1.3 纖維增強復合薄板振動特性的試驗研究現狀

1.3.1 纖維增強復合薄板振動測試技術概述

盡管目前工程界、學術界已對纖維增強復合薄板的振動問題，如固有特性、阻尼特性、動態響應及應力、復雜邊界等問題開展了許多研究工作，但這些成果絕大多數以仿真研究為主，部分學者所做的試驗研究工作也主要是考察復合結構的振動響應情況，或對提出的某種理論方法進行驗證，并沒有基于纖維增強復合薄板的結構特征，完整地、系統地、深入地研究其振動測試技術。下面從振動激勵技術、振動響應測試技術和模態參數測試技術三個方面，分別進行概述，重點關注各種測試技術的優缺點，以便為設計和組配適合纖維增強復合薄板振動測試的實驗系統提供選擇依據，為研究和提高其固有頻率、振型和阻尼、動響應和動應力的測試精度、測試效率等問題做好技術儲備。

1.振動激勵技術

隨著現代儀器儀表技術、振動控制理論以及數據采集技術的不斷發展，新型振動激勵技術、激勵設備也不斷地被應用于結構的振動測試與研究中。按激勵信號的類型，可以將振動激勵技術概括為穩態正弦激振和寬頻帶激振兩類，詳細的分類如圖1-4所示。其中，穩態正弦激振是20世紀60年代的主要激振方法，其優點是激振功率大、信噪比高、測試精度高，缺點是測試周期長，特別是對小阻尼的測試對象，每次激振頻率的改變均需要較長的穩定時間，試驗效率不高。隨著以FFT為核心的信號處理技術的發展，20世紀70年代后廣泛采用了測試效率更高的各種寬頻帶激振技術。包括脈沖、瞬態激振和純隨機、偽隨機、周期隨機激振都得到了迅速的發展。同時，還逐步出現了快速正弦掃頻激勵、步進正弦掃頻激勵等技術，非常適合檢驗結構系統的非線性特征。20世紀80年代后期，隨著瞬態隨機（Burst random）和周期性蜂鳴脈沖（Periodic chirp）激勵方法的出現，使得激振技術又得到了進一步的發展，該激勵方法結合了瞬態、隨機、周期激振的優點，使寬頻帶激振技術帶來的信號譜分析中的功率泄漏問題得到了較好的解決。

圖1-4 振動激勵信號的分類

另外，在對結構進行實際測試時，人們往往根據激勵設備的類型與原理，將振動激勵技術分為錘擊激勵、激振器激勵、振動臺激勵、壓電陶瓷激勵、超聲激勵和激光激振等。其中，前三種激勵技術已有半個多世紀的應用歷史，而壓電陶瓷則是最近一二十年來逐步發展起來的新型振動激勵設備，聲激勵和激光激振技術一般被應用于以微小、輕質結構為主的特殊測試領域。下面對前四種激勵技術的優缺點進行概述，為尋找適合復合薄板結構的振動激勵技術，提供選擇依據和評判參考。

（1）錘擊激勵技術 錘擊激勵技術自從20世紀80年代，就已經成為了解和改進結構動態特性的非常重要的途徑，在工程上得到了廣泛應用。錘擊激勵技術具有簡便、經濟、快捷等優點，而且無須預先安裝調整，對試件附加質量、附加剛度或附加阻尼小。激振點和敲擊力的方向也可以靈活選取，激勵頻段和激勵精度一般都能滿足工程測試的需求。缺點是：①激振力頻率范圍不易控制，僅適合于低頻，對于高頻模態則不易激發出來；②會引起結構的局部響應較大且衰減較快，導致全局模態不完整而局部模態占優；③由于振動能量分散，對于較大結構的信噪比不高，影響測試精度；④錘擊有時可能連擊和過載，造成結構不是單次激勵，并引發非線性問題，降低測試精度。

