梁龍強(qiáng)，黃微波，呂 平，鞠家輝，孟凡迪

(1.青島沙木新材料有限公司，青島 266034；2.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，青島 266033)

針對(duì)現(xiàn)代制造業(yè)的振動(dòng)問題，將阻尼材料黏附于需要減振處理的構(gòu)件上，形成自由阻尼或約束阻尼結(jié)構(gòu)的減振處理方式在汽車、船艦、飛機(jī)等諸多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[1-2].在阻尼結(jié)構(gòu)的基層和阻尼層之間敷設(shè)隔離層形成隔離阻尼結(jié)構(gòu)，能夠擴(kuò)大阻尼層的耗能形變，以此來進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的減振性能[3].燕碧娟等[4-6]研究結(jié)果表明隔離層的彈性模量是阻尼層的100倍時(shí)，管狀隔離阻尼模型能夠達(dá)到更好的減振效果.SANJIV[7]認(rèn)為增大約束層的厚度和模量能夠改善隔離型約束阻尼結(jié)構(gòu)的減振性能.易少強(qiáng)等[8-9]利用ANSYS和MATLAB協(xié)同仿真的方法，證明了粒子群算法能較好地解決隔離阻尼結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)優(yōu)化問題.石慧榮等[10-11]對(duì)局部敷設(shè)隔離層的約束阻尼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，認(rèn)為局部隔離阻尼處理雖然使得阻尼面積減小，但其阻尼效率更高.RAO，ZHAO等[12-15]研究結(jié)果表明帶槽隔離層的引入對(duì)結(jié)構(gòu)阻尼性能的提升起到了很好的促進(jìn)作用.

目前針對(duì)隔離型約束阻尼的研究已經(jīng)比較深入，而對(duì)隔離型自由阻尼結(jié)構(gòu)的研究相對(duì)較少[16-20].本文以鋼板作為基層，橡膠材料作為阻尼層，并以波紋鋁板和聚氨酯泡沫作為隔離層制備成懸臂梁模型，通過單點(diǎn)錘擊實(shí)驗(yàn)，從時(shí)域波形、傳遞函數(shù)曲線、模態(tài)頻率及損耗因子等方面分析隔離自由阻尼懸臂梁的阻尼性能.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 模型設(shè)計(jì)與制備

隔離自由阻尼懸臂梁模型主要由基層、隔離層和阻尼層三部分構(gòu)成.模型基材采用市面所售的Q235鋼板，密度為7800 kg/m3，彈性模量為210 GPa.隔離層中波紋鋁板由浙江嘉善強(qiáng)飛蜂窩機(jī)械設(shè)備有限公司采用型號(hào)為3003H18號(hào)鋁生產(chǎn)(圖1)，鋁板厚度為0.21 mm，波紋鋁板密度為2710 kg/m3；聚氨酯泡沫由青島永德聚氨酯有限公司提供，密度為160 kg/m3，彈性模量為130 MPa.阻尼層采用天津橡膠工業(yè)研究所提供的D-803-ZR橡膠阻尼材料，密度為1450 kg/m3，彈性模量為45 MPa；層間黏結(jié)劑采用青島沙木新材料有限公司提供的Qtech-413膠黏劑，以此制備實(shí)驗(yàn)用隔離阻尼自由結(jié)構(gòu)懸臂梁模型.

圖1 波紋鋁板隔離層

將黏結(jié)劑Qtech-413的A，B組分按比例1.1∶1混合后攪拌均勻，分別刮涂于除銹后的鋼板和阻尼橡膠表面，厚度為0.5 mm.將波紋鋁板和聚氨酯泡沫分別放置在涂有膠黏劑的鋼板上，再將橡膠阻尼材料涂有膠黏劑的一側(cè)扣壓在隔離層之上.將制備完成的懸臂梁模型放于夾具中固定，防止滑移，并在25～30 ℃，相對(duì)濕度為54%～58%的條件下養(yǎng)護(hù)7 d，然后進(jìn)行測試.隔離自由阻尼懸臂梁模型結(jié)構(gòu)如圖2所示，墊高層材料及尺寸參數(shù)見表1.

