圆形阻尼层合板的拓扑优化设计及其实验验证

以阻尼材料的用量为约束,以最大化结构损耗因子为目标,利用有限元方法实现了圆形阻尼层合板的拓扑优化设计。对优化前、后的圆形阻尼层合板进行振动实验,测试结果表明优化后结构的阻尼比是优化前结构的1.3倍。基于结构阻尼比和单位体积结构损耗因子均表示结构件标准化阻尼能力和单调变化相同的特性,以实测的结构阻尼比来表征单位体积结构损耗因子,验证了结构拓扑优化设计的有效性。即优化设计圆形阻尼层合板的构型能够有效地降低阻尼层的用量,提高阻尼层的利用率,增强结构的阻尼特性。     

自由层阻尼复合板减振特性的理论与实验研究

本文研究了自由层阻尼复合板的减振特性,导出了自由层阻尼复合板的抗弯刚度及基本模态损耗因子的计算公式以及振动方程,计算出四边简支单层金属板和自由层阻尼复合板的前几阶固有频率、基本模态损耗因子及受迫振动时中点动挠度,绘出了振动系统前几阶模态振型图。理论值与实验测试结果基本吻合。高速运行器的大功率动力装置构成结构的宽带随机振动源,激起结构的许多共振峰。为减小结构振动噪声和应力水平,需抑制各共振峰。由于宽带随机振动有丰富的频率,一般减振装置不能有效抑制,需采用粘弹性阻尼材料减振。自由阻尼层结构是将结构阻尼大的粘弹性材料粘帖或涂复在结构上如图1,它无需改变原结构且操作工艺简单,因而有重要应用价值。     

形状记忆合金纤维正交各向异性层合矩形板的非线性弯曲振动

研究了形状记忆合金(SMA)纤维混杂复合材料大挠度层合板的非线性自由与受迫振动特性。基于描述SMA力学行为的Brinson理论以及层合板材料性能预测的混合率, 建立了SMA纤维混杂复合材料大挠度层合板的本构方程, 基于对称层合各向异性弹性板的非线性理论, 建立了以横向挠度和应力函数表示的板的横向振动方程和相容方程。采用Galerkin近似解法将振动方程化为时间变量的含有三次非线性项的Duffing型常微分方程, 采用谐波平衡法(HBM)获得系统的固有频率方程和强迫振动稳态频率响应方程。数值计算表明: 非线性板自由振动频率比与激励温度的关系具有与线性板相同的特征, 马氏体相向奥氏体相转变阶段温度对板的振动频响特性曲线的影响最显著, 同时也讨论了SMA纤维含量、 板的纵横比以及自由振动幅值对板的非线性频率比的影响。      

基于混合分层理论的粘弹层合圆柱壳的阻尼振动和层间应力研究

应用混合分层理论,并在壳厚方向采用位移和应力插值函数推导出粘弹层合圆柱壳的动力学方程。计算了两层粘弹层合圆柱壳的振动频率和结构损耗因子,与Okazaki A的结果吻合良好。针对不同模量和厚度的粘弹性材料,计算出层合圆柱壳的层间横向应力的幅值。结果表明:过大的层间法向正应力是导致自由阻尼层合壳脱层破坏的主要因素,采用环向加强的粘弹性材料将有效地降低层间法向正应力的幅值。     

带有消声瓦的潜艇耐压壳的稳态振动和横向应力

采用混合分层理论和Ressiner混合变分原理，在壳的厚度方向取二次插值函数来描述位移沿厚度方向的变化规律；采用三次和四次插值函数来描述横向应力沿厚度方向的变化，线形处理筋条的变形，推导出粘弹加筋层合圆柱壳的动力学方程和协调方程组，并采用拉普拉斯变换，得出简支粘弹加筋层舍圆柱壳稳态振动的响应解。对于自由阻尼层合圆柱壳，所给出的振动频率和结构损耗因子与解析解吻合良好．结果表明，较高的层间横向正应力是引起潜艇消声瓦脱落的主要因素，而采用较高模量的粘弹性阻尼材料将降低层间横向应力的幅值．     

