粘弹阻尼材料及其异型界面约束阻尼结构动态性能研究

摘要

异型界面约束阻尼结构是由粘弹性阻尼材料、基层和约束层构成的，它也是地铁减振、降噪的良好方式，所以进行一系列关于其动态性能的研究便显得非常重要。本文研究了一种新型改性的聚氨酯粘弹阻尼材料的基本性能及阻尼性能，并分析了该材料自身的物理特性和阻尼特性（以下将该材料简称为：粘弹阻尼材料）。之后设计并制作了以该材料为阻尼层的两种异型界面约束阻尼结构，这两种异型界面约束阻尼结构分别为条带型和锯齿型。分别研究了锤击振动实验中两种约束阻尼结构的阻尼性能，并利用ANSYS有限元模态分析法，印证了振动实验结果，进而探讨了异型界面约束阻尼结构的动态力学性能，最后又分析了结构动态特性的主要影响因素。
　　本文有以下三个主要研究结论，如下：
　　第一、粘弹阻尼材料的基本性能和阻尼性能研究表明：所测粘弹阻尼材料的密度是0.9529g/cm3；材料凝胶时间、表干时间分别是158s、14min；固含量是95.49%；硬度是邵A38；断裂伸长率和拉伸强度分别为564.94%和1.10MPa。该材料是一种高固含量的、快速固化型的、环保材料。在频率一定的情况下，随着温度的升高，材料储能模量降低，损耗模量及损耗因子先增后减；在温度一定的情况下，频率越高，储能模量和损耗模量越高，损耗因子峰值也随之变大。
　　第二、条带型界面约束阻尼结构的动态性能研究表明：通过自谱分析可知，不同阻尼层厚度的平板型结构的一阶损耗因子分别是0.037、0.144、0.223、0.276，厚度增加，损耗因子分别增加0.107、0.079、0.053，但增加的幅度明显降低；相比于平板型结构，条带型结构的损耗因子依次增大0.056、0.105、0.148，阻尼效率逐渐增大。通过倍频程谱分析和时域分析可知，增加阻尼层厚度和减小条带宽度可以有效降低结构的振动加速度级值，缩短结构的振动持续时间，从而使结构阻尼性能得到改善。有限元模态分析所得到的结构复合损耗因子，与模态实验中所得的结果特别接近，都在0.037~0.497之间，低阶下两者误差在10%以内，高阶下误差稍大，但仍在15%以内，具有较好的吻合性。
　　第三、锯齿型界面约束阻尼结构的动态性能研究表明：通过自谱分析，间距为120mm、阻尼层为1mm的锯齿型结构的振动加速度的幅值是2.25m/s2，是四种结构中最大的，阻尼层为4mm时振动加速度的幅值为1.30m/s2，是四种结构中最小的，而阻尼层为2mm、3mm时的振动加速度幅值基本相同，约为1.5m/s2；阻尼层为2mm不同锯齿间距的锯齿型结构第二个单峰值均在0.25m/s2左右，而平板型结构的第二个单峰值为1.75m/s2，是其他三种锯齿型结构的七倍左右。通过倍频程谱分析和时域分析可知，增加阻尼层厚度和减小锯齿间距可以有效降低结构的振动总级值，缩短结构的振动持续时间。有限元模态分析得到的复合损耗因子与模态实验得到的损耗因子同样具有较高的吻合性。通过对约束界面的影响分析可知，平板型和锯齿型界面结构的各阶固有频率及复合损耗因子均比条带界面结构小，且七种平板、锯齿及条带界面结构单位面积的损耗因子分别为0.50 m-2、1.00 m-2、1.27 m-2、1.60 m-2、1.15 m-2、1.61 m-2、1.78 m-2，平板型界面单位面积的复合损耗因子均比锯齿型和条带型的低，最大相差1.28 m-2，而锯齿型界面依次均比条带型界面的低，最大相差0.31 m-2。通过对边界条件的影响分析可知，相较于两端简支约束，弹性支撑条件下的结构各阶固有频率均降低，约降低300Hz~600Hz左右；而结构的复合损耗因子均有不同幅度的增加，最大增加0.3左右。
　　通过上述理论分析、实验研究和仿真模拟，探讨了粘弹性阻尼材料的性能，并分析了条带和锯齿两种异型界面约束阻尼结构的主要影响因素，得出了结构在不同的影响因素下其动态特性的发展规律，为将异型界面约束阻尼结构应用于减振降噪工程中提供了可靠的理论指导。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 粘弹性阻尼材料

1.3 粘弹性阻尼结构

1.4 国内外研究现状

1.5 本文研究内容与方法

第2章 实验方案及有限元算法

2.1 粘弹性阻尼材料制备

2.2 粘弹性阻尼材料基本性能表征

2.3 粘弹性阻尼材料阻尼性能表征

2.4 异型界面约束阻尼结构模态实验

2.5 模态应变能法

第3章 粘弹性阻尼材料的性能研究

3.1 概述

3.2 基本性能表征

3.3 阻尼性能表征

3.4 本章小结

第 4 章 条带型约束阻尼结构模态实验及有限元分析

4.1 概述

4.2 模态振动实验研究

4.3 有限元模态分析

4.4 本章小结

第 5 章 锯齿型约束阻尼结构动态性能及主要影响因素

5.1 概述

5.2 模态振动实验研究

5.3 有限元模态分析

5.4 异型界面结构动态性能的主要影响因素

5.5 本章小结

第6章 结论及有待进一步研究的问题

6.1 结论

6.2 有待进一步研究的问题

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