圖2 懸臂梁模型結(jié)構(gòu)

表1 懸臂梁墊高層材料及尺寸參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方案

實(shí)驗(yàn)測試分析系統(tǒng)包括激勵(lì)力錘、支撐組件、傳感器、信號(hào)采集儀和控制分析系統(tǒng)，如圖3所示.信號(hào)采集儀采用北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所研發(fā)的INV3062T0采集儀；分析軟件為DASP-V11工程版；激勵(lì)力錘采用INV9313型ICP力錘，靈敏度為0.201 mV/N；傳感器采用朗斯測試技術(shù)有限公司LC0103型ICP加速度傳感器，靈敏度為50 mV/g.

圖3 測試分析系統(tǒng)

測試方法采用懸臂梁單點(diǎn)錘擊法，錘擊點(diǎn)和拾振點(diǎn)分別布置在距固定端和自由端25 mm中點(diǎn)處，錘擊力為60 N；測試的采樣頻率為51.2 kHz，變時(shí)倍數(shù)為8，觸發(fā)次數(shù)為3次，采樣點(diǎn)數(shù)為16 384個(gè).測試時(shí)實(shí)驗(yàn)室溫度為23 ℃，相對(duì)濕度為56%.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 時(shí)域分析

對(duì)傳感器采集到的加速度衰減信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析，得到1—4號(hào)模型的時(shí)域波形，如圖4所示.

圖4 不同隔離層厚度的懸臂梁振動(dòng)波形

由圖4(a)可知，1號(hào)和2號(hào)模型加速度最大振幅分別為105和111 m/s2.相比于2號(hào)模型，1號(hào)模型最大振幅降低了5.41%，而且衰減時(shí)間明顯減少，所以波紋鋁板作為隔離層的減振效果要優(yōu)于聚氨酯泡沫材料.這可能是因?yàn)橄啾扔诰郯滨ヅ菽牧希y鋁板更接近理想的墊高層模型，即剪切剛度極大而抗彎剛度極小[19-20]，有利于發(fā)揮墊高層杠桿放大作用，基層的彎曲形變向阻尼層的傳遞效率更高，所以提高了結(jié)構(gòu)整體的減振效果.由圖4(b)可知，3號(hào)和4號(hào)模型加速度最大振幅分別為74和119 m/s2.相比于4號(hào)模型，3號(hào)模型最大振幅降低了37.82%.在0.2 s時(shí)，3號(hào)模型已幾乎完全平緩，而4號(hào)模型依舊保持著0.39 m/s2振動(dòng)幅度.

對(duì)比圖4(a)和(b)可知，與隔離層厚度為6 mm的阻尼結(jié)構(gòu)相比，隔離層厚度為12 mm的結(jié)構(gòu)持續(xù)振動(dòng)時(shí)間較短.這表明，墊高層厚度增加之后，懸臂梁模型的減振效果更加明顯.這是因?yàn)橥獠肯鹉z阻尼層的中性軸至懸臂梁中性軸的距離p為[19]

(1)

即

(2)

式中：hb，hs和hv分別為基層、墊高層和阻尼層的厚度；Eb，Es和Ev分別為基層、墊高層和阻尼層的彈性模量；d1和d2分別為墊高層和阻尼層的中性軸到基層中性軸的距離.

由式(2)可知，隨著hs的增加，阻尼層處理距離p相繼增大，這相當(dāng)于加大了阻尼層的厚度.因此，在基層形變相同時(shí)，外部橡膠阻尼層的形變隨之增加，由此引起分子鏈段的相對(duì)滑移增大，阻尼層耗能增多，懸臂梁的減振性能因此提升.

2.2 傳遞函數(shù)曲線

1—4號(hào)模型的傳遞函數(shù)曲線如圖5所示.

