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1、聚氨酯夹芯金属复合屋面板动力特性的试验研究 赵奇聪 邓华 浙江大学空间结构研究中心 摘 要： 在传递屋面风荷载的过程中, 金属复合屋面板的有限刚度和阻尼特性会改变脉动风的频谱特征, 从而影响屋盖结构的风致振动效应.针对 75mm 和 100mm 两块典型跨度聚氨酯夹芯屋面板足尺试件, 通过数值模拟和试验测试对其动力特性进行研究.基于已有聚氨酯夹芯材料的试验数据, 建立了两块屋面板的初始有限元模型, 并对其模态特征和阻尼性能进行了初步分析.参照分析结果, 开展屋面板足尺试件的动力试验, 利用 PolyLSCF 法识别得到屋面板的模态参数值.测试结果表明, 聚氨酯夹芯金属复合屋面板试件的前 7 阶
2、固有频率在 24Hz60Hz 之间, 频率分布密集, 各阶模态阻尼比在 1%3%之间.以试验识别的固有频率和振型为基准, 采用一阶优化方法对初始有限元模型进行修正.分析发现聚氨酯夹芯材料的竖向弹性模量、密度和泊松比是影响屋面板动力特性的敏感参数, 支承檩条对屋面板动力特性的影响也不能忽略.将檩条引入初始模型并再次进行模型修正, 最终获得的屋面板各项设计参数修正值均保留明确的物理意义, 可供此类屋面板的风致振动效应分析及相关研究采用.关键词： 金属复合屋面板; 聚氨酯夹芯; 数值分析; 动力试验; 模态识别; 模型修正; 作者简介：赵奇聪 (1992) , 男, 浙江诸暨人, 硕士研究生, 从事
3、空间结构研究.E-mail:zqc_作者简介：邓华, 男, 博士, 教授.E-mail:收稿日期：2017-06-29基金：浙江省自然科学基金项目 (LY14E080015) Experimental investigation on dynamic properties of mental composite roof panels with polyurethane coreZHAO Qi-cong DENG Hua Space Structures Research Center, Zhejiang University; Abstract： The limited stiffness
4、and damping of mental composite roof panels will change the fluctuating characteristics of wind pressure and affect the wind-induced vibration responses of roof structure.The dynamic properties of two full-scaled and typical-spanned specimens of mental composite roof panel with polyurethane core (po
5、lyurethane sandwich panel) were studied by numerical analysis and dynamic testing.The primary finite element models were established for the two roof panel specimens based on the experimental data of polyurethane cores now available, and their modal properties and damping were analyzed.Dynamic testi
6、ng was further carried out for the two specimens referring to the numerical results, and their modal parameters were identified adopting PolyLSCF method.The testing results show that the first 7 modal frequencies of the composite roof panels densely distribute in the range of 24 Hz to 60 Hz, and the
7、 modal damping ratios are between 1% and 3%.Benchmarked to the natural frequencies and mode shapes obtained by the dynamic testing, the primary FE models of the composite roof panels were updated using the first-order optimization method.It reveals that the vertical elastic modulus, density and Pois
8、sons ratio of the polyurethane core material are sensitive to the dynamic properties of the composite roof panels.The influence of supporting purlins on the dynamic properties of roof panels cannot be ignored.Introducing the purlins into the primary FE models, further modifications were made to the
