阻尼材料动态特性的验证系统及其验证方法

摘要

一种阻尼材料动态特性的验证系统及其验证方法，首先是以一黏弹性材料建立一量测平台，并在一参考温度下振动而获得一实验频率响应数据；然后针对黏弹性材料建立一黏弹模型，并依据黏弹模型计算出黏弹性函数；之后将黏弹性函数代入一动态负载公式中，并计算出一模拟存储模数与一模拟耗损模数；再来，将模拟存储模数与模拟耗损模数利用一有限元素法模拟计算出一模拟频率响应数据；接着将模拟频率响应数据利用一算法逼近实验频率响应数据而计算出一对应于参考温度的整合频率响应数据；最后再通过整合频率响应数据算出一存储模数值与一损耗模数值。

说明书

技术领域

本发明关于一种阻尼材料动态特性的验证系统及其验证方法，尤指一种量测阻尼材料特性与材料参数计算的验证系统及方法。

背景技术

在现今的电子产业中，产品都被要求做的轻薄可携，但其结构强度与耐震能力也备受考验。此时在产品零件的选择中，应适时选择使用阻尼材料(Damping Material)，利用阻尼材料吸收振动时的能量，或是在摔落时减少其冲击力。

在此我们阻尼材料主要运用的方向是服务器产业。当服务器运作时，高速运转的风扇振动会影响到硬盘的读取，造成硬盘读效率的降低甚至数据读取失败，所以在服务器产品中，风扇与机壳之间会以阻尼材料隔绝振动或是直接在硬盘外壳套上一层阻尼材料。

阻尼材料因具有弹性与黏性等双重特性，所以在研究阻尼材料时采用黏弹性理论分析其行为，意即阻尼材料相当于一种黏弹性材料，当黏弹性材料受到周期性的外力时，一部分能量会由弹性变形而存储起来，另一部分能量则由材料本身的损耗转变成热能消散。能量的存储与消耗可由材料的复数模数(Complex modulus)表示，即存储模数与损耗模数。

而存储模数与损耗模数的获得，一般是使用动态机械分析仪(DMA，DynamicMechanical Analysis)去量测其材料的动态机械性质，然而此类仪器的价格不斐，若非阻尼材料的开发厂商，其购买的需求欲望实在不大。

发明内容

由于电子产业往往会利用阻尼材料来吸收振动时的能量，或减少摔落时的冲击力，以保护硬盘等电子产品可以顺利运作，也因此阻尼材料的特性研究便显得相对重要，然而在现有的技术中，大都是使用动态机械分析仪去量测阻尼材料的存储模数与损耗模数等动态机械性质，但动态机械分析仪的价格昂贵，不易取得。缘此，本发明的主要目的提供一种阻尼材料动态特性的验证方法，以通过频率响应的测量与模拟来计算比对而产生整合频率响应数据，进而供用户计算出黏弹性材料的动态机械性质。

承上所述，本发明为解决先前技术的问题所采用的必要技术手段提供一种阻尼材料动态特性的验证方法，包含以下步骤：首先步骤(a)是以一黏弹性材料建立一量测平台，并于至少一参考温度下振动该量测平台以量测获得一对应于该参考温度与该黏弹性材料的实验频率响应数据；然后步骤(b)是针对该黏弹性材料的黏弹特性建立一黏弹模型，并使该黏弹模型包含至少一弹性元素与至少一黏性元素；接着步骤(c)是依据该黏弹模型建立一相对应的本构方程式，并将该本构方程式整理成至少一由至少一弹性模数(E)与至少一黏性系数(η)所组成的黏弹性函数，其中，该弹性模数对应于该弹性元素，该黏性系数对应于该黏性元素；再来步骤(d)是将该黏弹性函数代入一含有一频率参数的动态负载公式中，并计算出对应于该黏弹性材料的一模拟存储模数(Y1)与一模拟耗损模数(Y2)，使该模拟存储模数(Y1)与该模拟耗损模数(Y2)受到该弹性模数、该黏性系数与该频率参数所控制；之后步骤(e)是将该模拟存储模数(Y1)与该模拟耗损模数(Y2)利用一有限元素法模拟计算出一模拟频率响应数据；接着步骤(f)是将该模拟频率响应数据利用一算法逼近该实验频率响应数据而计算出一对应于该参考温度的整合频率响应数据，该整合频率响应数据报含一优化弹性模数与一优化黏性系数；最后步骤(g)是将该优化弹性模数与该优化黏性系数代入该模拟存储模数与该模拟耗损模数，并计算得到在该参考温度下对应于该黏弹性材料的一存储模数值与一损耗模数值。

