褚風(fēng)民

（天津市橡膠工業(yè)研究所）

粘彈性阻尼材料對帶筋板鋼結(jié)構(gòu)件減振效果評價研究

褚風(fēng)民

（天津市橡膠工業(yè)研究所）

本文以帶有筋板的鋼結(jié)構(gòu)件為研究對象，采用激振器從筋板結(jié)構(gòu)件下方對其進(jìn)行激勵，以激振器產(chǎn)生的正弦激勵力作為振源，測試筋板結(jié)構(gòu)件典型位置的振動響應(yīng)。應(yīng)用振動加速度級的變化來衡量并評價筋板結(jié)構(gòu)件在敷設(shè)粘彈性阻尼材料前后的減振效果。可以看出：（1）阻尼處理前，受到激勵的筋板鋼結(jié)構(gòu)件各處的振動響應(yīng)主要與其所處位置的結(jié)構(gòu)有關(guān)，與距離激振點的遠(yuǎn)近關(guān)系較??；（2）在敷設(shè)阻尼材料后，受到激勵的筋板鋼結(jié)構(gòu)件各處的振動響應(yīng)與其距離激振點的遠(yuǎn)近關(guān)系較大，距離越遠(yuǎn)的位置振動衰減越大；（3）以自由層阻尼材料為約束層的約束阻尼結(jié)構(gòu)的減振效果要大于優(yōu)于單純自由層阻尼材料。

筋板結(jié)構(gòu)件；阻尼；振動加速度。

表面敷設(shè)阻尼材料對多數(shù)剛性結(jié)構(gòu)而言都是比較有效的減振方案，作為被動減振的典型，阻尼結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用于航空、船舶、汽車、機(jī)床等領(lǐng)域[1]。但阻尼結(jié)構(gòu)減振效果的評價尚沒有完全統(tǒng)一的方法。陳慶華提出使用減振前后的位移響應(yīng)比值來評判減振效果[2]，周勁松等用頻響函數(shù)來評價減振效果[3]。帶有加強(qiáng)筋的平板結(jié)構(gòu)件常見于各種機(jī)械裝置中，本文以帶有筋板的鋼結(jié)構(gòu)件（本文中簡稱為“筋板結(jié)構(gòu)件”）為研究對象，主要應(yīng)用振動加速度級的變化來衡量評價其在敷設(shè)阻尼材料前后的減振效果，并為類似結(jié)構(gòu)選擇性能更加優(yōu)良的阻尼材料及阻尼結(jié)構(gòu)。

1、阻尼結(jié)構(gòu)的減振機(jī)理

阻尼減振是被動控制的一個主要方面，它通過將動能轉(zhuǎn)化成熱能達(dá)到減振降噪的目的。自由阻尼層是直接將粘彈性阻尼材料貼敷或涂覆在需要減振的結(jié)構(gòu)原件表面，主要通過阻尼層發(fā)生拉伸變形，從而將機(jī)械振動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⑦_(dá)到抑制振動的目的，其受力形式如圖1所示。它結(jié)構(gòu)、動力特性比較簡單，便于在實際工程中使用，但其減振效果相對較差。約束阻尼是在阻尼層外附加一層剛度較大的彈性層作為約束層，主要由基層、阻尼層與約束層組成，通過阻尼結(jié)構(gòu)的基層和約束層彎曲變形的作用，在阻尼材料內(nèi)部產(chǎn)生剪切應(yīng)變，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮躘4]。約束阻尼結(jié)構(gòu)中阻尼層不僅承受拉壓變化，同時還要車感受剪切變形，由于粘彈性阻尼材料的剪切損耗模量要大于拉伸損耗模量，所以一般而言約束型阻尼結(jié)構(gòu)的效果要優(yōu)于自由型阻尼結(jié)構(gòu)。