用Ritz法分析复合材料夹杂黏弹性阻尼材料的应变能

分析了复合材料夹杂黏弹性阻尼材料组成的对称层合板的线性弯曲,其中夹杂的黏弹性阻尼材料作为各向同性材料处理,既考虑面内应变能又考虑横向切应力应变能,用Ritz法研究各应力分量的应变能。以四边夹紧为边界条件的方形板为例,计算并分析了复合材料层和黏弹性层的应变能以及复合结构的损耗因子。结果表明,复合材料层的面内应变能占主要地位,而黏弹性层中xz方向和yz方向的切应力应变能占主要地位。黏弹性层与复合材料层的弹性模量之间的差异对复合结构的损耗因子有重要影响。     

三维编织复合材料悬臂梁的振动特性

基于三维四向和五向编织复合材料的细观结构和单胞模型, 对三维四步法矩形截面编织复合材料悬臂梁的振动阻尼性能进行了理论分析, 研究了编织角、 纤维体积分数等工艺参数对材料振动阻尼特性的影响, 并与实验结果进行了对比。对三细胞模型进行了改进, 采用混合律得到了材料的总体刚度, 进而得到一阶固有频率。此外, 还分别计算了一个周期内不同走向纱线和基体振动消耗的能量, 以及总振动能量, 得到了材料的损耗因子。结果表明, 对于三维四向和五向编织复合材料, 一阶固有频率随编织角的增加而减小, 随纤维体积分数的增加而增大; 而损耗因子随编织角的增加而增大, 随纤维体积分数的增加而减小, 并表现出明显的非线性变化规律。      

SA-1型舰船用阻尼材料的研究

<正> 前言 在振动和噪声控制中,利用阻尼材料减振降噪是一种既经济又有效的方法。所谓阻尼材料,就是振动衰减材料,它能把振动能变为热能而消耗掉。工程上常采用自由阻尼结构和约束阻尼结构两种形式。自由阻尼结构系在振体表面上敷覆一层阻尼材料;约束阻尼结构则在阻尼材料上面再加一层模量较高的材料(常用金属板,称为约束层或约束板)。作自由阻尼结构用的阻尼材料,要求阻尼作用不受或少受温度与频率的影响(即阻尼的温度、频率范围宽),其内耗峰应处于工作温度的范围内,此外,亦应有较高的模量。阻尼性能可用材料的损耗模     

玻璃鳞片对聚氨酯复合结构的阻尼性能影响

填料对阻尼材料和结构的减振效果具有重要的影响,本文以聚氨酯阻尼材料、自由阻尼结构和约束型阻尼结构为研究对象,利用半功率带宽法,考察聚氨酯阻尼材料中加入玻璃鳞片的含量、尺寸对悬臂梁结构复合损耗因子的影响规律,为阻尼材料的改性及阻尼结构设计提供基础理论依据。结果表明,玻璃鳞片在聚氨酯阻尼树脂中呈定向排列,形成多层片层结构。随着玻璃鳞片的加入,通过玻璃鳞片和阻尼树脂之间的界面摩擦可消耗更多的能量,使得复合损耗因子变大,但过高的玻璃鳞片含量会限制其运动,从而导致复合损耗因子降低;当聚氨酯阻尼树脂中加入的玻璃鳞片的尺寸逐渐变大时,阻尼结构的复合损耗因子逐渐变大,且复合损耗因子增大的速度逐渐减小。     

基于振动梁法小弹性模量材料阻尼特性测试研究

振动梁法可以获取"金属层+阻尼层+金属层"三明治梁的结构损耗因子,进而求得阻尼材料的材料损耗因子。但是通过理论研究发现,当阻尼材料的弹性模量低于10 MPa时,在外载荷作用下,三明治梁的上下金属层对阻尼层产生明显的横向挤压,不满足振动梁法的理论假设。为此,提出一种仿真与试验相结合的方法获取了HT 800、Regufoam 2000和SR 450这三种小弹性模量阻尼材料的材料损耗因子。在试验部分,利用振动梁法获取三明治梁结构阻尼损耗因子,以此作为仿真中结构损耗因子的目标值。仿真部分,建立三明治梁有限元模型,通过不断改变材料损耗因子的输入值获取模型相应的结构损耗因子,直到仿真与试验结构损耗因子相等时,仿真中相应的材料损耗因子值即为小弹性模量阻尼材料损耗因子。该种测试方法为小弹性模态阻尼材料阻尼测试提供了参考。     