由上述的必要技术手段所衍生的一附属技术手段为，该量测平台包含一底座以及二挟持器，该二挟持器锁固于该底座上，且该二挟持器用于夹固一由该粘弹性材料所构成的黏弹性组件。较佳者，该黏弹性组件是该黏弹性材料设置于一质量块的两侧所构成，该二挟持器分别夹固贴合设置于该质量块的两侧的该黏弹性材料。

由上述的必要技术手段所衍生的一附属技术手段为，步骤(a)利用一振动机对该量测平台进行振动；较佳者，该振动机依据一振动频率值对该量测平台进行振动，且该步骤(g)更将该振动频率值代入该模拟存储模数与该模拟耗损模数中。

本发明为解决先前技术的问题所采用的另一必要技术手段提供一种阻尼材料动态特性的验证系统，包含一量测平台、一质量块、二黏弹性材料、一振动机、一第一加速规、至少一第二加速规以及一系统主机。量测平台包含一底座以及二挟持器，二挟持器对称地锁固于该底座。质量块设置于该二挟持器的间。二黏弹性材料分别贴附于该二挟持器上，并分别对应地抵接该质量块的两侧，藉以使该质量块悬空地位于该二挟持器之间。振动机供该量测平台安装设置，用于振动该量测平台。第一加速规贴附于该质量块上。第二加速规贴附于该二挟持器其中至少一者上。

系统主机电性链接于该第一加速规与该第二加速规，藉以在该振动机于一参考温度下振动时，通过该第一加速规与该第二加速规的量测而获得一对应于该参考温度与该黏弹性材料的实验频率响应数据，进而将该实验频率响应数据与一模拟频率响应数据通过一算法计算出一对应于该参考温度的整合频率响应数据，该整合频率响应数据报含一优化弹性模数与一优化黏性系数，且该系统主机更进一步将该优化弹性模数与该优化黏性系数代入一模拟存储模数与一模拟耗损模数，以计算得到在该参考温度下对应于该黏弹性材料的一存储模数值与一损耗模数值。

由上述的必要技术手段所衍生的一附属技术手段为，该二挟持器各具有一挟持部，该质量块与该二黏弹性材料夹固地设置于该二挟持部之间。

由上述的必要技术手段所衍生的一附属技术手段为，该系统主机将一模拟存储模数与一模拟耗损模数利用一有限元素法模拟计算出该模拟频率响应数据；较佳者，该模拟存储模数对应于依据该黏弹性材料的黏弹特性所建立的一黏弹模型的至少一弹性元素，该模拟耗损模数对应于依据该黏弹性材料的黏弹特性所建立的一黏弹模型的至少一黏性元素。

如上所述，本发明是在计算出模拟存储模数(Y1)与模拟耗损模数(Y2)后，针对日后所有以黏弹性材料制作出的黏弹性组件而言，当黏弹性组件结合于量测平台后，不必再进行额外的量测或实验，即可直接输入存储模数(Y1)与耗损模数(Y2)利用有限元素法进行模拟计算出整合频率响应数据，进而供用户取得在参考温度与频率参数下的黏弹特性参数。

本发明所采用的具体实施例，将通过以下的实施例及图式作进一步的说明。

附图说明

图1与图1A显示本发明较佳实施例所提供的阻尼材料动态特性的验证方法步骤流程图；

图2显示本发明较佳实施例所提供的阻尼材料动态特性的验证系统的平面示意图；以及

图3与图4显示在参考温度为60℃时的频率响应比对图。

组件标号说明：

100 阻尼材料动态特性的验证系统

1 量测平台

11底座

12、13 挟持器

121、131 挟持部

2 质量块

3a、3b 阻尼材料

4 振动机

5 第一加速规

6a、6b 第二加速规

7 系统主机

S11～S17步骤

具体实施方式

请参阅图1至图2，图1与图1A显示本发明较佳实施例所提供的阻尼材料动态特性的验证方法步骤流程图；图2显示本发明较佳实施例所提供的阻尼材料动态特性的验证系统的平面示意图。如图所示，一种阻尼材料动态特性的验证系统100包含一量测平台1、一质量块2、二阻尼材料3a与3b、一振动机4、一第一加速规5、二第二加速规(6a与6b)以及一系统主机7。量测平台1包含一底座11以及二挟持器12与13，二挟持器12与13对称地锁固于底座11，且二挟持器12与13分别具有一挟持部121与131。质量块2设置于二挟持器12与13之间。

