工程振動(dòng)分析與控制基礎(chǔ) 課件 第2版-第9章-黏彈阻尼技術(shù)

《工程振動(dòng)分析與控制基礎(chǔ)》第9章黏彈阻尼技術(shù)第9章黏彈阻尼技術(shù)9.1引言9.2材料的阻尼耗能機(jī)理9.3黏彈材料9.4應(yīng)用與研究進(jìn)展9.5工程應(yīng)用實(shí)例23145679.1引言

9.1引言

阻尼是振動(dòng)系統(tǒng)損耗振動(dòng)能量的能力,與慣性和彈性一起均屬于系統(tǒng)的固有屬性對(duì)于工程結(jié)構(gòu)來說,增加阻尼不僅可以降低結(jié)構(gòu)的共振振幅,避免結(jié)構(gòu)因動(dòng)應(yīng)力達(dá)到極限而破壞,提高結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性,而且有助于減少結(jié)構(gòu)的輻射噪聲適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)阻尼是抑制工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)的一種重要手段,目前已發(fā)展成為一門專門的技術(shù),通常稱為阻尼減振技術(shù)阻尼減振技術(shù)根據(jù)增加阻尼方式的不同而多種多樣,其中尤以通過對(duì)結(jié)構(gòu)附加黏彈材料(ViscoelasticMaterial,VEM)來增加結(jié)構(gòu)阻尼的黏彈阻尼(ViscoelasticDamping,VED)技術(shù)最為常用21345679.2材料的阻尼耗能機(jī)理9.2材料的阻尼耗能機(jī)理-1一個(gè)振動(dòng)著的固體,即使與外界完全隔離,它的機(jī)械能也會(huì)轉(zhuǎn)換成熱能,從而使振動(dòng)在一定時(shí)間內(nèi)逐漸衰減下來,這種由于材料內(nèi)部的原因而使機(jī)械能消耗的現(xiàn)象稱為阻尼,或稱作內(nèi)耗。它是指材料在振動(dòng)過程中通過其內(nèi)部因素將機(jī)械振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能而耗散于材料和環(huán)境之中,這樣在宏觀層面上就減少了材料的物理振動(dòng),從而達(dá)到阻尼的效果從耗能機(jī)理角度來說,材料阻尼通常分為動(dòng)滯后阻尼和靜滯后阻尼兩類9.2材料的阻尼耗能機(jī)理-21.動(dòng)滯后阻尼(滯彈性阻尼)對(duì)于理想的完全彈性體而言,其產(chǎn)生的應(yīng)力與應(yīng)變之間為單值函數(shù)關(guān)系。這樣的固體在加載和卸載時(shí),應(yīng)變總是瞬時(shí)達(dá)到其平衡值在發(fā)生振動(dòng)時(shí),應(yīng)力和應(yīng)變始終保持同相位,而且呈線性關(guān)系,稱為“彈性”,不會(huì)產(chǎn)生阻尼,如圖9-1a所示

圖9-1材料應(yīng)力—應(yīng)變曲線9.2材料的阻尼耗能機(jī)理-32.靜滯后阻尼靜滯后阻尼是指材料的應(yīng)變并不滯后于應(yīng)力,但應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系不是單值函數(shù),當(dāng)去掉應(yīng)力時(shí)還保留著一個(gè)殘余變形,只有加上反向應(yīng)力時(shí)變形才會(huì)消失。在循環(huán)應(yīng)力下同樣可以得到應(yīng)力—應(yīng)變曲線。靜滯后阻尼與頻率無關(guān),而與振幅有顯著的依賴關(guān)系21345679.3黏性材料9.3.1概述2.