玻璃鳞片对聚氨酯复合结构的阻尼性能影响

填料对阻尼材料和结构的减振效果具有重要的影响,本文以聚氨酯阻尼材料、自由阻尼结构和约束型阻尼结构为研究对象,利用半功率带宽法,考察聚氨酯阻尼材料中加入玻璃鳞片的含量、尺寸对悬臂梁结构复合损耗因子的影响规律,为阻尼材料的改性及阻尼结构设计提供基础理论依据。结果表明,玻璃鳞片在聚氨酯阻尼树脂中呈定向排列,形成多层片层结构。随着玻璃鳞片的加入,通过玻璃鳞片和阻尼树脂之间的界面摩擦可消耗更多的能量,使得复合损耗因子变大,但过高的玻璃鳞片含量会限制其运动,从而导致复合损耗因子降低;当聚氨酯阻尼树脂中加入的玻璃鳞片的尺寸逐渐变大时,阻尼结构的复合损耗因子逐渐变大,且复合损耗因子增大的速度逐渐减小。     

影响约束阻尼结构阻尼性能的因素

采用自由梁振动法,研究阻尼层厚度、约束层材料及环境温度等三个变量,对约束阻尼结构阻尼性能的影响。结果表明：阻尼层厚度在1 mm～4 mm范围内,约束阻尼结构的阻尼性能随阻尼层厚度的增加而降低; 约束层材料分别为钢板、大理石板、砂浆板时,约束阻尼结构的阻尼性能不同;低温、高温环境均使约束阻尼结构阻尼值变小; 常温环境下,约束阻尼结构的阻尼值较大,复合损耗因子超过了0.154。     

周期性粘弹性复合圆柱壳的功率流

在振动和噪声控制工程中,人们广泛使用各种粘弹性阻尼材料,并将它们粘贴在结构上减少结构振动和噪声.本文研究在圆柱壳上周期性粘贴阻尼材料后,该复合圆柱壳中的波传播和功率流.分析结果表明阻尼层的刚度和损耗因子极大地影响圆柱壳中的波传播和功率流.对相同体积的阻尼材料,增加阻尼层的厚度可比增加阻尼层的长度更有利于减少功率流.     

流体载荷对水下自由阻尼板阻尼损耗因子的影响

结构的阻尼损耗因子是潜艇降低水下辐射噪声的重要参数。为此,采用谱有限元法以计算流体载荷作用下的自由阻尼板的结构损耗因子,探讨辐射损耗因子同功率转换系数间的关系;然后使用谱有限元法比较了含流体和不含流体的自由阻尼板的结构损耗因子的差异,使用能量法对相关计算结果进行验证;最后使用三维模型对流体载荷作用下的自由阻尼板的功率转换系数进行了计算,进而分析功率转换系数同阻尼层杨氏模量、阻尼层厚度、阻尼层材料损耗因子等参数的关系。研究发现：在低于第二阶弯曲波产生频率的频段范围内,无流体时的损耗因子小于有流体的自由阻尼板;从频段平均的角度来看,功率转换系数在低频存在较大峰值,在高频变化较为平缓且数值较小;实际潜艇在流体载荷下主要通过改变结构的阻尼来改变其辐射的阻尼损耗因子。分析结果对于潜艇结构阻尼的优化设计有参考价值。     

基于应变能分析的附加阻尼结构设计评价和准则优化方法

基于附加阻尼结构的模态应变能分析方法,对模态损耗因子关于附加阻尼的灵敏度和附加阻尼材料的相对利用效率进行了分析,并推导了以模态损耗因子最大为设计目标的附加阻尼层材料厚度分布的优化设计准则。对此推广,又进一步对强迫振动条件下结构的损耗因子关于附加阻尼的灵敏度和附加阻尼材料的相对利用效率进行了分析。由此,建立了一种分别根据自由振动模态和强迫振动响应对附加阻尼结构设计进行分析评价的方法。基于附加阻尼层材料厚度分布的优化设计准则,还给出了一个附加阻尼结构的迭代优化设计方法。通过对一个车身地板附加阻尼结构的计算分析,验证了提出的分析评价和优化设计方法的有效性。     