二阻尼材料3a与3b分别贴附于二挟持器12与13上，并分别对应地抵接质量块2的两侧，藉以使质量块2悬空地位于二挟持器12与13之间；其中，二阻尼材料3a与3b为材质相同的黏弹性材料。

振动机4供量测平台1安装设置，用于振动量测平台1。第一加速规5贴附于质量块2上。第二加速规(6a与6b)分别贴附于二挟持器12与13上。

系统主机7电性链接于第一加速规5与第二加速规(6a与6b)，藉以在振动机1于一参考温度下振动时，通过第一加速规5与第二加速规(6a与6b)的量测而获得一对应于该参考温度与黏弹性材料的实验频率响应数据，进而将实验频率响应数据与一模拟频率响应数据通过一算法计算出一对应于参考温度的整合频率响应数据，整合频率响应数据报含一优化弹性模数与一优化黏性系数，且系统主机更进一步将优化弹性模数与优化黏性系数代入一模拟存储模数与一模拟耗损模数，以计算得到在参考温度下对应于黏弹性材料的一存储模数值与一损耗模数值。

承上所述，依据上述的阻尼材料动态特性的验证系统100，本发明较佳实施例所提供的一种阻尼材料动态特性的验证方法，首先步骤S11是以一黏弹性材料(相当于3a与3b)建立一量测平台1，并于一参考温度下振动量测平台1以量测获得一对应于参考温度与黏弹性材料的实验频率响应数据。

在实际操作上，安装量测平台1时，首先是在一质量块2的两侧各自贴上一片阻尼材料3a与3b，再利用挟持器12与13的挟持部121与131挟持固定住而使质量块2悬空，然后将挟持器12与13锁附于底座11上，最后则将底座11锁附于一振动机4上。其中阻尼材料3a与3b为一材质相同的黏弹性材料。

在将量测平台1安装于振动机4上之后，便启动振动机4，使振动的能量可以由振动机4传递至挟持器12与13，进而传递至质量块2。然而当振动的能量经由这两片阻尼材料3a与3b抵销部分能量后，质量块2的响应必定会不同于振动机4振动输出时的振动波形，如此一来，整个量测平台1就有如单自由度系统。

然后通过将加速规(图未示)黏贴于质量块2以及挟持器12与13上方，便可量测获得对应于质量块2的实验频率响应数据，而实验频率响应数据报含了频率响应与相位。

接着步骤S12是针对黏弹性材料的黏弹特性建立一黏弹模型，并使黏弹模型包含至少一弹性元素与至少一黏性元素。在本实施例中，底座11相当于串联联接挟持器12与13以及由两片阻尼材料3a、3b与质量块2所构成的黏弹性组件，而挟持器12、13以及质量块2为并联联结。

此外，黏弹性材料的主要力学行为是蠕变(Creep)跟应力松弛(StressRelaxation)，这也是黏弹性材料研究中的两项基础标准实验。而黏弹性材料受负载作用时，会有蠕变或是应力松弛的现象，这两个现象都与时间相关，即黏弹性材料的应力应变皆是与时间相关的函数。

黏弹性材料可以基于弹簧(Spring)及阻尼(Damper)组成其黏弹性物理模型。在此弹簧为理想线性弹簧，其应变与应力的响应皆为实时，应力与应变成正比，且应力应变皆不随时间而改变，而弹簧的本构方程式(Constitutive Equation)如以下式(1)，其中E为弹性模数(Elastic Modules)：

σ＝E×ε…………………………………………………………………(1)

阻尼的部分则是遵循牛顿黏性定律(Newton's Law of Viscosity)，如下式(2)，其中为η为黏性系数(Coefficient of Viscosity)，ε'代表时间对应变的一次微分，即应变率。

σ＝η×ε'…………………………………………………………………(2)

