帥仁忠+朱雷威

摘 要：以加筋鋁薄板為例，利用仿真及試驗(yàn)相結(jié)合的方法，基于模態(tài)應(yīng)變能研究阻尼敷設(shè)面積對結(jié)構(gòu)振動(dòng)、聲學(xué)性能的影響，為結(jié)構(gòu)減振降噪提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：阻尼；模態(tài)應(yīng)變能；振動(dòng)響應(yīng)

中圖分類號：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.08.096

附加阻尼結(jié)構(gòu)是可以有效提高結(jié)構(gòu)阻尼性能的一種結(jié)構(gòu)，主要是在各構(gòu)件上附加一種包含阻尼材料的結(jié)構(gòu)層，提高構(gòu)件的阻尼性能從而達(dá)到減振降噪的目的。附加阻尼結(jié)構(gòu)應(yīng)用在板件上，可以起到較好的減振降噪作用，高速列車司機(jī)室的蒙皮結(jié)構(gòu)由大量的薄板組成，在蒙皮上粘貼附加阻尼結(jié)構(gòu)，可以有效地控制蒙皮結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，從而減小司機(jī)室的噪聲。同時(shí)，阻尼層能夠降低薄殼結(jié)構(gòu)的聲輻射率，對某些封閉或半封閉結(jié)構(gòu)，阻尼層還具有隔聲作用，有利于控制噪聲。

1 阻尼結(jié)構(gòu)

常見的阻尼結(jié)構(gòu)，主要分為自由阻尼和約束阻尼兩大類。

1.1 自由阻尼

當(dāng)結(jié)構(gòu)受到激勵(lì)時(shí)，結(jié)構(gòu)基層會產(chǎn)生相應(yīng)的彎曲變形。同時(shí)，阻尼結(jié)構(gòu)會隨之交替的產(chǎn)生拉-壓變形和拉壓應(yīng)力，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芟牡?，從而達(dá)到減低振動(dòng)的能量，達(dá)到減振降噪的效果。

1.2 約束阻尼

當(dāng)阻尼層與基層一起振動(dòng)時(shí)，阻尼層產(chǎn)生拉壓變形和拉壓應(yīng)力，耗散振動(dòng)能量，由于約束層的彈性模量遠(yuǎn)大于阻尼材料的彈性模量（一般差3-5個(gè)數(shù)量級），這樣阻尼層與基層之間的拉壓變形與阻尼層與約束層之間的拉壓變形產(chǎn)生差別，從而在粘彈性阻尼材料內(nèi)部另外還產(chǎn)生剪切變形。因而，約束阻尼在隨基層振動(dòng)變形的同時(shí)，不僅產(chǎn)生拉壓變形還產(chǎn)生剪切變形，這兩種變形均可耗散振動(dòng)能量。

盡管利用自由阻尼處理來增加結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的損耗因子有著簡單、方便的特點(diǎn)，但是實(shí)踐證明，自由阻尼層所具有的結(jié)構(gòu)損耗因子還是有限的，它遠(yuǎn)不能滿足那些工作溫度范圍寬、力學(xué)環(huán)境條件惡劣的實(shí)際工程的需要，因此必須進(jìn)一步采取有效的阻尼處理措施來提高結(jié)構(gòu)的損耗因子，加寬阻尼結(jié)構(gòu)的溫度適應(yīng)范圍。而采取約束阻尼處理方法是主要的基本措施之一。

2 試驗(yàn)測試

為了驗(yàn)證約束阻尼比自由阻尼的減振效果更好，以懸臂梁為對象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，懸臂梁規(guī)格為510mm×65mm×5.5mm，在懸臂梁上均勻布置九個(gè)測點(diǎn)，現(xiàn)場布置如圖3所示。采用單輸入單輸出的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，在懸臂梁的一側(cè)粘貼阻尼材料，用力錘敲擊另一側(cè)作為激勵(lì)輸入，并用傳感器采集輸出信號，測點(diǎn)安排如圖4，其測點(diǎn)的頻響函數(shù)如圖5所示。

