付月,李洪彬,任建楠,槐艷艷,陳佰成

（沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，遼寧 沈陽 110850）

振動和噪聲的失效問題普遍存在于航空、航天等領(lǐng)域中。由于振動響應(yīng)的影響，飛機(jī)經(jīng)過長期服役，容易在方向舵、機(jī)尾罩等易振部位出現(xiàn)裂紋而萌生故障，同時空速管發(fā)生斷裂、座艙噪音過大等故障也時有發(fā)生，這些故障的存在一定程度上影響著飛機(jī)的可靠性和壽命。為了消除上述故障，針對振動和噪聲的控制問題，研究人員研制了多項(xiàng)控制技術(shù)，同時開發(fā)了多種控制方法，其中效能最顯著的方法就是阻尼減振降噪技術(shù)（簡稱阻尼技術(shù)）。阻尼技術(shù)對于抑制結(jié)構(gòu)共振、降低噪聲輻射具有顯著效果，已被人們廣泛應(yīng)用到工程實(shí)際中。目前，對振動和噪聲的控制主要采用三種途徑，一是研制和采用阻尼材料、二是設(shè)計和采用阻尼減振結(jié)構(gòu)、三是設(shè)計和布置阻尼器。阻尼材料是一種功能性材料，其主要功能為降低共振幅值和降低結(jié)構(gòu)噪聲，其利用變形吸收振動過程中產(chǎn)生的機(jī)械能，并將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散掉，從而實(shí)現(xiàn)減振降噪功效。阻尼結(jié)構(gòu)，將阻尼材料與基體通過粘接、共固化等工藝方法結(jié)合，形成具有阻尼減振功能的結(jié)構(gòu)。阻尼器，將阻尼材料或阻尼結(jié)構(gòu)合理地裝置于具有阻尼特性的系統(tǒng)中，形成能夠耗散能量且具有減振降噪功能的裝置。

1 阻尼性能分析表征方法的研究

目前，研究阻尼材料、阻尼結(jié)構(gòu)和阻尼器的阻尼性能主要采用實(shí)驗(yàn)方法，包括自由振動法［1-4］、強(qiáng)迫共振法［5-6］、強(qiáng)迫非共振法［7］及動態(tài)力學(xué)分析法［8］。研究學(xué)者們［1-4］分別采用自由振動法對阻尼材料、阻尼結(jié)構(gòu)和阻尼器的阻尼性能開展了研究工作。虞慶慶等［1］比較了兩種不同牌號鋁合金材料的阻尼比值，得出二者阻尼特性顯著不同。呂平［2］和潘利劍［3］等人分別針對約束阻尼層和共固化阻尼層結(jié)構(gòu)開展了阻尼性能的表征研究。圖1 為自由振動法測試裝置示意圖。譚蔚等［4］測量了阻尼器的阻尼比，檢測并驗(yàn)證了阻尼器的減振效果。譚亮紅等［5］采用強(qiáng)迫共振法比較了自由阻尼層和約束阻尼層結(jié)構(gòu)的減振效能，得出后者具有更優(yōu)的減振效果，測試裝置如圖2 所示。張琰輝［6］針對鎂合金的阻尼特性，采用強(qiáng)迫共振法獲取了材料尺寸變化對阻尼特性的影響規(guī)律，采用動態(tài)力學(xué)分析法得到了輸入激勵與阻尼特性之間的對應(yīng)關(guān)系。基于強(qiáng)迫非共振法，李姝佳和馬勛勛［7］研究了“剛-柔耦合接觸系統(tǒng)”的接觸阻尼。李靜等［8］基于動態(tài)力學(xué)分析法，研究了橡膠材料的阻尼性能表征。對于阻尼材料，通過實(shí)驗(yàn)測試手段，可以獲取材料本身的各類阻尼參數(shù)，包括損耗因子、耗能模量等，依據(jù)阻尼參數(shù)與振幅（或應(yīng)力、溫度、頻率等）之間的對應(yīng)關(guān)系，可以得出材料阻尼特性的參數(shù)表征。但是多數(shù)情況下采用阻尼參數(shù)并不能代表材料在真實(shí)結(jié)構(gòu)中發(fā)揮出的減振效能，因此通常將阻尼材料敷設(shè)到結(jié)構(gòu)上形成阻尼結(jié)構(gòu)，或?qū)⒆枘岵牧霞白枘峤Y(jié)構(gòu)裝置于動力系統(tǒng)形成阻尼器，從而實(shí)現(xiàn)阻尼減振功能。