阻尼层合板中波传播性能研究

最近许多约束阻尼复合结构的研究中,阻尼层一般都选用粘弹性材料,由于粘弹性材料的刚度一般远小于约束层和基层的刚度,所以大部分研究都在计算和建模时,忽略粘弹材料的弯曲刚度,而不考虑阻尼层的外延和弯曲变形的影响。应用高阶理论研究了敷设具有一定刚度的蜂房型粘弹性材料的约束阻尼层合板结构动力学方程,探讨了复合层合板梁在振动情况时材料的弯曲刚度,剪切刚度对弯曲波在复合梁中传播的能量损耗影响,以及各层厚对层合板梁的阻尼性能的影响。     

湿热环境下玻/碳纤维混杂复合材料梁阻尼特性的细观力学分析

基于复合材料细观力学,利用能量耗散原理及宏观应变能法建立了湿热环境下玻/碳纤维混杂复合材料层合梁的阻尼预测模型。利用MATLAB软件编写了湿热环境下玻/碳纤维混杂复合材料损耗因子的计算程序,研究了纤维铺设角度、体积分数、铺层顺序以及湿热效应对玻/碳纤维混杂复合材料层合梁阻尼性能的影响规律。结果表明：湿热环境导致材料产生湿热应变是影响阻尼特性的主要机理;玻/碳纤维混杂复合材料层合梁的损耗因子均随温度及吸水浓度的增大而增大,且温度的影响远大于吸水浓度的影响;纤维体积分数越高,受湿热影响程度越大;铺层角度对损耗因子影响远高于湿热、混杂方式、纤维体积分数的影响。     

苎麻纤维布和玻璃纤维布混杂铺层复合材料的力学性能

利用真空吸注成型(vacuum resin absorbable molding,VRAM)工艺制备苎麻纤维布与玻璃纤维布混杂铺层的环氧树脂基复合材料。测定复合材料的损耗因子、储能模量的温度谱和力学性能;利用单悬臂梁共振实验测量复合材料的共振频率和自由振动衰减曲线并计算出了阻尼因子。用有限元软件对其共振频率和自由振动衰减实验进行仿真分析。结果表明:通过苎麻纤维布/玻璃纤维布的混杂铺层,能够实现材料阻尼性能和力学性能的可控调节,充分发挥复合材料可设计性强的优势。其中RGR铺层的复合材料的损耗因子比纯玻璃纤维板提高了1.4倍,而拉伸强度比纯苎麻纤维板提高了3倍多;自由振动的有限元模拟曲线和实验曲线基本吻合,表明可以通过模拟软件实现复合材料的虚拟振动测试,从而为材料性能预测和设计提供方便。     

横向剪切及伸缩变形对层合板振动特性的影响分析

针对层合板振动特性问题,基于广义谱方法和微分求积法建立了一种适用一般边界条件和铺层方式的三维解法。验证结果表明该方法具有良好的收敛速度和计算精度。系统分析了不同边界条件和铺层方式下横向剪切及伸缩变形对层合板振动特性的影响。分析结果表明:①横向剪切变形对层合板固有频率的影响非常显著,且随厚度比增加而加剧;②横向伸缩变形对各铺层材料参数相同的层合板的固有频率影响不大,而对于各铺层材料性质差异明显的层合板,其影响非常显著,且随厚度比增加而加剧。     

无纺布插层共固化双马树脂基复合材料的力学和阻尼性能

利用尼龙无纺布(PNF)和芳纶无纺布(ANF)为插层材料,采用共固化工艺制备了结构阻尼复合材料。利用动态力学分析仪测试并分析了复合材料的损耗因子和储能模量等动态力学指标;通过弯曲实验和短梁剪切实验评价其静态力学性能。此外,通过单悬臂梁强迫共振实验和自由振动衰减实验研究了复合材料层合板的共振频率和损耗因子。结果表明,添加2种无纺布能够与基体树脂在层间形成非反应双连续的相结构,插入ANF的[0°]16铺层复合材料归一化的弯曲强度和模量比空白样品提高了约10%,[±45°]4s铺层复合材料的弯曲强度提高约50%,且均高于插入PNF的复合材料。此外,由于层间富树脂区的形成和界面数目的增加提高了共固化复合材料的阻尼性能,插入15层PNF的[0°]16铺层复合材料的损耗因子达到0.0026,比空白样品提高了约116.7%,[±45°]4s铺层复合材料的损耗因子达到0.0064,比空白样品提高了约14.3%。