粘弹阻尼材料及其阻尼结构动态力学性能研究

摘要

结构的粘弹阻尼处理是抑制结构的振动响应和噪声辐射的重要手段。然而如何对阻尼结构进行目标化设计，提高和改善结构的减振性能是目前遇到的关键技术瓶颈，因此开展粘弹阻尼材料动态力学性能及其阻尼结构相关关系的研究十分必要。本文利用动态黏弹谱仪(以下简称DMA)和悬臂梁振动的方法研究了粘弹阻尼材料的动态力学性能，分析了温度和频率对材料动态力学性能的影响规律，验证了基于GHM粘弹模型有限元方法求解约束阻尼结构模态参数的有效性，通过试验模态分析和宽频振动试验探讨了阻尼处理方式、粘弹阻尼材料性能、阻尼层厚度、阻尼处理结构形式对结构减振性能的影响，通过研究得出以下结论:
　　第一、DMA的测试结果表明:VM-1、VM-2、VM-3的损耗因子峰值分别为0.82、0.87、0.76，玻璃化转变温度-20℃、-10℃、40℃;VM-1、VM-2、VM-3;DMA和悬臂梁共振法两种测试方法对VM-3的对比分析结果表明:DMA和悬臂梁共振法在不同温度下测得储能模量吻合度较低，损耗因子吻合度较高，30℃时，DMA和悬臂梁共振法在不同温度下测得储能模量吻合度较低，损耗因子吻合度较高，30℃时，储能模量的吻合度为79.47％，损耗因子的吻合度为96.94％。DMA和悬臂梁共振法两种方法在较高频域的粘弹阻尼材料的储能模量和损耗因子比较接近，频率为380.50Hz时，储能模量的吻合度为96.11％，损耗因子的吻合度为90.51％。在上述实验研究的基础上，通过折算变量法，绘制粘弹阻尼材料的主曲线图，建立粘弹阻尼材料动态力学性能的数值分析和预测模型，确定模型的各项参数，研究了粘弹阻尼材料动态力学性能的一些内在基本规律。
　　第二、粘弹阻尼材料动态力学性能对频率具有依赖性，采用GHM模型，建立了粘弹阻尼材料约束阻尼悬臂粱的有限元模型。对约束阻尼结构悬臂梁的模态参数进行了计算和分析，前四阶共振频率相对误差都分别为1.52％、3.34％、7.19％、2.88％，取得了与试验模态分析相近的结果，验证了GHM模型融合有限元建模的可行性，GHM模型损耗因子与实际试验测得的损耗因子误差比较大，尤其是低频的损耗因子则与实测值具有较大的差距，悬臂梁的大振幅非线性振动是造成低频误差大的主要原因。
　　第三、经过阻尼处理后（自由阻尼和约束阻尼）的悬臂梁和一端固支钢板的减振效果具有一致的规律。自由阻尼结构的各阶模态的振动频率向低频移动，损耗因子均有提高，而约束阻尼结构的各阶模态的振动向高频移动，且损耗因子明显提高。如无阻尼悬臂梁、自由阻尼结构悬臂梁、约束阻尼结构悬臂梁的二阶损耗因子分别为0.032、0.053、0.180。经过VM-1、VM-2、VM-3三种阻尼材料处理后混凝土夹层板的二阶结构损耗因子分别为0.145、0.195、0.201、0.245。阻尼层厚度为1mm、2mm、3mm、4mm的混凝土夹层板二阶损耗因子分别为0.145、0.245、0.321、0.345。A型结构、B型结构、C型结构的混凝土夹层板二阶损耗因子分别为0.245、0.265、0.281，复合结构损耗因子与阻尼层剪切作用成正相关。
　　最后，与自由阻尼结构相比，约束阻尼结构钢板的振动响应降低的更为显著，其中尤以中心频率63Hz和200Hz的1/3倍频程振级衰减量为最大，达到了30dB以上，自由阻尼结构、约束阻尼结构钢板的总振级衰减量分别为0.98dB、26.42dB。不同粘弹阻尼材料对约束阻尼结构的减振性能具有直接的影响，VM-1、VM-2、VM-3混凝土夹层板的总振级衰减量分别为2.67dB、4.58dB、7.42dB，三种粘弹阻尼材料相比，以VM-3阻尼效果最为显著。随着阻尼层厚度的增加混凝土夹层板的减振效果增大，1mm、2mm、3mm、4mm厚阻尼层的混凝土夹层板的总振级衰减量分别为4.98dB、7.42dB、9.86dB、11.65dB。通过结构的优化设计可以提高约束阻尼结构的减振性能，A型结构、B型结构、C型结构混凝土夹层板的总振级衰减量分别为7.42dB、8.65dB、10.86dB;在高频段(500～3150Hz)，振级衰减更为明显，从整个分析频段看，B型结构和C型结构的振动衰减都要大于A型结构。
　　通过以上试验研究和理论分析，从多个角度来研究粘弹阻尼材料动态力学性能和结构减振性能的相关关系，寻找内部规律，为阻尼结构优化设计提供基础数据和理论储备。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 阻尼减振技术