圖1 自由振動法測試裝置示意圖［3］Figure 1 Diagram of free vibration test device

圖2 強(qiáng)迫共振法測試裝置示意圖［5］Figure 2 Diagram of forced vibration test device

2 阻尼材料的阻尼機(jī)理和性能表征

隨著現(xiàn)代化工業(yè)的快速發(fā)展，阻尼材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用已日益廣泛［9］。常用阻尼材料主要包括高分子阻尼材料、高阻尼合金材料、復(fù)合阻尼材料和陶瓷類耐高溫阻尼材料［10］，各種阻尼材料因其材料構(gòu)成差異較大，導(dǎo)致各材料之間的阻尼特性也具有較大差異。

2.1 高分子阻尼材料

高分子阻尼材料是目前工程界應(yīng)用最多的阻尼材料，其阻尼性能遠(yuǎn)高于阻尼合金的阻尼性能［11］。該材料阻尼機(jī)理主要依賴于其自身粘彈性，表現(xiàn)為當(dāng)結(jié)構(gòu)受到交變力場作用時，材料發(fā)生位移滯后現(xiàn)象。采用力學(xué)損耗角表示應(yīng)變滯后于應(yīng)力的相位差，則力學(xué)損耗角的正切即為損耗因子，損耗因子越大表征材料的阻尼性能越好［12］。對于高分子阻尼材料，可以通過合理選擇樹脂基料、功能填料及改性方法，獲得高性能、寬溫域的阻尼材料，從而實(shí)現(xiàn)減振降噪目的［13］。

2.2 高阻尼合金材料

形狀記憶合金的阻尼性能一般與振幅大小有關(guān)，隨著應(yīng)變增大而增大，達(dá)到峰值后下降。Cu-Mn系高阻尼合金的阻尼機(jī)理是應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，即在300—600 ℃高溫條件下對合金時效處理，合金中的組織會發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)換，一旦受到外界作用就會重新排列，耗散掉大量能量，表現(xiàn)出弛豫效應(yīng)［14］。時效時間越長，阻尼值越高。Mg 基合金阻尼的機(jī)理是通過原子與位錯之間的脫釘作用使機(jī)械振動迅速耗散，從而實(shí)現(xiàn)阻尼功能。其阻尼大小與振幅有關(guān)，應(yīng)力越大阻尼性能越好。Zn-Al 基合金阻尼機(jī)理主要是動態(tài)應(yīng)變滯后效應(yīng)，即合金受到外界應(yīng)力作用時，金屬內(nèi)部產(chǎn)生熱運(yùn)動，從而耗散能量。其阻尼大小與振幅無關(guān)，但對振動頻率非常敏感［15］。

2.3 復(fù)合阻尼材料

樹脂的損耗因子通常低于0.01，碳纖維的損耗因子大概在0.002，復(fù)合材料的阻尼特性需要由二者復(fù)合后綜合表征［16］。Chang 和Thomas 等［17］從分子水平入手，充分研究了各分子基團(tuán)及各基團(tuán)位置改變對高分子阻尼特性的影響規(guī)律，提出LA 基團(tuán)貢 獻(xiàn) 理 論。Hwang 和Gibson［18-19］從 宏 觀 角 度 入 手，研究了各鋪層的能量損耗和層合結(jié)構(gòu)的總能量，得出復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的阻尼特性可由二者之比進(jìn)行表征。Crane［20］也是從宏觀角度入手，得出復(fù)合材料各向損耗因子，并闡述了該材料的阻尼特性可由損耗因子與頻率之間的關(guān)系進(jìn)行表征。