圖2 約束層阻尼結(jié)構(gòu)的受力形式

2、筋板結(jié)構(gòu)件振動加速度的測試

本文以筋板結(jié)構(gòu)件為研究對象，采用激振器從筋板結(jié)構(gòu)件下方對結(jié)構(gòu)件進(jìn)行激勵，以激振器產(chǎn)生的正弦激勵力作為振源，測試筋板結(jié)構(gòu)件典型位置的響應(yīng)，以典型位置點的頻率響應(yīng)函數(shù)為測試分析對象，研究有無阻尼結(jié)構(gòu)的振動情況，對比筋板結(jié)構(gòu)件在敷設(shè)阻尼前后的減振效果，以便根據(jù)試驗結(jié)果對阻尼結(jié)構(gòu)敷設(shè)方案進(jìn)行調(diào)整，以取得更好的減振效果。

頻響函數(shù)及振動加速度的測試原理圖如圖3所示：

圖3 頻響函數(shù)振動加速度測試原理圖

為測試頻響函數(shù)及振動加速度，通過激振器對結(jié)構(gòu)件激勵，將激勵信號通過壓電式力傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，響應(yīng)信號則通過壓電式加速度傳感器轉(zhuǎn)換為電信號。通過計算機(jī)及專用信號處理軟件對激勵及響應(yīng)信號進(jìn)行分析，從而得到系統(tǒng)的頻響函數(shù)及各點的振動加速度。

根據(jù)測試要求，實驗臺主要工作在中低頻，本次實驗分別進(jìn)行10～300Hz以及10～1000Hz的隨機(jī)信號激勵，采用激振器激振，單點輸入多點輸出方式測試各點的振動加速度。

實驗中采用的測試儀器及處理軟件為丹麥BK公司2702功率放大器；4808激振器；1027信號發(fā)生器；8200力傳感器；2971加速度傳感器；2692D電荷放大器；東方振動與噪聲技術(shù)所INV數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。

振動加速度級的定義[5]：

其中La為振動加速度級，dB；

a為振動加速度有效值，m/s2；

a0為振動加速度參考值，m/s2，

由儀器測出各接收點的振動加速度有效值，然后按照以上公式計算振動加速度級。

3 筋板結(jié)構(gòu)件及阻尼結(jié)構(gòu)方案

筋板結(jié)構(gòu)件的示意圖如圖4所示。

圖4 筋板結(jié)構(gòu)件示意圖

3.1 筋板結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)尺寸：

底板尺寸：長×寬=700mm×500mm，厚度26mm；

橫筋板尺寸：長度為500mm，高度為400mm，厚度為10mm；

豎筋板尺寸：長度為700mm，高度為490mm，厚度16mm。

3.2 阻尼材料敷設(shè)方案

方案1、2：自由層阻尼結(jié)構(gòu)，底板敷設(shè)阻尼板厚度為25mm，豎筋板雙面敷設(shè)阻尼板厚度均為16mm（雙面），橫筋板雙面敷設(shè)阻尼板厚度均為10mm。方案1、2阻尼材料分別為A、B；

方案3：約束阻尼結(jié)構(gòu)，各處理面首先敷設(shè)約束阻尼材料Y（2mm）然后在其上部再敷設(shè)自由層阻尼膠板B作為約束層，底板敷設(shè)25mm，橫筋板雙面敷設(shè)10mm，豎筋板雙面敷設(shè)16mm。

3.3 激勵點及接收點的設(shè)置

選擇豎筋板下距離底邊30mm左右的位置為激勵點，如圖所示“1”點。

選擇不同特征位置的筋板接收點：2、3、4、22、33、44。其中2、4為豎筋板下位置，3為橫豎筋板交叉點，33、44點為橫筋板下位置，22點為無筋板位置。

3.4 激勵頻率的選擇

每次測試分別進(jìn)行10～300Hz以及10～1000Hz的隨機(jī)信號激勵，分別測試接收點的振動加速度。

4 結(jié)果與分析

4.1 空白板下各接收點的振動加速度級分析

各接收測試點與激振點的距離不同，同時各測試點對應(yīng)的結(jié)構(gòu)也不同，橫向比較相同激勵條件下不同接收測試點的振動加速度級，對于全面了解帶筋板結(jié)構(gòu)件的不同部位的振動情況具有一定的意義，同時也便于比較在進(jìn)行阻尼處理前后相同部位振動加速度級。

