王賢宙

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

粘彈性阻尼安裝架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及減振效能分析*

王賢宙

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

粘彈性阻尼材料的最大優(yōu)點(diǎn)是可以在很寬的頻域和溫域內(nèi)對(duì)振動(dòng)進(jìn)行抑制，特別適用于機(jī)載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)減振問題。文中闡述了在某機(jī)載電子設(shè)備安裝架上敷設(shè)粘彈性阻尼材料的方法和典型工藝，并利用有限元仿真方法對(duì)安裝架敷設(shè)阻尼層前后的減振效能進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明敷設(shè)阻尼層后的安裝架有更好的減振效能。

機(jī)載電子設(shè)備；粘彈性阻尼材料；典型工藝；減振

引 言

粘彈性材料應(yīng)用于振動(dòng)控制的歷史可以追溯到20世紀(jì)50年代，它最初是用于航空器中以控制由于疲勞引起的振動(dòng)。粘彈性阻尼材料的最大優(yōu)點(diǎn)是可以在很寬的頻域和溫域范圍內(nèi)對(duì)振動(dòng)進(jìn)行抑制[1]，特別適用于隨機(jī)寬帶條件下的結(jié)構(gòu)減振問題。粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)的構(gòu)成形式一般分為約束阻尼層和自由阻尼層2種[2]，2種形式被廣泛應(yīng)用在航空、航天、車輛[3]等領(lǐng)域。由于自由阻尼層結(jié)構(gòu)帶來的附加重量輕，因而被越來越多的研究者重視。

本文以某直升機(jī)載設(shè)備安裝架為研究對(duì)象，系統(tǒng)闡述了安裝架敷設(shè)粘彈性阻尼材料的設(shè)計(jì)方法及工藝流程，包括阻尼層材料選擇、粘接膠選擇、阻尼層與安裝架的固化，并分別建立安裝架敷設(shè)阻尼層前、后2種狀態(tài)的有限元模型進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)比分析了粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)的減振效能。

1 粘彈性阻尼減振基本理論

粘彈性材料具有彈性和粘性雙重特性，這種材料在受到外力時(shí)，曲折的分子鏈會(huì)產(chǎn)生拉伸、扭曲等變形，當(dāng)外力除去后，分子鏈的滑移、扭轉(zhuǎn)不能完全復(fù)原，產(chǎn)生了永久性的變形，這就是粘彈性材料的粘性。而鏈狀分子運(yùn)動(dòng)要克服阻力，這需要一定的時(shí)間，因此應(yīng)變往往滯后于應(yīng)力的變化，在一定頻率和溫度范圍內(nèi)，這種滯后現(xiàn)象十分明顯。滯后的形變運(yùn)動(dòng)需要克服較大的阻力，這個(gè)過程將外力做的功耗散在周圍環(huán)境當(dāng)中，這就是粘彈性阻力產(chǎn)生阻尼的原因。因此這種材料在適當(dāng)?shù)臏囟群皖l率條件下，承受交變應(yīng)力時(shí)就會(huì)有很大的耗能效應(yīng)。圖1為粘彈性材料滯回曲線，圖中：σ(τ)為剪切應(yīng)力；ε(γ)為剪切應(yīng)變。

圖1 粘彈性材料滯回曲線

2 粘彈性阻尼安裝架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 安裝架描述

該安裝架剛性安裝于直升機(jī)艙地板上，安裝架外形尺寸為：640 mm × 320 mm × 462 mm，安裝架承載重量合計(jì)90 kg，安裝架自重8 kg，具體結(jié)構(gòu)外形及載荷分布如圖2所示。

圖2 安裝架外形及載荷分布

2.2 阻尼材料選擇

阻尼材料一般為粘彈性材料，具有溫頻依賴性，材料的儲(chǔ)能模量和損耗因子都會(huì)隨著溫度和頻率而有所變化，需要根據(jù)工作環(huán)境來選擇阻尼材料。本文選取了GJB 979標(biāo)準(zhǔn)ZN-1阻尼膠料作為約束層阻尼材料，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該種阻尼材料可工作溫度區(qū)間為-40 ℃～80 ℃，適合一般機(jī)載設(shè)備工作條件。為驗(yàn)證該阻尼材料的抗鹽霧性能，按照GJB 150.11的要求進(jìn)行了96 h的鹽霧試驗(yàn)，結(jié)果表明：薄膜沒有出現(xiàn)分化現(xiàn)象，滿足GB 6461中5級(jí)評(píng)定要求。并按照GJB 150.9機(jī)載條件進(jìn)行了濕熱試驗(yàn)，最后沒有發(fā)現(xiàn)該阻尼材料試樣從板上剝落下來。為鑒定該材料的抗霉能力，根據(jù)GJB 150.10中對(duì)試驗(yàn)周期、溫度、濕度及菌種的規(guī)定，對(duì)其進(jìn)行了霉菌試驗(yàn)，結(jié)果表明：試樣表面有輕微霉菌生長，滿足GJB 150.10中等級(jí)2的評(píng)定要求。