9、new models.The design parameters, which were finally determined by the updated models, remain clear physical meanings and can be used in further studies on the wind-induced dynamic effects of metal composite roof panels.Keyword： metal composite roof panel; polyurethane core; numerical analysis; dyna
10、mic testing; modal identification; model updating; Received： 2017-06-29对金属复合屋面板力学性能的研究源于其有限刚度和阻尼性能对大跨屋盖结构风致振动效应的影响.主要的机理是脉动风经过屋面板传递到主体结构的过程中, 其频谱特性会随屋面板的刚度和阻尼特征发生改变.文献1首先发起了对该问题的讨论, 并相继对聚氨酯夹芯1、纤维夹芯 (岩棉2以及玻璃纤维3) 材料的力学和阻尼性能进行了试验研究.文献1讨论了金属复合屋面板的有限元建模方法.文献1, 4分析了聚氨酯夹芯和纤维夹芯类屋面板对风压脉动特性的影响规律和主要影响指标.目前对屋面板
11、动力特性的了解是基于金属面层和夹芯材料力学性能的已有试验数据, 通过有限元模型的动力分析来实现的.但应该注意, 屋面板是一个构造复杂的力学系统, 有限元模型是否准确直接影响到其风致振动效应计算结果的可靠性, 因此对屋面板足尺模型进行动力试验来测试屋面板的刚度和阻尼性能非常必要, 这也是考察当前屋面板有限元建模方法有效性的重要手段.本文以聚氨酯夹芯屋面板为研究对象, 首先简单回顾目前进行此类屋面板动力分析的有限元建模方法, 并对夹芯层厚度分别为 75mm 和 100mm 两块典型跨度聚氨酯夹芯金属屋面板足尺模型的动力特性进行数值分析和试验研究.采用PolyLSCF 法进行试验模型的模态参数识别,
12、 并对屋面板的实际动力特性进行分析.进一步以试验获得的模态参数为基准, 对初始有限元模型的设计变量进行修正, 对影响屋面板模态参数的主要因素进行分析, 最后给出此类屋面板关键设计变量的建议值.1 屋面板动力特性的有限元分析1.1 材料特性和本构模型聚氨酯材料具有粘弹性材料的阻尼性质.聚氨酯夹芯层与上下金属板紧密粘合 (图 1) , 其构造形式与弹性-粘弹性复合结构中的约束阻尼结构5类似, 故进行此类屋面板的动力特性研究时, 可参考弹性-粘弹性复合结构的阻尼理论.采用损耗因子来描述阻尼的耗能能力.损耗因子 定义为一个振动周期内材料耗损的能量和材料弹性应变能的比值5, 其数值越大则表明材料的阻尼耗
13、能能力越强.一般而言, 粘弹性材料的损耗因子与频率和温度相关, 且常用的结构阻尼比 与损耗因子 近似满足 =/26.对于由多种材料构成的弹性-粘弹性复合屋面板, 当已知粘弹性夹芯层的材料损耗因子时, 屋面板的损耗因子可根据模态应变能法7按下式计算:图 1 聚氨酯夹芯屋面板构造图 Fig.1 Constructional detail of polyurethane sandwich panel 下载原图式中: r为屋面板第 r 阶模态的损耗因子; vr为夹芯层材料对应于第 r 阶模态频率的损耗因子;W r为屋面板第 r 阶模态的整体弹性应变能;W vr为屋面板第 r 阶模态中夹芯层的弹性应变能
14、.文献1测得了在环境温度为 23时聚氨酯夹芯材料的损耗因子随频率变化的曲线, 如图 2 所示.该文献还对聚氨酯材料基本力学参数进行了测定, 测得的各项力学参数指标见表 1, 并指出聚氨酯属于横观各向同性材料.1.2 有限元模型以夹芯层厚度分别为 75mm 和 100mm 的三跨聚氨酯夹芯金属复合屋面板足尺试件作为研究对象, 分别记为试件 A1、A2, 模型如图 3 所示.两个试件的几何参数详见表 2 和图 4, 表中 L1、L 2、L 3分别表示各跨跨距.为避免动力测试时因试件尺寸对称而出现重频的现象, L 3小于 L1、L 2.表 1 聚氨酯夹芯金属复合屋面板各材料的力学参数 Table 1
15、 Mechanical parameters of materials in polyurethane sandwich roof panels 下载原表 表 2 A1、A2 屋面板试件的几何参数 Table 2 Geometric parameters of roof panel specimens A1, A2 下载原表 图 2 聚氨酯夹芯材料损耗因子-频率曲线1Fig.2 Relationship between loss factor of polyurethane core and frequency1 下载原图图 3 聚氨酯夹芯金属复合屋面板试件 Fig.3 Polyurethan
16、e sandwich roof panel specimen 下载原图图 4 屋面板试件截面尺寸 Fig.4 Sectional size of roof panel specimen 下载原图试验之前, 先在通用有限元软件 ANSYS 中建立 A1、A2 试件的初始有限元模型 (图 5) , 其中上、下钢板采用 Shell63 单元, 聚氨酯夹芯层采用 Solid45 实体单元, 面层钢板与夹芯层在接触面共用节点.为模拟自攻螺钉的固定效果, 对螺钉穿过位置的所有节点的全部自由度进行耦合, 并对其中位于下层钢板处的节点施加三向线位移约束.图 5 聚氨酯夹芯金属复合屋面板有限元模型 Fig.5 FE model of polyurethane sandwich roof panels 下载原图1.3 初始模型的动力特性采用 ANSYS 提供的 Lancsoz 模态分析方法, 可