将弹簧及阻尼串联或是并联起来即可构成黏弹模型。在其他实施例中，一般常见的黏弹性物理模型还有Maxwell模型、Kelvin模型以及Burgers模型等等。

接着步骤S13是依据黏弹模型建立一相对应的本构方程式，并将本构方程式整理成至少一由至少一弹性模数(E)与至少一黏性系数(η)所组成的黏弹性函数，其中，弹性模数(E)是对应于上述的弹性元素，而黏性系数(η)则是对应于上述的黏性元素。在本实施例中，依据上述的弹性模型所建立的本构方程式整理成一般形式如下式(3)：

σ+p1×σ'+p2×σ”＝q0×ε+q1×ε'+q2×ε”…………………………………(3)

之后再将本构方程式整理成以下的黏弹性函数：

然后步骤S14是将黏弹性函数代入一含有一频率参数的动态负载公式中，并计算出对应于黏弹性材料的一模拟存储模数(Y1)与一模拟耗损模数(Y2)，使模拟存储模数(Y1)与模拟耗损模数(Y2)受到弹性模数、黏性系数与频率参数所控制。

承上所述，动态负载公式如下：

然后，P*与Q*是以pk与qk代入式(3)，再将其实部与虚部分离，最后可得出模拟存储模数(Y1)与模拟耗损模数(Y2)如下：

最后式(11)中的pk与qk等函数可由式(4)至(8)代入。如此，模拟存储模数Y1与模拟耗损模数Y2就是由物理模型参数(E1、E2、E3、η3、η4)与频率参数(ω)所控制。

请继续参阅图3与图4，图3与图4显示参考温度为60℃时的频率响应比对图。如图所示，之后步骤S15是将模拟存储模数(Y1)与模拟耗损模数(Y2)利用一有限元素法模拟计算出一模拟频率响应数据；其中，整合频率响应数据报含一优化弹性模数与一优化黏性系数。在实务运用上，本实施例是使用MSC.Nastran有限元素软件作为求解器，采用频率响应计算的直接法Sol 108求解。为了增加计算速度，在有限元素模型方面，是以全模型计算，然后将全模型等效为1个质量点及1D Bush元素，再将上述所推导得到的模拟存储模数(Y1)与模拟耗损模数(Y2)输入于材料性质内，负载条件为在接地端输入1单位的加速度条件。

接着，在后处理时将质量点的加速度截取出来，即是模拟计算出来的模拟频率响应数据。

再来步骤S16是将模拟频率响应数据利用一算法逼近实验频率响应数据而计算出一对应于参考温度的整合频率响应数据。

最后，步骤S17是将优化弹性模数与优化黏性系数代入模拟存储模数(Y1)与模拟耗损模数(Y2)，并计算得到在参考温度下对应于黏弹性材料的存储模数值与损耗模数值。

如上所述，在实际运用上，本实施例是将上述模拟计算所得的模拟频率响应数据与一开始实验测量得到的实验频率响应数据比对，并利用算法来使对应于模拟频率响应数据的模拟频率响应曲线图逐渐逼近对应于实验频率响应数据的实验频率响应曲线图，进而获得了在参考温度(本实施例为60℃)下，包含了优化模拟弹性模数(E0)以及优化模拟黏性系数(η0)的整合频率响应数据，因此对于同一黏弹性材料而言，用户不需作多次测量即可通过整合频率响应数据得知频率与响应之间的曲线变化。

承上所述，用户更可依据本发明所提供的方法来获得不同温度下的弹性模数值与黏性系数值等模型参数，如下表1所示：

表1

综上所述，相较于先前技术是利用动态机械分析仪去测量黏弹性材料的动态机械性质，因此需花费庞大的成本去添购动态机械分析仪；然而本发明是量测设有黏弹性材料的测量平台以获得实验频率响应数据，并依据黏弹性材料建立黏弹模型公式，然后利用有限元素法将所得的模拟存储模数以及模拟耗损模数去模拟计算出模拟频率响应数据，进而与实验频率响应数据比对而获得在此参考温度下的弹性模数与黏性系数等模型参数；藉此，当用户通过本发明所提供的方法获得整合频率响应数据后，用户仅需针对不同参考温度将实验频率响应数据与模拟频率响应数据比对计算出对应于该参考温度的整合频率响应数据，进而得知在此参考温度下的模型参数(弹性模数值与黏性系数值)，有效的节省成本与时间。

通过以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的权利要求的范畴内。