（2）激振器激勵技術 激振器激勵技術是振動領域中廣泛應用且較為成熟的一種技術，其避免了錘擊激勵時激振能量較低，受人為因素影響較多的缺點，激振頻率和激勵幅度都可以進行控制和調整，可以更加準確、可靠地為結構提供正弦、掃頻、隨機等激勵信號。按照驅動方式的不同，激振器激勵方法可分為機械式、電動式、電液式和電磁式激勵等。機械式激振方法具有結構簡單、振幅不隨頻率變化、成本低的優點。但由于機械結構所限，存在上限頻率較低、調頻裝置復雜、有機械雜波、波形失真嚴重等問題。電動式激振方法具有線性好、波形失真度小以及容易控制等優點，是中、小型結構模態測試中主要使用的激勵方式，激勵頻率范圍一般為0～6000Hz，也有部分特制的電動式激振器的頻率范圍達到0～10kHz，甚至更高。然而，由于受固有磁飽和、功率損耗及發熱等缺點的限制，不易獲得較大的激振力。電液式激振方法具有激振力大、結構牢固、抗橫向負荷能力強、可控性好等優點，但受電液伺服閥頻寬的限制，難以實現高頻激振。電磁式激振方法直接利用電磁力作為激振力，常用于非接觸激振場合，容易實現隨機激勵，但波形失真大、不易進行振動控制，其上限頻率為700Hz。

另外，不論何種激振器激勵方法，其都需要通過力傳感器來配合獲得激振力信號，力傳感器一般包括PE型（電荷式）和IEPE型（內置電荷放大器）兩種形式，但兩種力傳感器的尺寸一般都不能制作得太小，自重通常達到30～50g（BK公司的8230型力傳感器的重量為30.2g），這也造成了激振器激勵時存在的一個主要缺陷：會在一定程度上破壞結構的動態性能，對試件帶來附加質量、剛度以及附加阻尼的影響，特別是當測試對象為輕質、薄壁板類構件時，這種影響不能忽略。

（3）振動臺激勵技術 隨著振動環境試驗的迅速發展，振動臺激勵技術越來越引起廣泛的重視和應用，它不僅應用于各類工程結構、產品的可靠性檢驗以及疲勞加速試驗研究，而且還應用于結構固有特性和阻尼特性的測試環節。與激振器激勵技術所采用的單一測點激勵（或稱作集中力激勵）形式不同，振動臺激勵方法是一種慣性力激振，作用力分布于整個結構，使測試具有較好的信噪比，且沒有任何附加質量和剛度的影響。本質上振動臺激勵技術所用的原理與激振器激勵技術相同，因此很多書籍和文獻將振動臺與激振器兩者歸結為同一類型的激勵設備，只是振動臺可以提供更大的激勵能量，采用了更精確的振動控制方法（一般都配置專用的功率放大器和控制器，通過控制振動臺臺面的加速度信號實現）。按照驅動方式的不同，振動臺激勵方法可分為機械式、電動式、電液式和氣動式激勵等，前三種激勵方法的優缺點同激振器激勵相同，這里不再贅述；振動臺氣動式激勵方法則有別于其他激勵方式，它利用振動臺產生一種超高斯幅值分布的寬帶隨機振動，其激勵頻率最高可達10kHz以上，有效頻帶約為20～6000Hz，是近10年來出現的一種新型振動強化激勵技術。國內到2007年為止僅引進了兩臺氣動式振動臺，西方國家對該類振動臺的出口設置了諸多限制，目前該類技術也是國內部分學者的研究重點。

