基于模态分析的木橡塑三元复合材料的振动特性

陈 玲, 黄润州, 徐信武, 吴清林

(1.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；2.路易斯安娜州立大学林产品试验室，美国 70803)



基于模态分析的木橡塑三元复合材料的振动特性

陈 玲1, 黄润州1, 徐信武1, 吴清林2

(1.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；2.路易斯安娜州立大学林产品试验室，美国 70803)

采用FFT分析仪对木橡塑三元复合材料(WRPC)进行“单悬臂梁”振动模态试验.运用时域法和包络线拟合2种方法获取材料的对数衰减率和阻尼比，研究橡胶及其含量对复合材料振动特性的影响.结果发现：橡胶具有很好的阻尼缓冲作用，材料的阻尼特性随橡胶含量的提高呈先提高后下降的趋势.橡胶添加量为10%时，材料的阻尼性能最佳.

废旧橡胶; 复合材料; 模态分析; 振动特性; 阻尼比

橡胶是优良的弹性材料，其弹性模量一般为1-9.8 MPa,伸长变形大(伸长率≥200%)，并能在很宽的温度(-50—+150 ℃)范围内保持弹性.以木粉、高密度聚乙烯和废旧橡胶为原料制备的三元复合材料中，橡胶相的存在可以改善材料的抗冲击性、冷脆性、热软化性和阻尼缓冲等性能.材料阻尼缓冲性能的提高，使得复合材料能够满足诸多领域的应用要求，例如运动场所的地面铺设、仪器设备的包装、高速公路的声屏障及屋面结构、装饰用材等.全球每年的橡胶消费量巨大，大量的废旧橡胶挑战着地球有限的承受能力，人们也对废旧橡胶的二次利用进行了诸多探索[1-3].

通过振动模态试验测定结构的振动特性，分析计算出系统的固有频率、模态阻尼比等.“模态分析”一般是指以振动理论为基础、以模态参数为目标的分析方法[4-5].目前，关于木塑复合材料的振动特性已有一些研究,模态分析方法在其振动特性研究过程中也得到了一定的应用[6-9].本文采用FFT分析仪对材料进行振动模态试验，旨在研究橡胶及其含量对三元复合材料振动特性(尤其阻尼缓冲性能)的影响，并结合扫描电镜图像分析，阐述三元复合材料阻尼性能随橡胶含量变化的原因.

1 材料与方法

1.1 供试材料

橡胶粉：废旧轮胎粉碎所得，80-150目.木粉：美国南方松，80-100目.高密度聚乙烯(HDPE)：型号 AD60-007，美国埃克森美孚化工有限公司提供.偶联剂(MAPE)：型号G2608，美国伊士曼化工股份有限公司提供.润滑剂：聚乙烯蜡，型号H-108，粉状.

1.2 仪器设备

SHR-10A型高速混合机由张家港华明机械有限公司提供；DHG-9030A型电热恒温鼓风干燥箱由上海精宏实验设备有限公司提供；HTY-30型异向双螺杆挤出机由南京橡塑机械厂提供.EM80-V型注塑成型机由震雄塑料有限公司提供.CF-7200A型FFT分析仪由日本小野测器提供.LC系列冲击锤由江苏联能电子技术有限公司提供.CA-YD-107型压电式加速度传感器由江苏联能电子技术有限公司提供.

1.3 试样制备

WPC、WRPC-5、WRPC-10、WRPC-15四种试样中各复合材料的配比见表1.物料高速均混、干燥，逐次投料进行混炼、匀化和挤出造粒.螺杆转速40 r·min-1，挤出机喂料区温度设置为150 ℃，塑化和匀化区温度为175 ℃.造粒粒子注塑成型，制成400 mm(长)×40 mm(宽)×6 mm(厚)尺寸的振动试验样条.随机留取部分造粒粒子，备用.

表1 复合材料的配比

1.4 试验方法

1.4.1 模态振动试验 将试样一端刚性夹持固定，悬臂端长300 mm，加速度传感器置于距悬臂梁端头45 mm处，敲击节点距悬臂端90 mm.冲击锤、加速度传感器分别与分析仪的通道CH1、CH2相连，采用双通道对信号进行采集.

仪器参数设置：采样点1024；内部触发，触发水平5%；选择低通滤波器的频率上限，滤波频率1000 Hz；分别对激励通道(与力锤连接的CH1通道)和响应通道(连接加速度传感器的CH2通道)施加矩形窗和指数窗，以防止信号干扰造成能量泄露[10-11].