2.4 陶瓷類耐高溫阻尼材料

陶瓷基體本身阻尼約為0.001 2—0.005 0，對材料阻尼特性的貢獻(xiàn)可以不用考慮。但是陶瓷基體內(nèi)部含有微小裂紋，進(jìn)行機(jī)械加載時其內(nèi)部裂紋會發(fā)生擴(kuò)展，該過程會損耗部分機(jī)械振動能，從而發(fā)揮材料的阻尼特性。在陶瓷基復(fù)合阻尼材料制備過程中，預(yù)制體通常有10%—15%左右孔隙率［21］，與前述微裂紋阻尼機(jī)理相似，當(dāng)受到外界機(jī)械力作用時孔隙邊緣的裂紋會發(fā)生擴(kuò)展，從而消耗機(jī)械振動，發(fā)揮出陶瓷阻尼材料的阻尼特性。湯彬等［22］從細(xì)觀力學(xué)角度出發(fā)，研究得出單向陶瓷基阻尼材料的阻尼特性表征公式，并分析得到了剪應(yīng)力、纖維體積含量、纖維半徑、裂紋間距等各參數(shù)對材料阻尼特性的貢獻(xiàn)度。

2.5 阻尼材料的發(fā)展需求

高分子阻尼材料、高阻尼合金材料、復(fù)合阻尼材料和陶瓷類耐高溫阻尼材料為常見的阻尼材料，他們之所以具有較好的阻尼特性，與材料本身的結(jié)構(gòu)特性具有很大關(guān)系。高分子材料具有粘彈性、高阻尼合金材料可以發(fā)生馬氏體相變、復(fù)合材料的纖維和基體之間配比可自行設(shè)計、陶瓷阻尼材料內(nèi)部具有孔隙率，這些特點(diǎn)使得結(jié)構(gòu)在受到外界機(jī)械力作用時，都會通過發(fā)生較緩的變形，較長時間地消耗機(jī)械振動，從而表現(xiàn)出阻尼特性。依據(jù)材料自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際問題對于阻尼特性的需求，可以自行設(shè)計和研制新型材料，滿足未來航空航天對于振動控制的發(fā)展需求。

3 航空航天領(lǐng)域常用阻尼結(jié)構(gòu)的性能表征與評價

針對航空、航天領(lǐng)域的減振、降噪需求，現(xiàn)已開展了一系列減振降噪研究工作?？紤]各類航空、航天器工作環(huán)境不同，以及各部位結(jié)構(gòu)差異性的需求，研究人員靈活采用不同的阻尼技術(shù)，設(shè)計和使用不同的阻尼減振結(jié)構(gòu)，如自由阻尼、約束阻尼、共固化阻尼和摩擦阻尼等，一定程度上緩解了部分關(guān)鍵部位的減振需求，同時也為未來阻尼減振提供了更多的思路。

3.1 自由阻尼的減振研究

自由阻尼層結(jié)構(gòu)，即將有粘彈特性的材料與基板粘接，利用該材料的阻尼特性，實(shí)現(xiàn)對基板材料的振動抑制，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。吳晴晴等［23］針對具有不同損耗因子的基板材料開展了自由阻尼層結(jié)構(gòu)的影響研究，結(jié)果表明基板材料損耗因子的影響閾值為0.01，超出該值時需將該損耗因子考慮進(jìn)修正系數(shù)中。王蔓等［24］研究了自由阻尼層結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料加筋結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性的影響規(guī)律，得出阻尼材料、層數(shù)和耗散系數(shù)是其阻尼特性的有效表征。張崇陽［25］研究得出，約束阻尼層結(jié)構(gòu)比自由阻尼層結(jié)構(gòu)具有更好的隔聲性能，隔聲板的層數(shù)是其隔聲性能的有效表征。楊云昭等［26］將自由阻尼層結(jié)構(gòu)應(yīng)用于民機(jī)蒙皮壁板上，損耗因子的增加表征了結(jié)構(gòu)的減振和降噪功能得到顯著提升。

