含弹性约束复合阻尼板的振动机理与特性

针对汽车车身减振降噪需求,开发新型复合黏弹性阻尼材料。基于经典的自由阻尼和约束阻尼耗能原理,提出了一种含弹性约束的具有剪切和弯曲复合耗能机制的复合阻尼层结构。基于层间位移连续关系和薄板理论建立了阻尼复合板的位移方程和应变能能量方程,针对局部阻尼敷设及四边简支边界条件,结合假设模态法,推导出了复合阻尼板的运动微分方程、振动频率特征值方程等,求解得到了复合阻尼板的固有频率及损耗因子。复合阻尼层可用于研究单相材料不同参数特性及多相材料性能对比,且随着弹性层的上移,减振性能越好。复合耗能机理公式的推导,也为其在汽车上应用提供理论依据。     

基于渐进法的约束阻尼结构拓扑多目标动力学优化

为实现阻尼结构减振优化,从阻尼材料的力学本构出发,基于虚功原理建立了约束阻尼板动力学平衡方程,从阻尼耗能角度推导出模态损耗因子解析计算式。构建了以模态损耗因子最大且模态频率变动最小为目标、以阻尼材料用量为约束的阻尼板多目标优化数学模型。在对模态损耗因子及模态频率灵敏度进行推导的基础上,构建了归一化复合灵敏度算式,并引入拓扑渐进法求解优化模型。编制出阻尼板渐近法优化程序,并对阻尼板进行了优化仿真。结果显示,采用多目标拓扑渐进优化,既能大幅提高阻尼材料的减振效能,又能保证阻尼板频率特性的稳定,且可较大幅度地降低阻尼材料用量。对阻尼板进行了谐响应分析,验证了优化结果的有效性。该优化法在对结构动力学特性有严格要求的减振设计中存在应用前景。     

含主动约束阻尼悬臂梁两种减振机理的模拟

以部分贴敷主动约束阻尼（active constrained layer damping，简称ACLD）悬臂梁为对象，研究了其所包含的两种减振机理的模拟方法。首先，通过分析ACLD结构的受力及变形，描述了ACLD减振中所包含的黏弹性层剪切耗能和压电层反相阻滞作用两种减振机理；其次，将黏弹性剪切变形体现在形函数中，再结合压电方程与力学公式推导出压电阻滞力，创建了包含两种减振机理的ACLD处理复合梁的动力学模型；最后，通过组建的ACLD悬臂梁减振实验系统对仿真分析结果进行了验证，同时对比分析了仅包含被动约束阻尼或压电反相阻滞单一减振机制以及ACLD处理时复合梁的时域响应。结果表明：仿真计算与实验值的最大偏差为18.6%，证明了所创建的包含两种减振机理分析模型的合理性；ACLD由于同时包含两种减振机理，其减振效果要优于单一的振动控制方法。     

考虑层间变形的约束阻尼圆柱壳振动特性分析

在约束阻尼减振结构中，中间的黏弹性层主要依靠基体及约束层的交错运动产生剪切变形而消耗能量，因而这种层间变形关系需要被有效引入以提升建模精度，为此采用有限元法对局部贴敷约束阻尼层圆柱壳进行了动力学建模方法研究。首先，基于Donnell''s薄壳理论，在考虑各层之间变形关系的基础上，推导了复合单元的刚度及质量矩阵；其次，构造了一种过渡单元来连接复合壳单元和仅有基体的单层单元，实现了局部贴敷约束阻尼层圆柱壳总刚度及总质量矩阵的有效组集；然后，在考虑复合圆柱壳弹性约束边界条件的基础上，确定了复合壳的运动方程，并给出了求解振动特性的公式；最后，进行了实例研究，通过与实验和ANSYS仿真结果的对比，验证了所提有限元模型的正确性，并进一步分析了约束层、阻尼层厚度变化对复合圆柱壳振动和阻尼特性的影响。     

