工程振动分析与控制基础 课件 第2版-第9章-黏弹阻尼技术

《工程振动分析与控制基础》第9章黏弹阻尼技术第9章黏弹阻尼技术9.1引言9.2材料的阻尼耗能机理9.3黏弹材料9.4应用与研究进展9.5工程应用实例23145679.1引言

9.1引言

阻尼是振动系统损耗振动能量的能力,与惯性和弹性一起均属于系统的固有属性对于工程结构来说,增加阻尼不仅可以降低结构的共振振幅,避免结构因动应力达到极限而破坏,提高结构的动态稳定性,而且有助于减少结构的辐射噪声适当增加结构阻尼是抑制工程结构振动的一种重要手段,目前已发展成为一门专门的技术,通常称为阻尼减振技术阻尼减振技术根据增加阻尼方式的不同而多种多样,其中尤以通过对结构附加黏弹材料(ViscoelasticMaterial,VEM)来增加结构阻尼的黏弹阻尼(ViscoelasticDamping,VED)技术最为常用21345679.2材料的阻尼耗能机理9.2材料的阻尼耗能机理-1一个振动着的固体,即使与外界完全隔离,它的机械能也会转换成热能,从而使振动在一定时间内逐渐衰减下来,这种由于材料内部的原因而使机械能消耗的现象称为阻尼,或称作内耗。它是指材料在振动过程中通过其内部因素将机械振动能量转化为热能而耗散于材料和环境之中,这样在宏观层面上就减少了材料的物理振动,从而达到阻尼的效果从耗能机理角度来说,材料阻尼通常分为动滞后阻尼和静滞后阻尼两类9.2材料的阻尼耗能机理-21.动滞后阻尼(滞弹性阻尼)对于理想的完全弹性体而言,其产生的应力与应变之间为单值函数关系。这样的固体在加载和卸载时,应变总是瞬时达到其平衡值在发生振动时,应力和应变始终保持同相位,而且呈线性关系,称为“弹性”,不会产生阻尼,如图9-1a所示

