以及良好的抗高温性能和抗氧化性能，但成本较高；碳化硼纤维是典型的陶瓷纤维，在形态上具有晶须和连续纤维两种，具有良好的抗高温、耐腐蚀和抗氧化性能，与金属的亲和力较强。各种主要纤维材料的基本性能如表1-1所列，表中还给出了钢、铝等金属丝材料的性能参数。对于上述多种纤维增强复合材料，其相对于传统金属材料的性能优势，可概括为以下几点：

1）比强度、比刚度高。所谓比强度、比刚度，是指材料的强度和刚度与密度之比，它们是在等质量前提下衡量材料承载能力和刚度特性的重要性能指标。较高的比强度和比刚度，也就表明纤维增强复合材料能够制成承载性能好且质量较轻的结构。

2）比模量高。所谓比模量，是指材料的模量与密度之比。除玻璃纤维环氧复合材料外，上述复合材料的比模量，比金属材料的都高很多，特别是高模量碳纤维材料最为突出。

3）耐高温。通常铝合金可用于200～250℃，温度更高时其弹性模量和强度将降低很多。而碳纤维/铝基复合材料却能在400℃下长期工作，力学性能稳定，碳化硅纤维/陶瓷基复合材料则能在1200～1400℃下工作，碳/碳复合材料更是能承受高达3000℃的高温环境。

4）耐腐蚀。很多复合材料都耐酸碱腐蚀，如玻璃纤维/酚醛树脂复合材料能够在含氯离子的酸性介质中长期使用，可用来制造耐强酸、盐、脂的化工管道、容器等设备，某些耐碱玻璃纤维或碳纤维/树脂基材料，还能够在强碱介质中服役和使用。

5）抗疲劳。纤维增强复合材料在纤维方向受拉压时的疲劳特性，相比较于传统的金属材料要好得多。金属材料的疲劳破坏通常是由内部向外部破坏经过渐变而突然扩展，而纤维增强复合材料的疲劳破坏总是从纤维或基体的薄弱环节开始，并逐渐扩展到结合面上。另外，在损伤较多且尺寸较大的情况下，纤维增强复合材料在破坏前有显著的征兆，这为其损伤检测提供了可靠的判断依据。

6）可设计性强。纤维增强复合材料的可设计性能，一般是指通过改变纤维的体积分数和增强方式，可在较大的范围内改变其材料某些性能指标。此外，纤维增强复合材料的铺层设计，也为该类型材料与结构设计提供了广阔的应用空间，使得在均质各向同性材料上无法实现的设计思想，可以在复合材料上发挥重要指导作用，特别是在纤维/金属、纤维/夹芯、纤维/黏弹性等混杂复合材料及其结构上，良好的可设计性可发挥更加闪耀的光芒。

表1-1 各种主要纤维材料与金属丝的基本性能

（续）

在基体材料方面，树脂基材料常被分为热固性和热塑性树脂两大类。其中，热固性树脂包括环氧树脂、酚醛树脂和聚酯树脂等。环氧树脂在实际应用中最为广泛，其主要优点是黏结力强，与增强纤维表面浸润性好，固化成型方便；酚醛树脂耐高温性好，吸水性小，电绝缘性好，价格低廉；聚酯树脂工艺性好，可室温固化，价格低廉，但固化时收缩大，耐热性低。常见的热塑性树脂有聚酰胺（又称尼龙）、聚醚酮和聚碳酸酯等，该类型基体材料的成型，主要是通过热塑性树脂的熔融、流动、冷却、固化等物理状态的变化来实现。而由于物理状态的变化是可逆的，所以热塑性基体材料可以被反复使用。当它们被加热到转变温度时会重新软化，易于被制成模压复合材料。几种常用树脂材料的力学性能如表1-2所示。

表1-2 几种常用树脂材料的力学性能

金属基体材料主要用于耐高温或其他特殊需要的场合，应用相对较成熟的该类型材料有铝基、镁基、镍基和钛基等。由于金属基复合材料在制备工艺过程中，涉及高温、增强材料的表面处理、复合成型等复杂工艺，因而这类材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决于其制造技术。

陶瓷基体材料主要由已结晶和非结晶两种形态的化合物存在，按照组成化合物的元素不同，可以分为氧化物陶瓷（氧化铝、氧化锆）、碳化物陶瓷（碳化硅、碳化硼）、氮化物陶瓷（氮化硅、氮化硼）等。陶瓷基体材料具有耐高温、化学稳定性好、抗压强度高等独特优势，但材料的脆性很难克服，且耐冲击性较差。