表1 ZN-1型阻尼材料性能參數(shù)

2.3 阻尼層粘貼區(qū)域

阻尼材料敷設(shè)區(qū)域應(yīng)變能越大，整個(gè)結(jié)構(gòu)的阻尼性能越高[4]。分析第1、2階模態(tài)的應(yīng)變能分布可以看出，模態(tài)應(yīng)變能較大的區(qū)域位于各個(gè)設(shè)備與安裝架的連接處以及安裝架與載機(jī)的連接處附近，如圖3所示。因此，阻尼層優(yōu)先考慮在這些區(qū)域敷設(shè)，如圖4所示。

圖3 模態(tài)應(yīng)變能分布

2.4 阻尼層設(shè)計(jì)尺寸

阻尼材料厚度為1mm。阻尼材料總質(zhì)量約為0.247 kg，約為原安裝架自重的3%，含粘接膠在內(nèi)總質(zhì)量約為安裝架自重的5%，具體阻尼層的形狀如圖5所示。

圖5 阻尼層形狀

2.5 阻尼層復(fù)合

要確保阻尼層的粘接強(qiáng)度，阻尼層與安裝架的復(fù)合是制作工藝的關(guān)鍵步驟。首先在阻尼層涂刷粘接膠后自然晾干，直至手摸無粘手的感覺；然后把阻尼層展平敷設(shè)在安裝架指定位置后，裝入加熱爐加熱至135 ℃～140 ℃，保溫25～30 min后隨爐自然冷卻8～12 h即可。表2為阻尼層敷設(shè)成型的基本工藝。

表2 阻尼層敷設(shè)成型工藝

3 安裝架減振效能仿真

3.1 有限元模型建立

在建立安裝架的有限元模型前，首先對(duì)幾何模型進(jìn)行簡化處理，忽略安裝架上螺釘孔、凸臺(tái)等局部小結(jié)構(gòu)。安裝架上4個(gè)設(shè)備用集中質(zhì)量模擬，4個(gè)設(shè)備與安裝架采用多點(diǎn)約束剛性單元連接，安裝架與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的連接亦采用剛性單元模擬，粘彈性阻尼層用殼單元模擬，其余實(shí)體模型采用四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。安裝架有限元模型如圖6所示。

圖6 安裝架有限元模型

3.2 振動(dòng)沖擊譜

直升機(jī)振動(dòng)環(huán)境的特點(diǎn)是在寬帶隨機(jī)振動(dòng)譜上迭加了很強(qiáng)的振動(dòng)峰值，這些峰值是由直升機(jī)上的旋轉(zhuǎn)部件產(chǎn)生的，如主旋翼和尾槳，這些部件在飛行狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)速度基本恒定。安裝架功能振動(dòng)試驗(yàn)譜線如圖7所示?；緵_擊譜波形為半正弦波，沖擊峰值加速度15g，沖擊持續(xù)時(shí)間11 ms。

圖7 功能振動(dòng)試驗(yàn)譜線

3.3 減振效能對(duì)比分析

3.3.1 頻響分析

通過仿真得到了敷設(shè)阻尼層前后安裝架上4個(gè)設(shè)備在3個(gè)方向上的加速度頻響分析結(jié)果。受限于篇幅，僅選取激勵(lì)方向?yàn)閄向，設(shè)備1在3個(gè)方向上的加速度頻響函數(shù)進(jìn)行論述，結(jié)果如圖8～圖10所示?？梢钥闯?，X向的振動(dòng)加速度頻響函數(shù)最大值降幅為7.9%；Y向?yàn)?6.7%；Z向?yàn)?0%。可以看出，安裝架在敷設(shè)阻尼層后減振效果非常明顯。

圖8 X向頻響函數(shù)

圖9 Y向頻響函數(shù)