测试时，在冲击锤上安装尼龙顶帽进行激励，每组试样取6根，每个节点敲击3次，取平均值，获取复合材料振动的时域谱图和频率响应函数曲线.

在工程实际中，自由衰减振动法是时域识别结构模态阻尼比的最基本方法[12].但在实际测量中，对于有阻尼的衰减振动，阻尼比的识别精度远低于固有频率、振型的识别精度[13],而且复合材料结构复杂，可能会存在频率依赖性，即复合材料振动过程中的阻尼参数会随着激励系统能量大小而发生变化[14-15].因此，本文在采用时域法求取材料的阻尼参数后，又结合频响函数，采用包络线法获得了材料的模态振动参数，并对二者进行了比较.其中，时域法的对数衰减率δ和阻尼比ξ分别按式(1)、式(2)计算：

(1)

(2)

式中，A表示振幅；N表示振动周期数；δ表示对数衰减率；ξ表示阻尼比.

包络线拟合方法按式(3)、(4)进行，其中式(3)为实际振动的包络线方程，式(4)为采用的拟合曲线方程，根据拟合结果中的b值及实际振动的ωi即可求出相应的阻尼比ξ.

xep=Ae-ξωit

(3)

x=ae-bt+c

(4)

式中，A表示振幅；ωi表示系统固有频率；ξ表示阻尼比.

1.4.2 扫描电镜分析 对留样备用的造粒粒子表面进行真空喷金处理，在60倍率下用SEM观察断面形态.

2 结果与分析

2.1 橡胶含量对三元复合材料频率响应函数的影响

图1 WRPC-15复合材料的频率响应函数曲线Fig.1 Frequency response function curves of WRPC-15

试样固有频率(ωi)/HzWPC124WRPC-5112WRPC-10105WRPC-1599

图1是橡胶含量为15%的三元复合材料同一节点3次敲击的频率响应函数.从图1可见，对于同一节点，每次敲击条件下的频率响应函数呈高度的一致性，均在特定的频率下产生共振峰，这一频率即为材料固有频率ωi.表2列出了不同含量橡胶复合材料的固有频率数值.从表2可看出，随着橡胶含量的提高，复合材料的固有频率降低，表明添加橡胶成分具有阻尼减振的效果.

2.2 复合材料的时域谱图

振动模态试验的时域谱图反映了加速度对输入力信号的响应.图2为不同橡胶含量复合材料的加速度响应曲线，其衰减速度可以反映材料对能量的吸收情况，从而判断材料的阻尼特性.实际上，阻尼对材料自由振动的影响主要是使振动频率降低、周期增大及振动幅值衰减.从图2可以看出，添加了废旧橡胶的三元复合材料体系，其振动过程频率降低，周期增大，表明添加橡胶成分显著改善了材料的阻尼缓冲性能.

a.WPC;b.WRPC-5;c.WRPC-10;d.WRPC-15.

从表3可以看出，加入橡胶后，材料的振动周期明显缩短.为了定量反映橡胶及其含量变化对复合材料阻尼缓冲性能的影响，根据复合材料振动的时域谱图，利用相邻5个周期的振动幅值A1、A1+5求对数衰减率δ和阻尼比ξ.不同含量橡胶复合材料的δ值和ξ值列于表4.

表3 复合材料历时1 s的振动周期数

表4 复合材料的对数衰减率和阻尼比值

橡胶的加入使得复合材料的阻尼比增大，表面材料的阻尼性能得到改善.橡胶添加量为10%时，材料的阻尼比由未添加时的0.030增加到0.050，增幅67%，增幅明显.但随着橡胶含量的进一步提高，材料的阻尼比反而有所降低，这可能是由于三相材料的弱界面性能所致.

2.3 模态阻尼比的确定

图3 10%橡胶复合材料包络拟合过程Fig.3 Envelope fitting processes of the composites with 10% rubber content

试样b阻尼比(ξ)WPC2.130.017WRPC-52.770.025WRPC-103.770.036WRPC-152.170.022

图4 2种方法下的阻尼比值对比Fig.4 Damping ratio by two methods

由于在模态振动试验中，材料固有频率的识别精度较高，加之采用时域法获取阻尼比时N的取值有限，可能导致阻尼比值存在偏差.本文对材料振动衰减曲线进行包络线拟合，由曲线上提取峰值点绘出包络线，再对包络线进行指数拟合，拟合方程如式(4).曲线的上下2条包络线应非常一致，但实际振动过程可能受到材料自重及传感器等的影响，2条包络线拟合后仍存在一定的差异(图3).采用包络线法求模态参数时取上、下包络线的平均值.

