蜂窝垫高自由阻尼及颗粒复合结构振动性能研究

摘要

垫高阻尼结构（Stand-off Layer Damping）和颗粒阻尼（Particle Damping）被广泛应用于机械振动控制、航空航天等领域，在土木工程领域仍处于探索阶段。本文主要研究了蜂窝垫高自由阻尼结构和颗粒-蜂窝垫高自由阻尼结构两种减振结构的阻尼性能，借助 DASP 振动测试系统研究了上述结构的动态力学性能，并对实验数据进行分析拟合。通过输入能量法（PIM），采用单点锤击的方式，重点研究了悬臂支撑边界条件下的以板条梁为基材的阻尼结构复合损耗因子，探讨了蜂窝垫高层方向、蜂窝六边形单边长度、蜂窝材料厚度以及灌注颗粒对结构模态频率和复合损耗因子的影响。通过研究得出以下结论： 首先，作为阻尼胶黏剂的Qtech T501粘弹性阻尼材料基本性能研究表明，其平均凝胶时间和平均表干时间分别为160s和15min，时间较短满足结构制作工艺的要求；固含量为 97.68%，对应的挥发性物质含量为 2.32%，属于高固含量环保型材料，且一次成膜即可达到指定厚度；Qtech T501的密度为0.954g/cm3，属于轻质粘弹性阻尼材料；材料邵氏A硬度值测试结果为26HA，拉伸强度、撕裂强度分别为 0.76MPa、4.30KN/m，其断裂伸长率为 685.40%，材料表现的力学性能为更接近粘性，具有较好的耗能特性；Qtech T501在钢板与阻尼橡胶表面的附着力分别为0.68MPa、0.98MPa，可以保证结构的稳定性。 第二，自由阻尼结构与蜂窝垫高自由阻尼的对比研究结果表明，在传统自由阻尼结构的阻尼层与基层之间敷设5mm垫高层后，复合结构振幅相对于传统自由阻尼结构降低38.46%，衰减时间更短，各阶损耗因子提高38.20%，振动总级值降低4.87dB。 第三，不同蜂窝垫高层几何特征对复合阻尼结构影响的研究结果表明，对于主要减振方向为单方向的结构，垫高层方向宜选用六边形最长对角线与减振方向平行（A方向）；全实验频率段（0～800Hz），随着垫高层蜂窝边长增大蜂窝垫高自由阻尼结构的阻尼性能增加，但在低频段（0～200Hz）,垫高层蜂窝边长增大，结构的加速度响应将会变大，降低减振结构的阻尼性能；通过蜂窝单边长与模态频率的拟合计算可知，蜂窝垫高自由阻尼的模态频率会随着蜂窝边长增大而减小；垫高层蜂窝单边厚度对蜂窝垫高自由阻尼结构的影响较小，为提高复合阻尼结构的强度，小范围增加蜂窝单边厚度对阻尼结构的阻尼性能影响不大。 第四，对颗粒-蜂窝垫高自由阻尼结构的研究结果表明，在蜂窝垫高层中灌注颗粒后，复合阻尼结构的振动加速度最大值降低35.81%，振动衰减0.1s之后，相比于蜂窝垫高自由阻尼结构，其振幅减低58.93%，减振效果明显；模态频率受灌注颗粒影响较小，可基本保持在原蜂窝垫高自由阻尼的模态频率段；从复合结构损耗因子来看，一阶至四阶损耗因子分别提高5.99%、27.98%、116.99%、64.64%，其中对200Hz～550Hz频段的减振性能有很大提高；加入颗粒使结构振动加速度级大幅度下降，总级值降低5.34dB，颗粒-蜂窝垫高自由阻尼结构对结构的损耗因子有很大提高。 最后，对灌注蜂窝垫高层颗粒尺寸的研究结果表明，各颗粒尺寸的蜂窝垫高 自由阻尼结构之间时域波形基本相同，振动加速度幅值保持在45m/s2～50 m/s2之间，被激振的各颗粒尺寸的试样在0.15s后基本完成衰减；颗粒尺寸对结构各阶模态频 率基本不变，主要影响集中在 200Hz 以上的频率段；颗粒尺寸变化对复合阻尼结构的振动加速度响应的影响主要集中在第三阶和第四阶模态频率，随着颗粒尺寸的增加，复合阻尼结构在单位力下的加速度响应会减小，200Hz以上的振动加速度响应下降16%。 通过上述研究揭示出，在蜂窝垫高阻尼结构设计时，一方面可以根据不同频率段的需要，改变蜂窝边长与方向设计不同的结构，当结构物本身有强度需要时，可以增加蜂窝单边厚度。另一方面，当结构对质量没有要求时，可以在蜂窝垫高层空腔内灌注颗粒，以形成颗粒-蜂窝垫高自由阻尼结构，从而更好的进行振动控制。

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