（4）壓電陶瓷激勵技術 20世紀60年代初，西方國家就開始了壓電陶瓷微位移驅動器的研究，我國則是在1980年以后才對其進行研究和應用。壓電陶瓷微位移驅動器常被制作成片狀、圓形、圓環狀或多層結構，但一般以片狀結構型式居多，所以一般也稱作壓電陶瓷片。根據壓電材料的逆壓電效應，壓電陶瓷片將會產生垂直方向和水平方向的變形，加載不同大小的電壓和頻率時，其會輸出幅值不等的動態位移響應，若將其貼附于被測結構的表面，就可以實現對該結構的振動激勵。由于體積小、重量輕、頻響高、能耗低、不受磁場干擾等突出優點，壓電陶瓷激勵技術自20世紀80年代以來越來越受到廣大科研工作者和工程技術人員的重視，特別在葉片、硬盤、薄殼等輕質構件以及MEMS微構件的高頻激振方面，壓電陶瓷激勵技術在高頻激振性能上相對于其他激勵方式有著很大的技術優勢。但由于壓電陶瓷材料存在蠕變、遲滯等非線性特點，其制備工藝還存在一定的問題（如存在不能承受拉力和扭力的缺點），與其配套的驅動電源性能參數也會影響其激勵性能，目前壓電陶瓷激勵技術還有許多有待改進和提高的環節。

2.振動響應測試技術

通常可以將振動測量分為接觸測量與非接觸測量兩類如圖1-5所示。其中，接觸測量方法所用的傳感器包括各種速度型、加速度型、電容型、電感型等傳感器，后兩種因受周圍介質影響較大，目前已很少采用。一般采用蜂蠟、黏結劑、雙面膠帶以及永久性磁力座等安裝方法將傳感器布置到被測結構的測點上，但上述安裝方式都會對振動測量精度和范圍起到十分重要的影響。例如，常用的永久性磁鐵固定傳感器的方法會大幅度降低其安裝共振頻率，對于輕質、薄壁板構件造成一定的測試誤差。另外，接觸測量方式總會帶給結構附加質量的影響，這對于要求精確獲得薄板結構模態參數的試驗研究有時是不能接受的。

圖1-5 振動響應測量技術中常用的傳感器

a）加速度傳感器 b）電渦流傳感器 c）激光多普勒測振儀

非接觸振動測量技術主要包括渦流測振、激光測振技術等。其中，電渦流傳感器由于價格便宜、測量范圍大、靈敏度相對較高而廣泛應用于旋轉機械振動監測領域。但其渦流效應需要探頭與被測表面之間的距離較近（一般為2mm），只適合均質光滑的測量表面，且對被測結構的材質較為敏感，測試結果容易受到溫度的影響，安裝調整不方便，不適合用于非金屬材料及結構的振動響應。

相對于渦流測振技術，激光測振領域比較常用的技術包括下面三種，分別為：激光多普勒測量技術、激光三角法測量技術、全息干涉測量技術和散斑法測量技術。下面詳細比較它們各自的優缺點，為尋找適合復合薄板的非接觸振動測量技術，提供選擇依據和評判參考。

（1）激光多普勒測量技術 1842年奧地利物理學家多普勒觀察木星衛星運動時發現光波頻率偏移，后人將這一現象稱為“多普勒效應”。20世紀70年代后，激光多普勒技術已從流體和固體的速度測量發展到了振動測量領域；國外廠商已經開始向市場提供比較完備的激光多普勒測振儀，其具有非接觸測量、空間分辨率高、測量范圍廣、測量距離可調、抗電磁干擾強、動態響應快、對橫向振動干擾不敏感等突出優點，且測試精度可達到納米級，并適合高溫、旋轉態振動測量。但通常所用的激光多普勒測振儀只能實現結構的單點測量，這是它的主要劣勢之一，雖然20世紀90年代后，市場上又出現了掃描式激光多普勒測振儀，但整個掃描過程中，需要假定結構的振動狀態維持不變，不能實時獲取非穩態結構的完整振動信息。

（2）激光三角法測量技術 激光三角法是光電檢測技術的一種，由于該方法具有結構簡單、測試速度快、精度可以達到0.01mm或更好、不受被測材料性質的限制、使用靈活方便等優點，在結構的振動測試方面也得到了一定程度的應用。但其測試精度對結構表面的粗糙度、反射率和傾角過于敏感，對測量環境要求也比較苛刻，且容易受到激光光源光強變化的影響。