靜滯后阻尼黏彈材料是一種高分子聚合物,主要有橡膠類和塑料類,由小而簡單的化學(xué)單元(鏈節(jié))構(gòu)成長鏈分子,分子與分子之間依靠化學(xué)鍵或物理纏結(jié)相互連接起來,在三維方向上如樹枝狀地連成三維分子網(wǎng),成千上萬個(gè)分子共聚或縮緊而形成黏彈材料的阻尼屬于典型的動(dòng)滯后阻尼黏彈材料的阻尼性能(阻尼損耗因子)主要受溫度和頻率的影響,頻率高到或溫度低到一定的程度時(shí),黏彈材料呈現(xiàn)玻璃態(tài),失去阻尼性能;而在低頻或高溫時(shí),黏彈材料呈現(xiàn)橡膠態(tài),損耗因子也很小,只有在某一溫度和頻率范圍內(nèi)損耗因子才存在峰值利用黏彈材料的高阻尼特性,將其附加在結(jié)構(gòu)體表面或作為阻尼器使用來增加結(jié)構(gòu)的內(nèi)阻尼,以降低結(jié)構(gòu)體的振動(dòng)的技術(shù)稱為黏彈阻尼技術(shù)9.3.2使用方法黏彈材料主要有生膠和成品膠片兩種形式,如圖9-2所示自粘型阻尼材料時(shí),首先要求清除結(jié)構(gòu)表面的銹蝕油跡,用一般溶劑(汽油、丙酮、工業(yè)酒精等)擦去油污。然后按粘貼面積大小,裁剪阻尼膠片,待擦拭結(jié)構(gòu)表面的溶劑揮發(fā)后,撕去自粘型阻尼膠片背面的隔離紙,即可粘貼圖9-2黏彈材料的生膠與成品膠片9.3.3附加阻尼結(jié)構(gòu)/阻尼器黏彈阻尼技術(shù)增加結(jié)構(gòu)內(nèi)阻尼的方式往往是通過附加阻尼結(jié)構(gòu)或阻尼器得以實(shí)施的,其中的附加阻尼結(jié)構(gòu)是指在需要減振的結(jié)構(gòu)體表面上直接粘附一種包含黏彈材料在內(nèi)的結(jié)構(gòu)層,而附加阻尼器則是將黏彈材料制作成一種器件附加在結(jié)構(gòu)體上1.自由層阻尼結(jié)構(gòu)2.約束層阻尼結(jié)構(gòu)3.可調(diào)諧黏彈阻尼器4.附加阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)21345679.4應(yīng)用與研究進(jìn)展9.4.1直升機(jī)旋翼擺振阻尼器直升機(jī)旋翼擺振阻尼器是用來抑制旋翼的擺振運(yùn)動(dòng),防止直升機(jī)產(chǎn)生“地面共振”和“空中共振”不可缺少的重要部件黏彈阻尼器具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn),是目前最為成熟的抑制直升機(jī)旋翼擺振的阻尼器之一,它利用槳葉的擺振運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)阻尼器中的黏彈材料發(fā)生剪切變形,從而將振動(dòng)能量耗散掉,以提高飛行的穩(wěn)定性常見的直升機(jī)旋翼黏彈阻尼器如圖9-5所示,主要分為平板式、筒式和層壓式三種9.4.2車輛與飛機(jī)的阻尼減震-1汽車發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)的罩板、車身壁板、列車車廂壁板以及飛機(jī)蒙皮等大都具有大面積薄壁結(jié)構(gòu)形式,采用黏彈阻尼技術(shù)對(duì)其進(jìn)行處理一直是上述相關(guān)工程領(lǐng)域重要的減振技術(shù)措施之一,對(duì)于降低車輛與飛機(jī)的振動(dòng)與艙內(nèi)噪聲,提高乘坐舒適性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義1.汽車黏彈阻尼技術(shù)在汽車領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用,是汽車NVH(Noise,VibrationandHarshness)技術(shù)中重要的技術(shù)手段之一目前,對(duì)車體和底板進(jìn)行阻尼處理是公認(rèn)的最為有效的抑制100~500Hz頻帶的結(jié)構(gòu)聲、增加空氣聲隔聲量的NVH技術(shù)措施近年來,一種新型阻尼夾層玻璃已用于汽車側(cè)、后窗中,這種三明治型夾層玻璃是采用熱壓工藝將一層聚乙烯醇縮丁醛高分子材料粘接在雙層玻璃中間,可使車輛的胎噪和風(fēng)噪明顯降低9.4.2車輛與飛機(jī)的阻尼減震-22.