拟合系数R2可达0.999，表明衰减振动的包络线与拟合方程x=ae-bt+c吻合.由包络拟合获得的不同含量橡胶复合材料的阻尼比ξ列于表5.

图4对比了采用时域法和包络拟合法获取的阻尼比值.从图4可以看出，无论采用哪种方法，随着橡胶含量的变化，材料的阻尼比呈现相同的变化趋势，只是采用包络拟合法获得的阻尼比值明显低于时域法.复合材料中，橡胶含量由0提高到10%，材料的阻尼比逐渐增大，阻尼性能增强，采用2种方法得到的阻尼比值相比于纯的木塑复合材料的最大增幅分别为67%和112%.当橡胶含量增至15%时，材料的阻尼比下降，其阻尼缓冲性能仅与添加5%橡胶时的复合材料相当.

2.4 复合材料扫描电镜分析

复合材料模态振动试验中，材料的阻尼性能表现为只在一定范围内随着橡胶含量的提高而增强，橡胶含量达到一定值时会削弱材料的阻尼性能.为此，对材料的断面进行扫描电镜分析，研究复合材料体系中，随着橡胶的加入其内部结构的变化.图5为不同橡胶含量复合材料在同一倍数下的扫描电镜图.从图5可以看出，随着橡胶含量的提高，复合材料的结构致密程度降低，当橡胶含量增至15%时，材料的断面愈发“松散”.

图5 复合材料扫描电镜图

高分子材料的阻尼特性主要来源于材料的内耗，在经受交变外力作用时，一部分能量由于材料的内耗转化为热能而被耗散掉，振动的幅值随时间迅速衰减.这种能量的转换和耗散，即为阻尼作用[16].三元复合材料的阻尼性能与材料本身的结构密切相关，一方面，高分子材料内部链段之间的摩擦对材料阻尼性能的贡献；另一方面，三相材料之间的摩擦对阻尼性能的贡献[17].因此考察橡胶相的增韧作用时，除了考虑橡胶的用量还应充分考虑三相材料的界面结合情况.从图5可以看出，橡胶添加量达到15%时，材料的界面致密程度显著降低，呈现“松散”状.这就使得三相材料之间的摩擦减弱，从而使得复合材料的内耗降低，表现为阻尼比的下降和阻尼性能的削弱.

3 小结

(1)相比于传统木塑复合材料，三元复合材料体系中加入橡胶具有很好的阻尼缓冲效果，复合材料的阻尼比值明显增大.

(2)三元复合材料体系中，材料的阻尼性能随橡胶含量的提高(5%→15%)，呈现先增强后减弱的趋势.橡胶含量在10%时，复合材料的阻尼性能最佳.

(3)复合材料中材料的内耗不仅与各组分材料本身的特性有关，还与复合材料的结构有密切关系.因此，在考虑采用橡胶相改善复合材料的阻尼缓冲性能时，不仅要考虑橡胶含量的影响，还需充分考虑三相界面的结合情况，以保证复合材料结构的致密性.

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(责任编辑:叶济蓉)

Vibration properties of wood/rubber/HDPE composites based on modal analysis technology

CHEN Ling1, HUANG Run-zhou1, XU Xin-wu1, WU Qing-lin2

(1.College of Materials Science and Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing, Jiangsu 210037，China;2.Forest Products Lab, Louisiana State University, USA 70803)

‘Single-beam’ vibration modal tests were conducted using FFT analyzer to explore the effect of rubber and its content on the vibration characteristics of wood/rubber/HDPE composites (WRPC). Time-domain method and envelope fitting method were used to obtain the logarithmic decrement ratio and damping ratio of composites. The results indicated that rubber had good damped cushion effect. The damping characteristics of the materials firstly increased then decreased with the increasing amount of rubber; optimal damping performance of materials was obtained when rubber adding amount was 10%.

waste rubber; composite; modal analysis; vibration property; damping ratio

2014-08-17

2015-04-08

江苏省教育厅资助项目(13KJA220003).

陈玲(1990-)，女，硕士研究生.研究方向:木橡功能复合材料的制备及应用.Email:chenling_90@163.com.通讯作者徐信武(1975-)，男，教授，硕士生导师.研究方向:木质复合材料的制备与应用.Email:xucarpenter@aliyun.com.

TB322

A

1671-5470(2015)04-0430-06

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2015.04.017