（3）全息干涉法測量技術 早在1965年Powell和Stetson就將全息干涉測量技術應用于振動測試。全息干涉測量技術不僅記錄了物體的振幅變化，而且記錄了物體的相位變化，用全息干涉測量技術還可以對結構的振動進行非接觸、全場、實時測量，這是全息干涉法測量振動的主要優點。但由于要用膠片做記錄介質，需要經過沖洗等費時費力的化學過程，并且全息法在許多場合被認為太靈敏，它記錄信息過多，記錄介質的分辨率要求過高，操作過程復雜，因此很難在實踐中推廣應用。

（4）電子散斑法測量技術 電子散斑干涉測量技術是一種利用激光或相干光源對具有漫反射面的被測物體進行非接觸全場量測試的技術，由于具有非接觸、高精度和全場等優點，其在結構的振動測試中一直為人們所重視。但散斑照相法通常利用銀鹽干板做記錄介質，不僅費時費力，操作過程復雜；而且干涉條紋圖的處理極其費時，儀器的價格也非常昂貴，這些都導致了推廣電子散斑法測量技術的困難。

3.模態參數測試技術

（1）試驗模態測試技術 從20世紀60年代至今，試驗模態測試技術吸取了振動理論、信號采集與處理技術、數理統計以及自動控制理論的研究思想，形成了一套獨特的測試理論，主要從所測得的激勵與響應信號中去辨識結構的模態參數，一般獲取被測結構的固有頻率、阻尼比和振型，必要時還能獲得模態質量和模態剛度等參數。“試驗模態”這個名詞是在其原理提出許多年后才被使用的，名稱的演變經歷了不同的階段，人們曾使用過“共振實驗法”和“機械阻抗法”等名詞來描述模態試驗。重要里程碑是1947年Kennedy和Pancu的論文以及1963年Bishop和Gladwell的論文。20世紀80年代以來，出現了商業化模態分析軟件，使得模態測試技術得到了更加廣闊的應用。

試驗模態測試技術發展到今天，已經成了結構振動與噪聲測試、動態性能評價、故障診斷等領域必不可少的工具。雖然廣大科研工作者對經典的試驗模態測試技術進行了卓有成效的改進和提高，但面對復雜多變的應用領域和測試對象，該技術仍然存在不少缺點與問題。例如，必須同時獲取結構的振動激勵信號和響應信號，通過對兩類信號組成的頻響函數進行辨識，才能獲取結構的模態參數，這對于一些體積、重量龐大的工程結構，存在難以激發結構振動的問題，或者需要特殊的設備去進行激振，大大增加了模態參數測試與辨識的成本和難度；且現有的時、頻域模態識別方法，在如何識別密頻模態，如何解決模態遺漏問題、如何有效地甄別和剔除虛假模態、噪聲模態等方面還存在一定的問題。

（2）純模態測試技術 純模態測試技術是試驗模態測試技術的一種特殊形式，其悠久的歷史甚至超過了經典的試驗模態測試技術。早在1950年，美國學者Lewis和Wrisley就首次對飛機結構開展了純模態測試試驗。其后Veubeke提出了純模態測試的理論基礎，Bishop又在20世紀60年代后對其進行了詳細論述。隨著試驗設備和方法的不斷發展，該技術在20世紀60年代中期就廣泛應用于飛行器以及大型復雜結構的模態測試中。

純模態測試技術對于結構模態參數的測試精度較高，對于在頻率密集處產生的模態重疊或由于阻尼力耦合而產生的模態重疊也有較好的識別效果。特別是對于一些大型復雜結構，由于質量大、激振困難、模態密度高、非線性因素強，都必須采用純模態的試驗方法。但其測試效率低下，時間花費和設備投資都很大，往往需要多個激勵設備同時對結構進行激振，每階模態測試都需要不斷地調整各個激勵通道對應的激勵力的幅度與相位，且較為依賴于手工操作和經驗判斷，使得試驗周期拖得很長。