列車(1)列車車廂隨著列車運(yùn)行速度的提高,乘坐舒適性越來越受到重視,作為車輛NVH技術(shù)的重要手段之一,黏彈阻尼技術(shù)也廣泛應(yīng)用于列車車廂的振動(dòng)與噪聲控制領(lǐng)域(2)列車車輪采用黏彈阻尼技術(shù)的阻尼車輪是目前抑制列車輪軌噪聲的主要技術(shù)手段之一,通常采用兩種方式,一種是在車輪輪輞內(nèi)外兩側(cè)嵌入鋼制阻尼環(huán),如圖9-11所示圖9-11帶有鋼制阻尼環(huán)的列車車輪9.4.2車輛與飛機(jī)的阻尼減震-33.商用飛機(jī)降低艙內(nèi)噪聲的方法很多,其中尤以采用黏彈阻尼技術(shù)對(duì)機(jī)身蒙皮進(jìn)行阻尼處理的方法最為常用。由于質(zhì)量限制,阻尼處理方案需要經(jīng)過認(rèn)真設(shè)計(jì),以保證阻尼最優(yōu)而質(zhì)量最小,因而約束層材料最好采用復(fù)合材料人們設(shè)計(jì)了一種阻隔層阻尼(Stand-OffLayerDamping)結(jié)構(gòu),如圖9-15所示,其作用相當(dāng)于一種運(yùn)動(dòng)放大器,可顯著增加黏彈材料層的剪切變形,從而極大地提高結(jié)構(gòu)的阻尼性能,同時(shí)制成溝槽形式,有利于降低彎曲剛度和附加質(zhì)量圖9-15阻隔層阻尼結(jié)構(gòu)9.4.3主動(dòng)約束層阻尼技術(shù)-1隨著振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展,一種新穎的主動(dòng)約束層阻尼(ActiveConstrainedLayerDamping,ACLD)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,它是傳統(tǒng)的被動(dòng)約束層阻尼技術(shù)與主動(dòng)控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物,通過將前者的被動(dòng)約束層改用機(jī)敏材料(如壓電材料)制成的主動(dòng)約束層代替并配置以一套控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)主動(dòng)約束層阻尼結(jié)構(gòu)的減振機(jī)理是:當(dāng)結(jié)構(gòu)體(基本彈性層)產(chǎn)生振動(dòng)時(shí),黏彈材料層發(fā)生剪切變形而消耗振動(dòng)能量,與此同時(shí),傳感器拾取結(jié)構(gòu)體的振動(dòng)信號(hào),并通過控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)約束層使其發(fā)生變形,從而加劇黏彈材料層的剪切變形,增強(qiáng)振動(dòng)的耗散能力,進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)體的振動(dòng)實(shí)現(xiàn)控制由于壓電材料頻響范圍寬、響應(yīng)速度快、質(zhì)量小、價(jià)格低、結(jié)構(gòu)簡單,且能夠?qū)崿F(xiàn)電能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化,已成為主動(dòng)約束層阻尼結(jié)構(gòu)中最常用的主動(dòng)約束層材料9.4.3主動(dòng)約束層阻尼技術(shù)-2主動(dòng)約束層阻尼結(jié)構(gòu)的布局主要有兩種,如圖9-21所示主動(dòng)約束層阻尼結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn):①當(dāng)對(duì)主動(dòng)壓電約束層施加一定的電壓時(shí),就可以增加黏彈材料的剪切變形,從而增加其振動(dòng)耗散能力;②振動(dòng)控制頻帶更寬;③增加了振動(dòng)控制系統(tǒng)的魯棒性,主動(dòng)控制失效時(shí),主動(dòng)約束層阻尼結(jié)構(gòu)就退化為傳統(tǒng)的被動(dòng)約束層阻尼(PCLD)結(jié)構(gòu),系統(tǒng)仍具有一定的振動(dòng)控制效果圖9-21主動(dòng)約束層阻尼結(jié)構(gòu)布局9.4.4阻尼合金-1阻尼合金屬于材料減振的范疇,可以從根本上抑制設(shè)備本體的振動(dòng),特別適用于工作在復(fù)雜動(dòng)力工況或惡劣環(huán)境下的設(shè)備或結(jié)構(gòu)的減振阻尼合金(DampingAlloy)是一類阻尼大、能使振動(dòng)迅速衰減的新型金屬功能材料,能夠明顯地減輕各種應(yīng)變載荷引起的振動(dòng)及噪聲圖9-22主動(dòng)約束層阻尼技術(shù)應(yīng)用于懸臂梁的振動(dòng)控制9.4.4阻尼合金-21.