空白板下各點振動衰減情況見下表1及圖5。從表中數(shù)據(jù)可以看出，同在豎筋板下的2、3、4點的振動加速度級基本相同。同在橫筋板下的33、44點的振動加速度級也基本相同。而不在筋板位置下的22點，其加速度級比豎筋板下的各點要低，比橫筋板下的各點要高。

由此可以看出在空白板下不同位置的振動衰減與各點所處的結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系，而各點與激振點距離大小對振動衰減的影響較小。

表1 空白板下各點振動加速度級（dB）

圖5 空白板下各測試點震動加速度級

4.2 敷設(shè)阻尼材料后各接收測試點的振動加速度級

測試頻段為0～1000Hz時敷設(shè)阻尼材料各測試點的振動加速度級見表2及圖6，10～300Hz時敷設(shè)阻尼材料各測試點的振動加速度級見表3及圖7所示。分別以空白樣的振動加速度級與各測試點的振動加速度級之差來衡量各點的振動衰減，表征減振效果。

4.2.1 筋板位置下減振效果與各測試點與激振點之間距離的關(guān)系

從表2及表3中的數(shù)據(jù)可以看出“2”點由于離激振點最遠(yuǎn)，其振動衰減也最大，同樣在豎筋板的位置的“3”、“4”點的振動衰減依次降低，由此可以看出在敷設(shè)阻尼材料后距離是影響振動衰減的一項關(guān)鍵因素，與振動激勵點的距離遠(yuǎn)的位置振動衰減大，距離近的位置振動衰減小。在實際工程應(yīng)用可有針對性的在離激振源較近的部位增加阻尼層的厚度以加大其減振效果，而在離激振源較遠(yuǎn)的部位厚度也可以相應(yīng)的減小。

4.2.2 筋板敷設(shè)阻尼材料的厚度與減振效果之間的關(guān)系

比較“2、3、4”與“22、33、44”的振動衰減，可以看出在豎筋板下的測試點的減振效果要大于橫筋板下的各點以及筋板外的“22”點。橫筋板厚度為10mm，豎筋板厚度為16mm，由于橫筋板與豎筋板敷設(shè)阻尼材料的厚度與筋板厚度比例相同，雙面敷設(shè)均為1∶1，因此相應(yīng)的豎筋板上敷設(shè)的阻尼材料厚度要大于橫筋板，2、3、4點位置振動加速度級衰減較大，可能與兩種因素有一定的關(guān)系：（1）豎筋板敷設(shè)的阻尼材料厚度較大，阻尼材料起到了抑振作用，（2）豎筋板本身厚度較大，筋板本身起到了較好的抑振作用。而從表1中數(shù)據(jù)可以看出，空白樣下厚筋板位置下的“2、3、4”點振動加速度級較大，而在薄筋板下的“33、44”點的振動加速度級反而較小，由此可以看出豎筋板上敷設(shè)的阻尼材料在振動加速度級的衰減中起主要作用。

比較“2”點與“22”點，兩點離激振點的距離均較大，“22”點離激振點的直線距離甚至更大，但“22”點下的減振效果遠(yuǎn)不如“2”點，由此可以看出在對筋板結(jié)構(gòu)件的阻尼處理過程中，對筋板的阻尼處理效果要比底板好。

而比較橫筋板“33”、“44”測試點，這兩點的結(jié)構(gòu)及其與激振點的距離均相同，反映到振動加速度的衰減上來看，可以看出兩點的測試數(shù)據(jù)也基本相同。

綜合各測試點的數(shù)據(jù)，可以看出頻寬在0～1000Hz下，3#方案的綜合振動加速度級的衰減最大，為16.6dB，1#方案次之，為15.3dB；2#方案最差，為11.3dB。