1．2．1 粘弹阻尼材料

1．2．2 附加阻尼结构

1．2．3 阻尼减振技术在地铁道床减振中的应用

1．3 粘弹阻尼材料动态方学性能

1．3．1 粘弹阻尼材料的耗能原理

1．3．2 影响粘弹阻尼材料性能的主要环境因素

1．4 粘弹阻尼材料及其阻尼结构的研究进展

1．4．1 粘弹阻尼材料的阻尼性能表征及分析现状

1．4．2 阻尼结构动态力学性能研究的进展

1．5 本文研究内容

第2章 实验方案

2．1 粘弹阻尼材料的阻尼性能表征

2．1．1 DMA

2．1．2 粘弹阻尼材料悬臂梁共振测试

2．2 阻尼结构的动态特性试验

2．2．1 试件制备

2．2．2 试验仪器

2．2．3 试验方法

第3章 粘弹阻尼材料的动态力学性能

3．1 概述

3．2 粘弹阻尼材料的动态力学性能实验研究

3．2．1 DMA实验结果

3．2．2 粘弹阻尼材料悬臂梁共振实验结果

3．2．3 实验结果对比分析

3．3 粘弹阻尼材料动态力学性能的数值模拟

3．3．1 折算变量法

3．3．2 材料主曲线的测定

3．3．3 粘弹阻尼材料的数值模型

3．4 本章小结

第4章 阻尼结构动态性能的有限元分析

4．1 附加阻尼结构动态力学性能

4．1．1 粘弹阻尼材料的动态力学性能

4．1．2 粘弹阻尼材料的GHM模型

4．1．3 基于GHM模型附加阻尼结构动力学方程

4．2 粘弹阻尼材料GHM模型的参数确定

4．3 约束阻尼结构悬臂梁的有限元分析

4．4 本章小结

第5章 阻尼结构的试验模态分析

5．1 梁结构阻尼处理前后的模态分析结果

5．2 钢板结构阻尼处理前后的模态分析结果

5．3 混凝土夹层板结构阻尼处理前后的模态分析结果

5．3．1 粘弹阻尼材料的影响

5．3．2 阻尼层厚度的影响

5．3．3 阻尼结构形式的影响

5．4 本章小结

第6章 阻尼结构的宽频振动分析

6．1 钢板结构阻尼处理前后的宽频振动特性

6．2 混凝土夹层板结构阻尼处理前后的宽频振动特性

6．2．1 粘弹阻尼材料的影响

6．2．2 阻尼层厚度的影响

6．2．3 阻尼处理结构的影响

6．3 本章小结

第7章 结论及有待于进一步研究的问题

7．1 结论

7．2 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