圖3 自由阻尼結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 Diagram of free damping structure

3.2 約束阻尼的減振研究

約束阻尼層結(jié)構(gòu)，即在基材和約束層之間增加粘彈性材料，利用粘彈性材料自身的高阻尼作用，使得該復(fù)合結(jié)構(gòu)具有一定的振動抑制作用，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示。航炮射擊、固體火箭彈射出筒等火工品爆炸分離會產(chǎn)生瞬時的高頻響、高過載級的振動，從而導(dǎo)致相關(guān)儀器設(shè)備損壞。陳忠明等［27-28］在飛機(jī)炮艙區(qū)應(yīng)用約束阻尼層結(jié)構(gòu)，采用理論分析與地面試驗(yàn)相結(jié)合方式，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用約束阻尼層結(jié)構(gòu)后炮艙區(qū)的振動響應(yīng)顯著降低，炮艙區(qū)域振動環(huán)境得到改善，實(shí)現(xiàn)了有效減振。任懷宇［29］將約束阻尼層應(yīng)用于隔沖擊結(jié)構(gòu)中，通過隔振作用，最終實(shí)現(xiàn)了沖擊幅值顯著降低，以及沖擊強(qiáng)度得到有效控制。梁魯?shù)龋?0-31］采用約束阻尼層技術(shù)控制衛(wèi)星與運(yùn)載火箭轉(zhuǎn)接錐的振動響應(yīng)，采用正弦掃頻實(shí)驗(yàn)方法，得出約束層厚度（剛度）能夠有效表征結(jié)構(gòu)的阻尼效能，同時選用的約束層材料剛度質(zhì)量比越大阻尼貢獻(xiàn)度越大，即能夠發(fā)揮的阻尼減振效果越好。

圖4 約束阻尼結(jié)構(gòu)示意圖Figure 4 Diagram of constrained damping structure

3.3 共固化阻尼的減振研究

共固化阻尼結(jié)構(gòu)，即在復(fù)合材料鋪層中嵌入阻尼材料，通過共固化工藝形成共固化阻尼結(jié)構(gòu)，利用中間阻尼材料的阻尼貢獻(xiàn)實(shí)現(xiàn)減振效能。李火生等［32］對飛行器儀器安裝儀表板進(jìn)行了減振設(shè)計研究，分別采用了約束阻尼和共固化阻尼減振兩種設(shè)計方案，比較了不同方案之間的優(yōu)缺點(diǎn)。西北工業(yè)大學(xué)的徐超等人［33-34］分別應(yīng)用共固化阻尼和約束阻尼兩種減振技術(shù)對某衛(wèi)星星上飛輪支架的振動抑制作用進(jìn)行了研究，對于共固化阻尼結(jié)構(gòu)來說，研究了鋪層位置、鋪層厚度等對結(jié)構(gòu)整體的阻尼貢獻(xiàn)度，合理優(yōu)化了相關(guān)參數(shù)，通過飛輪組件振動響應(yīng)的加速度放大倍數(shù)在使用相關(guān)阻尼技術(shù)后大幅度降低，得出以上兩種阻尼技術(shù)均能有效控制衛(wèi)星飛輪支架的振動效應(yīng)，通過合理設(shè)計阻尼層鋪層位置，可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)阻尼技術(shù)在宇航結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