表2 頻寬1000Hz下敷設(shè)阻尼材料各接收點振動加速度級

圖6 1000Hz下各接收點不同方案振動加速度級

2.2頻段為10～300Hz時各測試點振動加速度級的衰減情況

10～300Hz測試頻段下各測試點的相對減振效果見表3與圖7所示。其基本規(guī)律與10～1000Hz頻段類似。

表3 頻寬300Hz下敷設(shè)阻尼材料各接收點振動衰減情況

圖7 300Hz下各接收點不同方案振動加速度級

綜合各測試點的數(shù)據(jù)可以看出，頻寬在10～300Hz下，依然是3#方案最佳，為16.1dB；2#方案次之，為15.6，1#方案為15.3dB。由此可以看出對筋板結(jié)構(gòu)件進(jìn)行約束層阻尼處理，并以自由層阻尼材料為約束層的約束型阻尼結(jié)構(gòu)的減振效果要大于單純使用自由層阻尼材料。

4.2.3 敷設(shè)阻尼材料前后筋板結(jié)構(gòu)件振動頻譜對比分析

4.2.3.1 空白樣振動頻譜

空白樣豎筋板下典型位置（4點）在0～1000Hz振動頻譜見圖8所示，10～1000Hz下共振頻率為573.4Hz，振動加速度的峰值為26.5m/s2，除此之外在518Hz下還有一個次級共振峰，總有效值為21.27 m/s2。

圖8 空白樣豎筋板下典型位置（4點）在0～1000Hz振動頻譜

非筋板下的典型位置（22點）的在0～1000Hz下的振動頻譜分別見圖9。0～1000Hz下處在518Hz存在一共振峰外，在155Hz、573Hz、954Hz均存在次級共振峰，但各共振峰的振動加速度均遠(yuǎn)沒有“4”點共振峰值高，總有效值為16.08 m/s2。

圖9 空白樣非筋板典型位置（22點）在0～1000Hz振動頻譜

4.2.3.2 經(jīng)過阻尼處理后的振動頻譜

經(jīng)過阻尼處理后同樣在“4”點的振動頻譜見圖10所示，與圖8相比，其主共振峰被抑制，僅存在數(shù)個峰值不足1m/s2的小峰，總有效值僅為2.93m/s2。

圖10 1#方案處理下“4”點的振動頻譜

經(jīng)過阻尼處理后同樣在“22”點的振動頻譜見圖11所示，與圖9相比，其主、次各級共振峰均被抑制，除在473Hz存在一個峰值為1.415m/s2的峰之外，僅存在數(shù)個峰值不足1m/s2的小峰，總有效值僅為3.735m/s2。由以上“4”點及“22”點位置阻尼處理前后的振動頻譜對比可以看出阻尼材料在抑制振動方面的作用。

圖11 1#方案處理下“22”點振動頻譜

5 結(jié)論

（1）在筋板結(jié)構(gòu)件空白板下不同位置的振動衰減與各點所處的結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系，而與各點與激振點距離大小對振動衰減的影響較小。

（2）筋板結(jié)構(gòu)件在敷設(shè)阻尼材料后，與振動激勵點的距離遠(yuǎn)的位置振動衰減大，距離近的位置振動衰減小。在進(jìn)行阻尼處理時可適當(dāng)加大振動激勵點附近位置阻尼層的厚度。

（3）對筋板結(jié)構(gòu)件進(jìn)行約束層阻尼處理，并以自由層阻尼材料為約束層的減振效果要優(yōu)于單純使用自由層阻尼材料。

[1] 戴德沛. 阻尼技術(shù)的工程應(yīng)用，清華大學(xué)出版社，1991，7-13

[2] 陳慶華，奚德昌.在基礎(chǔ)隨機(jī)激勵下阻尼夾心梁橫向位移的減振效果.兵工學(xué)報. 1988，（3）34

[3] 周勁松，李大光，張洪等.運用頻響函數(shù)分析機(jī)車車輛二系懸掛的減振性能，鐵道車輛. 2007，（9）：44～48

[4] 劉棣華，粘彈阻尼減振降噪應(yīng)用技術(shù)，宇航出版社，1990，67-69

[5] JBJ 16-2000 機(jī)械工業(yè)環(huán)境保護(hù)設(shè)計規(guī)范

褚風(fēng)民（1978-）男，山東鄒平人，高級工程師?，F(xiàn)任職于天津市橡膠工業(yè)研究所有限公司，主要從事聲學(xué)功能性橡膠制品的配方及工藝研究。