1.1.2 纤维增强复合薄板结构的工程应用

纤维增强复合薄板是工程实际中最为常见的一类结构型式，其具备了纤维增强复合材料的诸多优点，被广泛应用于各个行业。例如，在航空领域中，美国GE公司GE9X系列发动机装备使用了碳纤维/树脂基风扇叶片（见图1-3a），相对于传统金属叶片，该叶片具备更轻的重量、更好的抗振性以及更高的耐久性，还有美国的F-22战斗机，在其机翼、尾翼、舱门等结构上也大量应用了高强度、耐高温的碳纤维/树脂基蒙皮（以薄板件为主）；在航天领域中，绝缘的芳纶纤维复合材料面板，被广泛应用在航天卫星太阳能电池板中（见图1-3b），除了轻质、高强特性外，人们还通过利用碳纤维/树脂的线膨胀特性和合理的铺层结构设计，来确保卫星电池板在太阳直射160℃和背光-160℃造成的冷热交替复杂环境下的尺寸稳定性；在汽车工业领域上，通用Chevrolet Corvette Z06轿车发动机采用了碳纤维/环氧树脂复合材料罩外板（见图1-3c），其质量仅为9.3kg，能够在减轻整车重量的同时，保持较高的发动机防护性能，并且零部件的模块性较好，安装成本低，技术已经成熟；在兵器工业领域，在中国向国际市场上输出的复合式防弹背心中，大量采用轻薄的超高分子聚乙烯纤维（UHMWPE）作为防弹插板（见图1-3d），其可插入于防弹背心的前片和后片，以提高这些部位的防护能力；在船舶工业领域，各种碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维板件也被大量应用，如甲板、舱壁、舱室隔板、铺板等，用于提高舰船的冲击、吸声、隔声、阻尼、阻燃等性能；另外，在建筑声学行业，纤维增强复合材料也拥有极大的用量，例如，图1-3e所示的聚酯纤维复合材料吸声薄板，其轻量美观，经久耐用，吸声系数高，常作为会议室墙面的吸声降噪材料使用。

图1-3 纤维增强复合薄板结构的工程应用实例

a）碳纤维/树脂基风扇叶片 b）卫星太阳能电池板 c）轿车发动机采用的复合材料罩外板 d）超高分子聚乙烯纤维防弹插板 e）聚酯纤维复合材料吸声薄板

1.1.3 纤维增强复合薄板振动问题的研究难点与意义

随着纤维增强复合材料的广泛应用，人们对安全性、经济性和各项性能指标，提出了越来越高的要求，相应地对相关测试与分析方法的可靠性、合理性也提出了很高的要求。目前，针对不同种类的纤维增强复合材料及结构，虽然我国已经出版了多本关于复合材料力学和复合材料结构力学方面的书籍，但书中多项内容主要集中在材料学、静力学测试与分析范畴内，绝大多数关注的是材料的应力-应变关系、拉压变形、静态强度、稳定性、静态屈曲、损伤破坏、静态及准静态疲劳等问题，较少关注动态载荷引发的各种复杂振动问题及现象。但随着纤维增强复合材料的结构型式越来越复杂、载荷条件越来越多样化、工作环境越来越苛刻，其振动问题在工程实际中暴露的也就越来越多，由此引发的振动超标、结构动态损伤、动强度下降、高阶振动疲劳等问题也越来越引起广大科技工作者的重视。另外，由于该类型复合材料具有明显的各向异性特点，以薄板结构件为例，其在不同的动态载荷作用下，不仅会表现出随外激励幅度变化的能量耗散特点（非线性阻尼特性）以及非线性的刚度特征（固有频率也随着振幅而改变），还容易引起复合结构系统产生振幅跳跃、分叉等复杂非线性振动现象。上述非线性特点给传统的以线性等效为主的分析方法带来很大的困难与挑战，同时也对传统的实验技术提出了更高的要求。因此，研究纤维增强复合薄板类结构件振动问题相关的测试与分析方法，特别是对其非线性振动问题开展研究，具有重要的科学意义和工程应用价值。

本书以纤维增强复合材料薄板为研究对象，通过理论联系实际的方式，对其振动特性的先进测试与分析方法做了较为全面、系统的介绍。书中所采用的测试系统、实验方案与理论模型等都紧跟国际发展动向，具有较高的学术水平。书中的测试数据与计算数据都源自于课题组近年来搜集、发表的学术论文资料，相关研究成果对于复合结构系统的动态设计、振动响应预估、性能优化、损伤诊断等多个环节都有重要价值。本书主要供从事复合材料及结构研究的相关技术人员阅读，也可作为高等院校相关专业学生的参考书。