3.4 摩擦阻尼的減振研究

摩擦阻尼是通過兩個摩擦面之間的摩擦作用將外界振動機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，通過能量轉(zhuǎn)換發(fā)揮減振作用。航空領(lǐng)域中較大比率的故障來自飛機(jī)液壓系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)的管路失效［35］，導(dǎo)致飛機(jī)的管路失效主要來源于振動疲勞和共振［36］。李秀瑩等［37］利用摩擦阻尼原理開展了飛機(jī)液壓導(dǎo)管減振的相關(guān)研究，將兩種不同的阻尼材料纏繞在基體導(dǎo)管上形成摩擦阻尼減振結(jié)構(gòu)，隨機(jī)振動實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示采用的兩種材料對導(dǎo)管減振效果沒有顯著差異，減振效果由所纏繞材料的直徑和匝數(shù)表征，材料直徑越大、匝數(shù)越多，材料的阻尼性能越好。漆文凱等［38］研究得出了摩擦阻尼的數(shù)學(xué)模型和阻尼參數(shù)，并將其應(yīng)用于發(fā)動機(jī)葉片上，驗(yàn)證了摩擦阻尼具有顯著的減振效果。

4 常用阻尼器的性能表征與評價

對于航空、航天領(lǐng)域中某些特殊部位，因其特殊的工作條件和特殊的結(jié)構(gòu)形式，使得常用的阻尼技術(shù)、阻尼減振結(jié)構(gòu)不能直接解決其減振需求。針對這類情況，研究學(xué)者綜合考慮了多種減振技術(shù)，合理設(shè)計和研制出具有多種綜合減振效能的阻尼器，如金屬橡膠阻尼器、液彈阻尼器和其他阻尼器等。綜合阻尼器的應(yīng)用，一方面改善了單一阻尼技術(shù)的缺陷，另一方面充分發(fā)揮了綜合后的阻尼特性，有效解決了部分特殊結(jié)構(gòu)的減振需求。

4.1 金屬阻尼器的減振研究

金鳴等［39］開展了金屬橡膠阻尼器的減振研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著激勵幅值的增加，其結(jié)構(gòu)的固有頻率和剛度減小，呈現(xiàn)出軟特性；其阻尼貢獻(xiàn)高于金屬彈簧，若二者結(jié)合，可以在保證剛度的情況下用于航空航天領(lǐng)域電子產(chǎn)品的防振工程，能起到很好的阻尼減振效果。圖5 為金屬橡膠阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖。陳忠明等［40-41］分別從理論分析、試驗(yàn)驗(yàn)證及仿真分析入手，對金屬橡膠阻尼器的減振作用，以及抑制飛機(jī)發(fā)動機(jī)安裝時的振動響應(yīng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：金屬橡膠阻尼器同時具有良好的剛度非線性和阻尼非線性，即具有良好的阻尼減振特性；金屬橡膠阻尼器應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)后，對結(jié)構(gòu)頻率影響較小，但能引入較大阻尼，降低結(jié)構(gòu)的響應(yīng)水平。

圖5 金屬橡膠阻尼器示意圖Figure 5 Diagram of metal rubber damper

4.2 液彈阻尼器的減振研究

液彈阻尼器是共同發(fā)揮粘彈阻尼作用和液壓減振作用的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)同時改善了粘彈阻尼作用小和液壓阻尼大的缺陷。鄭俊偉等［42］從理論分析入手，深刻揭示了液彈阻尼器的工作原理，依據(jù)該結(jié)構(gòu)的動態(tài)力學(xué)特性，設(shè)計研制出具有合理構(gòu)型的模型試驗(yàn)件，獲取了該結(jié)構(gòu)阻尼特性的有效表征。武珅等［43-44］從有限元分析入手，建立了包含液彈阻尼器的直升機(jī)系統(tǒng)動力學(xué)模型，分別考慮了結(jié)構(gòu)線性和非線性兩種工況，充分研究了液彈阻尼器對直升機(jī)地面共振特性的阻尼貢獻(xiàn)，得出應(yīng)用該阻尼器能夠顯著降低直升機(jī)的槳葉阻尼，降低結(jié)構(gòu)的地面共振響應(yīng)，提高相關(guān)穩(wěn)定性。武珅等［44］進(jìn)一步引入遺傳算法識別參數(shù)模型，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)的對比，驗(yàn)證了該算法的有效性，同時進(jìn)一步驗(yàn)證了液彈阻尼器的動力學(xué)特性。