圖5 不同隔離層厚度的懸臂梁傳遞函數(shù)曲線

由圖5(a)可以看出，在前三階，1號(hào)模型(單一波紋鋁板的隔離自由阻尼結(jié)構(gòu))模態(tài)振動(dòng)峰值要明顯低于2號(hào)模型，兩種結(jié)構(gòu)在第四階的模態(tài)振動(dòng)峰值相差不大，分別為6.3和6.7 m·s-2/N.由圖5(b)可以看出，3號(hào)模型一階到四階的模態(tài)振動(dòng)峰值分別為3.49，3.62，4.46和4.91 m·s-2/N.相對(duì)于4號(hào)模型，3號(hào)模型在各階模態(tài)振動(dòng)峰值都有明顯的降低，各階分別降低了29.21%，53.39%，53.44%和36.65%.

四種阻尼結(jié)構(gòu)中，2號(hào)和4號(hào)模型這兩種隔離層為聚氨酯泡沫的阻尼結(jié)構(gòu)在單位力下的振動(dòng)加速度響應(yīng)十分劇烈，而3號(hào)模型的模態(tài)振動(dòng)峰值降低最為顯著，其次是1號(hào)模型.這說明采用波紋鋁板作為隔離層能夠有效地降低懸臂梁模型的振動(dòng)加速度響應(yīng)，提升結(jié)構(gòu)的阻尼性能，這與前述時(shí)域波形分析結(jié)果相吻合.

2.3 損耗因子及模態(tài)頻率

通過對(duì)振動(dòng)加速度譜圖進(jìn)行分析并采用半功率帶寬法進(jìn)行計(jì)算，得到各階的模態(tài)頻率和損耗因子，計(jì)算結(jié)果見表2.

表2 模態(tài)頻率及損耗因子

由表2可知，1號(hào)模型的損耗因子略高于2號(hào)模型，一階到四階的損耗因子分別增加了0.0012，0.0092，0.0037和0.0039，1號(hào)模型阻尼效果更優(yōu).隨著隔離層厚度的增加，3號(hào)和4號(hào)模型的損耗因子相對(duì)于1號(hào)和2號(hào)模型有了明顯的提升，每一階提升了20%～40%.相對(duì)于4號(hào)模型，3號(hào)模型的一階到四階損耗因子依次增加了0.0353，0.0117，0.0178和0.0009，減振性能有所提升，與前述分析結(jié)果相一致.

同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)隨著隔離層厚度的增加，各階模態(tài)頻率統(tǒng)一向高頻方向移動(dòng).在一階模態(tài)峰處，3號(hào)和4號(hào)模型在各階的模態(tài)頻率保持一致，模態(tài)頻率比1號(hào)和2號(hào)模型提升了7.35%.在二階、三階和四階，3號(hào)和4號(hào)模型對(duì)于2號(hào)模型有3%～8%的提升.這是因?yàn)殡S著隔離層厚度的增加，結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量均隨之增加，但剛度增加的比例較大，因此頻率也隨之上升.

3 結(jié)論

1) 四種結(jié)構(gòu)中，隔離層為12 mm的兩種阻尼結(jié)構(gòu)與隔離層為6 mm的結(jié)構(gòu)相比，阻尼減振性能整體上有很大提升，具體表現(xiàn)在波形衰減時(shí)間減少了0.1 s，損耗因子提高20%～40%.

2) 隔離層為6 mm波紋鋁板與6 mm聚氨酯泡沫的組合結(jié)構(gòu)在各頻段表現(xiàn)出良好的減振效果，單位力下的振動(dòng)響應(yīng)最小，峰值范圍僅為3.49 ～4.91 m·s-2/N，并且損耗因子的提升顯著.隔離層為6 mm的波紋鋁板阻尼結(jié)構(gòu)在降低單位力下振動(dòng)響應(yīng)和波形衰減時(shí)間方面表現(xiàn)出較好的減振性能.

3) 兩種隔離層為聚氨酯泡沫的結(jié)構(gòu)，厚度為6 mm的結(jié)構(gòu)減振性能最差，振動(dòng)響應(yīng)最高，損耗因子最小；厚度為12 mm的結(jié)構(gòu)衰減時(shí)間少，且損耗因子更高.