（3）正弦掃頻測試技術 早在20世紀60年代，正弦掃頻測試技術就已經成為解決各種機械和結構振動問題的重要手段。該技術在實際使用時，一般分為線性掃頻和對數掃頻兩種形式，具有能量集中、掃頻范圍靈活、信噪比高、易于進行試驗控制和監視簡便等多項優點。因此，在振動測試領域，被當作有效獲取結構部分模態參數的一種重要測試手段。如果能穩定控制正弦掃頻的精度與速度，該方法在固有頻率和阻尼參數的測試精度上，要優于脈沖錘擊法或穩態隨機法，但也存在下列缺點和問題：①只能用來獲取結構的固有頻率和阻尼參數，一般情況下不能使用該技術獲取結構的模態振型；②為了避免測試誤差，在測試固有頻率時需要控制掃頻速度，導致測試效率較低；③正弦掃頻具有非穩態的信號特性，在對其進行頻譜分析時，不能直接使用FFT變換技術，否則會導致一定的測試誤差，且存在泄漏問題。

綜上，只有深入了解纖維增強復合薄板的結構特征與振動特點，選取適合復合薄板結構的振動激勵、響應測試以及模態測試技術，才能準確、高效地獲取被測復合薄板的振動參數。特別是在實際研究中，由于不同激振方式和振動響應測量方式等，都會對輕質復合薄板的固有特性、阻尼特性產生影響。因此，有必要探索并尋找適合纖維增強復合薄板振動參數的先進測試方法，排除那些不能滿足測試需求的實驗手段或能力達不到測試要求的設備，并合理地設計與組配實驗系統，提出規范的振動測試流程，盡可能提高測試效率。

1.3.2 纖維增強復合薄板振動測試研究現狀

根據1.3.1節介紹的振動測試技術，國內外學者對纖維增強復合薄板結構的線性及非線性振動問題進行了諸多實驗研究，已經取得了階段性的研究成果。在國外，來自美國伊利諾伊大學的Schultz和空軍材料研究所的Tsai在1968年首次對玻璃纖維/樹脂復合懸臂板的阻尼進行了測試，在頻率范圍5～10kHz內，發現復合梁的阻尼具有頻率依賴性，即在不同的激振頻率下，復合梁結構表現出不同的阻尼值。經過與金屬鋁懸臂梁相比較，研究發現纖維方向分別為0°、22.5°、45°和90°的復合懸臂梁的阻尼值一般為1%左右，是金屬懸臂梁阻尼值的5～30倍。Oh和Nayfeh測試了石墨纖維/樹脂復合薄板在不同激振幅度和頻率的振動響應，通過頻譜分析發現高頻低幅值的振動激勵可導致復合結構系統產生低頻高幅值的振動響應。Turvey等研究了不同邊界條件下帶孔的纖維增強復合薄板的振動問題，利用掃頻測試方法獲得固有頻率，并利用拋沙法獲得模態振型。Harras和Benamar對新型航空材料制成的Glare3復合薄板結構進行了測試，發現其模態振型在一定程度上具有振幅依賴性。由該類型材料構成的復合薄板，其第一階振型對應的非線性頻率要比線性結果增大32%左右。Tita等采用錘擊法完成了不同纖維方向下復合薄板模態振型測試，發現雖然可以獲得絕大部分振型，但由于復合薄壁結構件重量輕、壁厚薄，采用傳統的接觸式測振方式將不可避免造成實驗誤差。Kostopoulos和Koro-ntzis對［±45/0］_S和［45］₁₂碳纖維/樹脂復合懸臂板的非線性剛度和阻尼系數也進行了實驗測試，通過自由振動衰減法獲得了小振幅激勵情況下前四階固有頻率和阻尼參數，發現該類型復合結構的阻尼與激振頻率存在明顯的依賴關系，如圖1-6所示。Chaudhuri等采用激振器對纖維復合薄板進行激勵，并通過手動方式在其長、寬方向移動加速度傳感器來獲取固有頻率和模態振型，研究發現由于激振、測振方式均存在附加剛度和質量的影響，上述測試結果在準確性上還存在一定問題。且如果測點數量較多，還需要不斷地粘貼布置加速度傳感器，導致測試效率低下。Mota等研究了具有各向異性特點的復合薄板振動測試技術，利用激振器和激光多普勒測振儀來獲取頻響函數，并通過模態識別方法獲取了固有頻率和振型結果，研究認為激光測振方式可以更加準確地獲取輕質復合結構的振動信息。Matter等采用揚聲器對復合薄板進行非接觸激勵，并測試獲得了復合薄板在自由狀態下的固有頻率、阻尼比和模態振型。Zergoune等分析了纖維增強復合薄板的非線性振動問題，研究發現其第一階振型曲率隨著激勵幅度的增大而顯著增大，其振型節線更易于出現在纖維方向上，同時彎曲應力、長寬比等參數的變化也對模態振型有重要影響。Iriondo等同時對玻璃纖維/鋁基復合薄板和自增強聚丙烯（Self-reinforced polypropylene）復合材料薄板的阻尼進行了測試，并通過半功率帶寬法獲得其阻尼系數。研究發現上述復合薄板的阻尼與激勵頻率密切相關，且通常會隨著激勵頻率的增加而增大。Hui等對纖維增強復合薄板的非線性振動特性進行了測試，并獲得了其在不同激振幅度下的頻率響應曲線，如圖1-7所示。研究發現由于基體材料的黏彈性效應影響，其固有頻率和阻尼系數通常會隨著外激振幅度的增加而發生改變，稱為應變或振幅依賴性。