分類阻尼合金按其阻尼機(jī)理可分為復(fù)相型、鐵磁型、位錯(cuò)型和孿晶型4類(1)復(fù)相型復(fù)相型合金是在強(qiáng)韌的基體上分布著軟的第二相,通過相界面的塑性流動(dòng)或第二相的塑性變形吸收振動(dòng)能并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?屬于滯彈性阻尼(2)鐵磁型鐵磁型合金是由于外力和磁致伸縮效應(yīng)的相互作用產(chǎn)生的磁性-力學(xué)滯后效應(yīng)而消耗振動(dòng)能量的,屬于靜滯后阻尼(3)位錯(cuò)型位錯(cuò)型合金晶體組織中存在析出相或雜質(zhì)原子,對(duì)位錯(cuò)有釘扎作用,在外力作用下位錯(cuò)線做不可逆的往復(fù)運(yùn)動(dòng),因而產(chǎn)生阻尼作用,屬于靜滯后阻尼(4)孿晶型孿晶型合金中一般存在熱彈性馬氏體,基體與馬氏體相界面的移動(dòng)、馬氏體相亞晶界的移動(dòng)或者孿晶界的移動(dòng)所產(chǎn)生的損耗是該類合金產(chǎn)生阻尼的原因,屬于滯彈性阻尼9.4.4阻尼合金-32.應(yīng)用概況阻尼合金經(jīng)過多年的不斷發(fā)展,現(xiàn)已有上百種新型阻尼合金問世,并投入實(shí)際應(yīng)用,其中尤以孿晶型Mn-Cu系合金最具有代表性目前阻尼合金已被用于很多工程領(lǐng)域,在航天航空領(lǐng)域,用于制造飛船、衛(wèi)星、火箭、飛機(jī)的控制盤和陀螺儀等精密儀器;在船舶工程領(lǐng)域,用于制造螺旋槳和發(fā)動(dòng)機(jī)等部件;在車輛工程領(lǐng)域,用于制造車輪、車體、制動(dòng)器、發(fā)動(dòng)機(jī)變速器、減振輪轂等;在土木建筑工程領(lǐng)域,用于制造大型建筑物、橋梁、鑿巖機(jī)等;在機(jī)械工程領(lǐng)域,用于制造機(jī)床、風(fēng)機(jī)葉片、圓盤鋸、各種齒輪等21345679.5工程應(yīng)用實(shí)例9.5.1

16m立式車床的振動(dòng)控制16m立式車床是一種重型機(jī)床,其立柱用22mm厚的鋼板焊接,高度為13m,是板厚的600倍左右。由于鋼材阻尼只有鑄鐵的1/3,因此該立柱結(jié)構(gòu)抗振性能較差。為此,采用黏彈阻尼技術(shù)來增加立柱的結(jié)構(gòu)阻尼,從而改善機(jī)床的抗振性能立柱-橫梁模型采用局部約束阻尼處理,處理位置如圖9-25所示:立柱僅在1/3高度內(nèi)的外表面,橫梁在靠近固定端1/2長度內(nèi)的外表面。阻尼層為厚度1mm的ZN05型阻尼材料,約束層采用1.2mm厚鋼板。試驗(yàn)結(jié)果表明這種阻尼處理是有效的圖9-25

16m立式車床的立柱-橫梁模型9.5.2飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的振動(dòng)控制約束阻尼層由鋁箔和黏彈性阻尼層(采用3M粘合劑)交替包覆葉片組成。為了使粘結(jié)牢靠,采用了真空袋加壓和熱壓罐固化等工藝。處理中,鋁箔有兩種厚度,一種厚0.05mm,另一種厚0.127mm,阻尼層厚0.05mm。葉片及其阻尼處理形式如圖9-26所示實(shí)踐表明這種阻尼處理可以很好地解決該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口導(dǎo)流葉片的疲勞開裂問題,經(jīng)阻尼處理后葉片的動(dòng)應(yīng)力峰值顯著降低,使用壽命大為延長(>1200h)。原先用于進(jìn)口導(dǎo)流葉片修補(bǔ)和更換的費(fèi)用每年約需150萬美元,采用阻尼處理后可節(jié)省120萬美元圖9-26