Page 95 - 《应用声学》2020年第5期

第 39 卷 第 5 期 林森等： 复材结构刚度与隔声量的计算及参数优化 737

基于上述原因，本文以某复材壁板为对象，首
0 引言 先在铺层数和铺层比例不变的条件下，分析不同铺

层构型对结构刚度的影响。然后利用统计能量分析
当前航空航天科技的发展和其追求性能、结
法 (Statistic energy analysis, SEA)，进一步对不同
构效率、经济性优先的需求，继高性能合金材料之
构型的复材结构进行隔声性能分析，确定铺层角度
后，复合材料 (以下简称 “复材”) 成为另一种高性能
对结构隔声性能的影响，并与测试结果进行对比分
材料被广泛应用 [1] 。在民机领域，复材应用发展非
析，验证分析模型的有效性和符合性。最后针对复
常迅速，如 B787 机身段采用全复材结构，复材用量
材壁板进行声学处理，以铺设在复材壁板上的隔音
达到 50%，而空客 A350XWB 飞机的复材用量约为
棉厚度和密度为两个优化参数，分析不同厚度和密
52% [2−3] 。复材尤其是层压板复材的应用，其优势
度的隔音棉的插入损失，并进行参数最优化分析，寻
是可以减重和提高疲劳耐久性，相比金属材料在结
找最佳组合方式。
构上可减重 20% 以上，而且由于层压板分层铺贴固
化后，裂纹仅可能在层间扩展，疲劳性能大大得到提 1 理论基础
高，这是其他先进技术难以达到的效果 [1] 。复材的

结构布局和铺层方式是影响复材结构刚度、强度和 1.1 复材结构经典层压板理论
质量的两个主要因素，针对复材结构的布局和铺层 1.1.1 单向铺层等效参数计算
方式优化，国内外研究人员开展了大量的研究工作， 复材指纤维与基体材料的混合物，形成的配置
主要是通过算法进行铺层优化设计，获取目标函数 使两种组分中某些最佳特性加以结合。复材的构建
以及影响参数从而获得最佳铺层 [4−7] 。但这类研究 单元为铺层或单层片，可对不同方向和材料的铺层
多数基于理论分析和实验室数据，且假定一些前提 进行组合，形成层压板，在飞机机身结构中常使用
条件，与工程实际应用还存在一定差异。同时该类 的复材结构组合为碳纤维和环氧树脂或酚醛树脂
研究更多的关注刚度和强度，并未考虑对声学性能 等 [11] 。铺层或单层片可以看成一个各向同性材料
的影响。 即树脂与碳纤维的组合，见图1。
结构的稳定性承载能力主要取决于结构刚度。
z
工程中经常采用 0 、45 和 90 铺层角度，控制 45 ◦
◦
◦
◦
铺层的比例可提高层压板的屈曲承载能力。一般来
⇁ /
说，复材结构设计采用均衡对称方式以消除复材层 y
x
间耦合效应。本文基于复材经典层压板理论，在限
制重量的条件下，调整铺层比例和方式来获取最佳 图 1 单层碳纤维环氧树脂复材结构组合示意图
Fig. 1 The two-part composite of a typical carbon
刚度和强度，从而满足工程应用。另一方面，由于
fiber-epoxy composite
复材的可设计性较强，带来了强度和重量优势，但
同时也造成了隔声性能的损失。与传统金属壁板结 单 层 复 材 沿 纤 维 方 向 的 弹 性 模 量 E x 可 以
构相比，复材壁板在中高频上的隔声性能明显下降， 表示为
必须在设计前期进行降噪设计。机身结构复材化之 A f A m
E x = E f + E m , (1)
后，将是承担隔离大部分外部噪声的主要部件，且 A A
复材板壳的声学特性研究对结构的低噪声设计具 其中，E f 表示碳纤维的弹性模量；E m 表示树脂材
有重要的意义 [8] 。研究发现，复材结构的铺层、角 料的弹性模量；V f = A f /A 与 V m = A m /A 分别表
度、铺设方式等都对结构的隔声性能有着极大的影 示碳纤维和树脂材料的容积率。
响 [9−10] 。鉴于复材的可设计性，在设计之初通过对 根据应力 σ 与应变 ε 的关系，复材结构沿垂直
铺层的参数进行分析，在满足结构刚度指标的前提 纤维方向的应变ε y 可以表示为
下，开展隔声参数优化设计，最大程度地提高复材结 σ 2 σ 2
ε y = V f + V m . (2)
构的隔声性能，节约重量成本。 E f E m