圖1-6 ［±45/0］_S和［45］₁₂碳纖維/環氧樹脂薄板的激勵頻率與阻尼系數的關系

圖1-7 纖維/樹脂復合材料薄板在不同激振幅度下的頻率響應曲線

在國內，鄒志明搭建了模態測試系統，獲得了二維機織纖維復合薄板的頻響函數，并提取了前五階固有頻率和模態振型，發現復合材料的制備工藝及測試傳感器的附加質量對模態參數有著很大的影響。漆文凱等對自由和懸臂兩種邊界條件下的無損傷和有開孔損傷的T300/BMP316復合薄板開展了試驗研究，獲得了相應的固有頻率和振型，并分析了開孔位置、開孔大小等損傷參數對其固有特性的影響規律。趙龍勝和宋福英使用力錘多點激勵方法，獲得了四邊簡支邊界下纖維增強復合薄板的前三階固有頻率與振型結果，但由于敲擊點數量較少，實際測試的模態振型和理論分析結果尚存在一定差異。楊云昭等對國產JHT300-3K和MT300-3K碳纖維梁結構的阻尼特性也進行了測試，研究發現增大鋪層角度，損耗因子增大，且隨著振動頻率變化，在某一頻率下存在最大的損耗因子。張偉教授團隊針對碳纖維復合薄板也進行了非線性振動測試研究，在簡支邊界條件下利用電磁振動臺以定幅、緩慢掃頻的方式，通過對比在不同掃頻方向獲得的響應信號頻譜及其發生跳躍現象對應的頻率，來判斷復合薄板結構的硬式、軟式剛度非線性特征，初步確認了一套可行的非線性振動參數表征測試方法。

從上述研究現狀可知，人們對纖維增強復合薄板開展線性振動測試工作的較多，針對其非線性振動問題開展測試研究的較少，相關測試結論還不是很明朗，也缺乏有效的數學模型來描述其表現出的非線性剛度和阻尼現象。另外，由于纖維增強復合材料各向異性的本質特點以及非線性跳躍現象的干擾，致使測試其宏觀結構隨頻率和振幅變化的阻尼參數變得越發困難。這就需要在振動測試技術方面，對現有的方法進行改進，以便可以深入研究其非線性阻尼的變化規律。