4.3 顆粒阻尼的減振研究

顆粒阻尼的減振，在結(jié)構(gòu)空腔中填充顆粒阻尼物質(zhì)，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到振動作用時顆粒物質(zhì)之間發(fā)生相互碰撞、摩擦，從而轉(zhuǎn)化、消耗部分振動機(jī)械能，從而實(shí)現(xiàn)減振效能。圖6 為顆粒阻尼器示意圖。南京航空航天大學(xué)的陳前等［45-49］為降低直升機(jī)旋翼槳葉中的振動效應(yīng)，采用顆粒阻尼技術(shù)，通過試驗(yàn)方法和仿真法［48-49］進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：在低速范圍內(nèi)，顆粒阻尼器可以起到較好的減振效果，即可以顯著降低旋轉(zhuǎn)槳葉模型的振動加速度響應(yīng)［45，48-49］；在結(jié)構(gòu)內(nèi)壁增加橡膠材料后，能夠有效提高顆粒阻尼器的減振能力［46］；將顆粒阻尼物質(zhì)置于直流電磁場環(huán)境中，能夠提高顆粒阻尼器的阻尼貢獻(xiàn)［47］。合理配合使用顆粒阻尼結(jié)構(gòu)與其他被動或主動減振方式，能夠更好的發(fā)揮顆粒阻尼器的減振效能。

圖6 顆粒阻尼器示意圖Figure 6 Diagram of particle damper

4.4 其他阻尼器的減振研究

常飛［50］針對飛機(jī)機(jī)輪剎車振動問題進(jìn)行了研究，分析了機(jī)輪振動產(chǎn)生的原因，提出采用提高剎車材料摩擦阻尼，增加汽缸座活塞之間油路液壓阻尼，增加減振附件和外部阻尼器等措施，可以解決飛機(jī)機(jī)輪振動響應(yīng)過大問題。針對艦載機(jī)的著艦反彈問題，柳剛［51］研究了攔阻鉤縱向阻尼器的阻尼減振性能，得出基于縱向阻尼器的阻尼貢獻(xiàn)，該結(jié)構(gòu)可以輔助攔阻鉤在第一次反彈后實(shí)現(xiàn)攔阻鉤的有效上鉤。楊毅青［52］針對航空結(jié)構(gòu)件中具有大長徑比的結(jié)構(gòu)加工精度較低問題，在相關(guān)的銑刀當(dāng)中安裝了兩自由度阻尼器，充分改善了銑刀剛度差的嚴(yán)重缺陷，切削實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)計對于提升零件表面加工質(zhì)量的有效性。

5 結(jié)論

隨著航空航天領(lǐng)域的高速發(fā)展，鑒于當(dāng)前四代戰(zhàn)機(jī)具有高機(jī)動性、高隱身性及超視距作戰(zhàn)和超音速巡航性能，飛機(jī)所面臨的振動和噪聲境況越來越復(fù)雜、越來越嚴(yán)酷，提出了對于阻尼減振的需求，主要體現(xiàn)在以下方面。

（1） 研制新型阻尼材料：研制更符合航空航天、各類工程需求的新型阻尼材料，如兼具減振性、吸聲性、耐高熱、耐低溫、防腐蝕等功能，一材多用，解決阻尼減振需求的同時減少結(jié)構(gòu)附加重量。

（2） 研制新型阻尼結(jié)構(gòu)和阻尼器：針對航空航天、各類工程中不同部位、不同結(jié)構(gòu)、不同工況的減振需求，設(shè)計研制更多類型、更多功能、更加靈活的阻尼結(jié)構(gòu)和阻尼器，更好的發(fā)揮阻尼減振作用。

（3） 被動處理改為主動控制：過去主要采用阻尼減振解決振動噪聲引發(fā)的各類故障問題，是一種被動處理模式，以后需更改為在產(chǎn)品設(shè)計、定型階段，主動采用阻尼減振進(jìn)行振動控制，避免相關(guān)故障發(fā)生。