3.3.2 隨機(jī)振動(dòng)傳遞率分析

安裝架在敷設(shè)阻尼層后，阻尼性能提高，振動(dòng)傳遞率降低(在強(qiáng)迫振動(dòng)時(shí)，設(shè)備的振幅與基礎(chǔ)的振幅之比稱為絕對(duì)傳遞率)。通過仿真得到了敷設(shè)阻尼層前后安裝架4個(gè)設(shè)備的振動(dòng)傳遞率曲線。受限于篇幅，僅選取激勵(lì)方向?yàn)閅向，設(shè)備2在3個(gè)方向上的傳遞率曲線進(jìn)行論述，結(jié)果如圖11～圖13所示?？梢钥闯觯?00 Hz以內(nèi)Y向激勵(lì)下，設(shè)備2的X向振動(dòng)傳遞率最大值由0.313 1降至0.051，降幅為83.71%；Y向由119.6降至21.44，降幅為82.07%；Z向由6.812降至4.104，降幅為39.75%。

圖11 X向振動(dòng)傳遞率

圖12 Y向振動(dòng)傳遞率

圖13 Z向振動(dòng)傳遞率

3.3.3 沖擊響應(yīng)分析

通過仿真得到了敷設(shè)阻尼層前后安裝架4個(gè)設(shè)備的沖擊響應(yīng)譜。受限于篇幅，僅選取激勵(lì)方向?yàn)閄向，設(shè)備2在3個(gè)方向上的加速度-時(shí)間歷程響應(yīng)曲線進(jìn)行論述，結(jié)果如圖14～圖16所示，圖中：X軸為時(shí)間，單位為s；Y軸為響應(yīng)，單位為m/s2?？梢钥闯?，施加正X向沖擊激勵(lì)后，安裝架敷設(shè)阻尼層后Y、Z兩個(gè)方向的加速度響應(yīng)都有明顯降低，而X向響應(yīng)無明顯降低。從響應(yīng)峰值角度來看，安裝架敷設(shè)阻尼層后Y向響應(yīng)峰值下降了0.48 m/s2，Z向下降了0.41 m/s2。X向響應(yīng)衰減時(shí)間無明顯變化，Y向衰減時(shí)間縮短0.03 s，Z向衰減時(shí)間縮短0.06 s。

圖14 X向沖擊響應(yīng)對(duì)比圖

圖15 Y向沖擊響應(yīng)對(duì)比圖

圖16 Z向沖擊響應(yīng)對(duì)比圖

4 結(jié)束語

本文系統(tǒng)闡述了在某直升機(jī)載設(shè)備安裝架上敷設(shè)粘彈性阻尼材料的設(shè)計(jì)方法和成型工藝，并利用有限元仿真方法對(duì)安裝架敷設(shè)阻尼層前后的減振效能進(jìn)行了對(duì)比分析。仿真結(jié)果表明，粘彈性阻尼材料減振技術(shù)在機(jī)載隨機(jī)和寬帶條件下對(duì)振動(dòng)衰減非常明顯。該技術(shù)在機(jī)載設(shè)備減振領(lǐng)域有較廣闊的工程應(yīng)用前景。

[1] 周云. 粘彈性阻尼減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]. 武漢: 武漢理工大學(xué)出版社, 2006.

[2] 平麗浩, 黃普慶, 張潤逵. 雷達(dá)結(jié)構(gòu)與工藝(下冊(cè))[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.

[3] 焦映厚, 陳照波, 賀濱, 等. 大型客車車身的阻尼減振降噪技術(shù)研究[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2013, 32(6): 121-126.

[4] 嚴(yán)一峰, 王賢宙, 吳睿. 粘彈性阻尼材料減振技術(shù)在雷達(dá)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2013, 35(5): 76-80.

王賢宙(1982-)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)結(jié)構(gòu)總體。

Structure Design and Vibration Reduction Performance Analysis of Viscoelastic Damping Mounting Rack

WANG Xian-zhou

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

The largest advantage of viscoelastic damping materials is vibration reduction on wide frequency range and temperature range, especially suitable for the vibration reduction of the structure airborne electronic equipment. This paper discusses the method and typical process of laying viscoelastic damping materials on the airborne electronic equipment mounting rack, and the vibration reduction performances of the mounting rack before and after laying viscoelastic damping materials are compared using finite element method. Results show that the damping mounting rack has better vibration reduction performance.

airborne electronic equipment; viscoelastic damping materials; typical process; vibration reduction

2014-11-04

TN803

A

1008-5300(2015)01-0035-04