由圖5可得，在結(jié)構(gòu)的表面粘貼自由阻尼和約束阻尼都起到了減振的作用，但是約束阻尼的減振效果更加顯著，與理論分析相符。另外粘貼阻尼材料后結(jié)構(gòu)的固有頻率均有減小的趨勢，粘貼約束阻尼時(shí)固有頻率減小幅度較小。在實(shí)際中由于工況比較復(fù)雜，約束阻尼粘貼方便且可靠性高于自由阻尼，綜合分析后，選取約束阻尼為研究對象，進(jìn)行優(yōu)化分析。

3 基于模態(tài)應(yīng)變能的約束阻尼粘貼位置優(yōu)化

由于約束阻尼是附加在主結(jié)構(gòu)上的，而為了不過度增加主結(jié)構(gòu)的質(zhì)量等參數(shù)，希望能夠只在某些部分粘貼約束阻尼，因此需要利用一些方法對約束阻尼的粘貼位置進(jìn)行優(yōu)化，這樣可以以最少的約束阻尼材料起到最大的減振降噪效果，現(xiàn)在關(guān)于這方面的研究以能量法居多，即利用有限元方法?；谀B(tài)應(yīng)變能對約束阻尼的粘貼位置進(jìn)行優(yōu)化，其主要思想是在結(jié)構(gòu)模態(tài)應(yīng)變能比較集中的地方敷設(shè)約束阻尼能夠用更少的約束阻尼起到相同或者相近的效果，同時(shí)對于相同的約束阻尼粘貼面積來說粘貼在模態(tài)應(yīng)變能比較集中的地方相較于粘貼在其他地方能都獲得更好的減振效果。

模態(tài)應(yīng)變能是在模態(tài)分析過程中得到的結(jié)構(gòu)應(yīng)變能分布情況，第i階模態(tài)的第j單元的模態(tài)應(yīng)變能可定義成：

為了說明模態(tài)應(yīng)變能方法的有效性，以一個(gè)簡化的加筋板進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。選取尺寸為1500×1200mm厚4mm的鋁板為基板，筋的參數(shù)如下：厚度8mm的正交加筋板，筋高90mm，筋間距均為600×600mm。首先計(jì)算加筋板的模態(tài)應(yīng)變能分布，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，加筋板的模態(tài)應(yīng)變能分布主要集中在柵格中間的位置。針對上述加筋板，分別對格柵區(qū)間采取全貼約束阻尼和50%的區(qū)域（集中在中部位置）粘貼約束阻尼。在實(shí)驗(yàn)室條件下，利用錘擊法敲擊加筋板，對比兩種粘貼方案的振動(dòng)響應(yīng)，對比效果如圖8所示。

從圖8中分析可得，在柵格內(nèi)貼50%約束阻尼，其減振效果在2000Hz以下時(shí)與全貼約束阻尼時(shí)相當(dāng)，高頻段其效果比全貼時(shí)略差。即加筋板結(jié)構(gòu)按照模態(tài)應(yīng)變能原理局部敷設(shè)50%的約束阻尼時(shí)的減振效果與全敷設(shè)時(shí)的減振效果相當(dāng)，說明基于模態(tài)應(yīng)變能的分布粘貼約束阻尼的方法是合理的。

4 結(jié)論

基于模態(tài)應(yīng)變能粘貼約束阻尼，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的聲學(xué)及動(dòng)態(tài)性能，即可起到減振降噪的效果，也可滿足車輛對輕量化的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]何慧敏，王雁冰等.壓電陶瓷/聚合物基新型阻尼復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2008，22（1）：41-44.

[2]蔣鞠慧，尹冬梅，張雄軍.阻尼材料的研究狀況及進(jìn)展[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2010，（4）：76-80.

[3]朱林森，周鯪，趙靜.基于模態(tài)應(yīng)變能分析和板件貢獻(xiàn)分析的車身阻尼處理[J].汽車技術(shù)，2010，（10）：8-11.

[4]Shi Z Y.Law S S.Zhang L M.Structural damage detection from modal strain energy change[J].Joumal ofEngineering Mechanics，2000，126（12）：1216-1223.