图9-1材料应力—应变曲线9.2材料的阻尼耗能机理-32.静滞后阻尼静滞后阻尼是指材料的应变并不滞后于应力,但应力与应变之间的关系不是单值函数,当去掉应力时还保留着一个残余变形,只有加上反向应力时变形才会消失。在循环应力下同样可以得到应力—应变曲线。静滞后阻尼与频率无关,而与振幅有显著的依赖关系21345679.3黏性材料9.3.1概述2.静滞后阻尼黏弹材料是一种高分子聚合物,主要有橡胶类和塑料类,由小而简单的化学单元(链节)构成长链分子,分子与分子之间依靠化学键或物理缠结相互连接起来,在三维方向上如树枝状地连成三维分子网,成千上万个分子共聚或缩紧而形成黏弹材料的阻尼属于典型的动滞后阻尼黏弹材料的阻尼性能(阻尼损耗因子)主要受温度和频率的影响,频率高到或温度低到一定的程度时,黏弹材料呈现玻璃态,失去阻尼性能;而在低频或高温时,黏弹材料呈现橡胶态,损耗因子也很小,只有在某一温度和频率范围内损耗因子才存在峰值利用黏弹材料的高阻尼特性,将其附加在结构体表面或作为阻尼器使用来增加结构的内阻尼,以降低结构体的振动的技术称为黏弹阻尼技术9.3.2使用方法黏弹材料主要有生胶和成品胶片两种形式,如图9-2所示自粘型阻尼材料时,首先要求清除结构表面的锈蚀油迹,用一般溶剂(汽油、丙酮、工业酒精等)擦去油污。然后按粘贴面积大小,裁剪阻尼胶片,待擦拭结构表面的溶剂挥发后,撕去自粘型阻尼胶片背面的隔离纸,即可粘贴图9-2黏弹材料的生胶与成品胶片9.3.3附加阻尼结构/阻尼器黏弹阻尼技术增加结构内阻尼的方式往往是通过附加阻尼结构或阻尼器得以实施的,其中的附加阻尼结构是指在需要减振的结构体表面上直接粘附一种包含黏弹材料在内的结构层,而附加阻尼器则是将黏弹材料制作成一种器件附加在结构体上1.自由层阻尼结构2.约束层阻尼结构3.可调谐黏弹阻尼器4.附加阻尼结构设计要点21345679.4应用与研究进展9.4.1直升机旋翼摆振阻尼器直升机旋翼摆振阻尼器是用来抑制旋翼的摆振运动,防止直升机产生“地面共振”和“空中共振”不可缺少的重要部件黏弹阻尼器具有结构简单、维护方便、可靠性高等诸多优点,是目前最为成熟的抑制直升机旋翼摆振的阻尼器之一,它利用桨叶的摆振运动带动阻尼器中的黏弹材料发生剪切变形,从而将振动能量耗散掉,以提高飞行的稳定性常见的直升机旋翼黏弹阻尼器如图9-5所示,主要分为平板式、筒式和层压式三种9.4.2车辆与飞机的阻尼减震-1汽车发动机与传动系统的罩板、车身壁板、列车车厢壁板以及飞机蒙皮等大都具有大面积薄壁结构形式,采用黏弹阻尼技术对其进行处理一直是上述相关工程领域重要的减振技术措施之一,对于降低车辆与飞机的振动与舱内噪声,提高乘坐舒适性具有重要的现实意义1.汽车黏弹阻尼技术在汽车领域有着非常广泛的应用,是汽车NVH(Noise,VibrationandHarshness)技术中重要的技术手段之一目前,对车体和底板进行阻尼处理是公认的最为有效的抑制100~500Hz频带的结构声、增加空气声隔声量的NVH技术措施近年来,一种新型阻尼夹层玻璃已用于汽车侧、后窗中,这种三明治型夹层玻璃是采用热压工艺将一层聚乙烯醇缩丁醛高分子材料粘接在双层玻璃中间,可使车辆的胎噪和风噪明显降低9.4.2车辆与飞机的阻尼减震-22.列车(1)列车车厢随着列车运行速度的提高,乘坐舒适性越来越受到重视,作为车辆NVH技术的重要手段之一,黏弹阻尼技术也广泛应用于列车车厢的振动与噪声控制领域(2)列车车轮采用黏弹阻尼技术的阻尼车轮是目前抑制列车轮轨噪声的主要技术手段之一,通常采用两种方式,一种是在车轮轮辋内外两侧嵌入钢制阻尼环,如图9-11所示图9-11带有钢制阻尼环的列车车轮9.4.2车辆与飞机的阻尼减震-33.商用飞机降低舱内噪声的方法很多,其中尤以采用黏弹阻尼技术对机身蒙皮进行阻尼处理的方法最为常用。由于质量限制,阻尼处理方案需要经过认真设计,以保证阻尼最优而质量最小,因而约束层材料最好采用复合材料人们设计了一种阻隔层阻尼(Stand-OffLayerDamping)结构,如图9-15所示,其作用相当于一种运动放大器,可显著增加黏弹材料层的剪切变形,从而极大地提高结构的阻尼性能,同时制成沟槽形式,有利于降低弯曲刚度和附加质量图9-15阻隔层阻尼结构9.4.3主动约束层阻尼技术-1随着振动主动控制技术的发展,一种新颖的主动约束层阻尼(ActiveConstrainedLayerDamping,ACLD)技术应运而生,它是传统的被动约束层阻尼技术与主动控制技术有机结合的产物,通过将前者的被动约束层改用机敏材料(如压电材料)制成的主动约束层代替并配置以一套控制系统来实现主动约束层阻尼结构的减振机理是:当结构体(基本弹性层)产生振动时,黏弹材料层发生剪切变形而消耗振动能量,与此同时,传感器拾取结构体的振动信号,并通过控制系统驱动主动约束层使其发生变形,从而加剧黏弹材料层的剪切变形,增强振动的耗散能力,进而对结构体的振动实现控制由于压电材料频响范围宽、响应速度快、质量小、价格低、结构简单,且能够实现电能和机械能的相互转化,已成为主动约束层阻尼结构中最常用的主动约束层材料9.4.3主动约束层阻尼技术-2主动约束层阻尼结构的布局主要有两种,如图9-21所示主动约束层阻尼结构具有以下优点:①当对主动压电约束层施加一定的电压时,就可以增加黏弹材料的剪切变形,从而增加其振动耗散能力;②振动控制频带更宽;③增加了振动控制系统的鲁棒性,主动控制失效时,主动约束层阻尼结构就退化为传统的被动约束层阻尼(PCLD)结构,系统仍具有一定的振动控制效果图9-21主动约束层阻尼结构布局9.4.4阻尼合金-1阻尼合金属于材料减振的范畴,可以从根本上抑制设备本体的振动,特别适用于工作在复杂动力工况或恶劣环境下的设备或结构的减振阻尼合金(DampingAlloy)是一类阻尼大、能使振动迅速衰减的新型金属功能材料,能够明显地减轻各种应变载荷引起的振动及噪声图9-22主动约束层阻尼技术应用于悬臂梁的振动控制9.4.4阻尼合金-21.分类阻尼合金按其阻尼机理可分为复相型、铁磁型、位错型和孪晶型4类(1)复相型复相型合金是在强韧的基体上分布着软的第二相,通过相界面的塑性流动或第二相的塑性变形吸收振动能并转变为热能,属于滞弹性阻尼(2)铁磁型铁磁型合金是由于外力和磁致伸缩效应的相互作用产生的磁性-力学滞后效应而消耗振动能量的,属于静滞后阻尼(3)位错型位错型合金晶体组织中存在析出相或杂质原子,对位错有钉扎作用,在外力作用下位错线做不可逆的往复运动,因而产生阻尼作用,属于静滞后阻尼(4)孪晶型孪晶型合金中一般存在热弹性马氏体,基体与马氏体相界面的移动、马氏体相亚晶界的移动或者孪晶界的移动所产生的损耗是该类合金产生阻尼的原因,属于滞弹性阻尼9.4.4阻尼合金-32.应用概况阻尼合金经过多年的不断发展,现已有上百种新型阻尼合金问世,并投入实际应用,其中尤以孪晶型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领域,在航天航空领域,用于制造飞船、卫星、火箭、飞机的控制盘和陀螺仪等精密仪器;在船舶工程领域,用于制造螺旋桨和发动机等部件;在车辆工程领域,用于制造车轮、车体、制动器、发动机变速器、减振轮毂等;在土木建筑工程领域,用于制造大型建筑物、桥梁、凿岩机等;在机械工程领域,用于制造机床、风机叶片、圆盘锯、各种齿轮等21345679.5工程应用实例9.5.1

16m立式车床的振动控制16m立式车床是一种重型机床,其立柱用22mm厚的钢板焊接,高度为13m,是板厚的600倍左右。由于钢材阻尼只有铸铁的1/3,因此该立柱结构抗振性能较差。为此,采用黏弹阻尼技术来增加立柱的结构阻尼,从而改善机床的抗振性能立柱-横梁模型采用局部约束阻尼处理,处理位置如图9-25所示:立柱仅在1/3高度内的外表面,横梁在靠近固定端1/2长度内的外表面。阻尼层为厚度1mm的ZN05型阻尼材料,约束层采用1.2mm厚钢板。试验结果表明这种阻尼处理是有效的图9-25

16m立式车床的立柱-横梁模型9.5.2飞机发动机叶片的振动控制约束阻尼层由铝箔和黏弹性阻尼层(采用3M粘合剂)交替包覆叶片组成。为了使粘结牢靠,采用了真空袋加压和热压罐固化等工艺。处理中,铝箔有两种厚度,一种厚0.05mm,另一种厚0.127mm,阻尼层厚0.05mm。叶片及其阻尼处理形式如图9-26所示实践表明这种阻尼处理可以很好地解决该发动机进口导流叶片的疲劳开裂问题,经阻尼处理后叶片的动应力峰值显著降低,使用寿命大为延长(>1200h)。原先用于进口导流叶片修补和更换的费用每年约需150万美元,采用阻尼处理后可节省120万美元图9-26