机敏约束层阻尼薄板有限元建模与实验研究

基于Kichhoff薄板理论,考虑基层、粘弹性层和压电层的耦合运动及位移协调关系,采用有限元法建立了机敏约束层阻尼结构的单元动力学方程。在单元组集后的系统总动力学方程中将基层的弹性结构阻尼以比例阻尼的形式给出,同时为表征粘弹性材料随温度、频率变化的力学特性,结合GHM(GollaHughes-Mctavish)模型推导出了结构的有限元总动力学分析方程。以局部覆盖机敏约束层阻尼的对边固支板铝板为实例,通过动力学参数理论计算与模态试验对比分析,结果表明:考虑基层阻尼后的分析结果明显好于不考虑基层阻尼的分析结果,与实验更接近;在总动力学方程中引入GHM模型,可以用相对较少的耗散自由度得到较准确的有限元动力学模型,减少了计算工作量。     

局部粘弹性被动约束阻尼梁的振动分析

针对夹层约束阻尼梁结构的减振特性进行深入研究.应用粘弹性材料的耗能原理结合模态应变能法对局部粘弹性被动约束阻尼简支梁的振动特性进行数值分析,对梁铺设阻尼层前后的时域和频域特性分别进行比较,可以得出约束阻尼梁的振动得到有效抑制,同时看到模态应变能法对板梁结构的分析更便捷.     

黏弹性阻尼减振技术及其在梁类结构中的应用

对因结构特点或工作环境所限不能采用主动振动控制的结构,采用阻尼被动振动控制具有简单易行且可靠的优势.在对黏弹性阻尼材料黏弹特性进行分析的基础上,利用其耗能原理,建立约束阻尼层梁的动态有限元模型,并基于小变形线弹性理论对阻尼夹芯梁进行ABAQUS有限元仿真模拟.模拟结果表明,约束阻尼减振比自由阻尼减振更适合于梁类结构,合理设计阻尼层厚度可以在较短时间内消耗掉输入的振动能量,使结构振动减弱甚至趋于静止.所设计的环形夹芯约束层可以解决梁因中间添加较软黏弹阻尼层而造成的层间大变形错位以及刚度的削弱.     

约束阻尼板双线性材料插值法拓扑动力学优化

为减小阻尼板质量并提高减振性能,研究了结构动力学优化技术。构建了以移动常数与模态损耗因子差值为目标、阻尼层单元密度为拓扑变量、阻尼层体积用量及振动模态频率为约束的阻尼板优化模型。利用序列凸规划法构造目标函数的凸性逼近式,采用拉格朗日乘子法解算逼近函数,以获取全局优化的阻尼层布局。利用模态损耗因子与模态应变能的本构关系推导目标函数关于拓扑设计变量的灵敏度,基于K-T条件构造拓扑变量迭代式。引入双线性插值函数惩罚拓扑变量并使其值聚集于0或1,编写并实现了悬臂阻尼板优化程序。当阻尼层体积用量控制在50%时,1阶模态损耗因子增大52.29%,灰度单元占比1.78%。阻尼板谐响应分析表明优化构形具良好减振特性。双线性插值优化既能充分发挥阻尼层的耗能效力又可大幅减少灰度阻尼单元数。     

层间过渡约束阻尼梁有限元建模与振动-阻尼特性分析

三层约束阻尼结构常被用于工程结构的减振降噪设计中,为了增加其抗振性能,可在黏弹层和基层中间加入一层"过渡层",从而构成一种新的层间过渡约束阻尼结构。基于一阶剪切变形理论和哈密顿原理建立有限元模型,对该结构进行相应的振动和阻尼特性分析。为验证该模型正确性,与解析解进行对比,二者计算结果吻合良好。以悬臂阻尼梁为例,与传统的约束阻尼梁进行对比,计算结果表明增加"过渡层"可以增大结构的损耗因子,进而提高减振耗能效果。同时还讨论了过渡层的材料如何选择以及其参数对系统的固有频率和损耗因子的影响,为进一步的优化工作及实际工程应用提供了一定的参考。     

阻尼层厚度对复合材料夹芯板自由振动的影响

由于夹芯层的高阻尼结构,复合材料夹芯板结构具有较好的减振降噪的作用,因此在高端科技中得到大量的应用。基于经典板理论推导了复合材料夹芯板的振动平衡方程,首先通过实例验证了所推导的平衡方程的正确性,其次分两种情况研究了阻尼层厚度对复合材料夹芯板的自由振动的影响,结果表明:弹性层不变和总厚度不变两种情况下,随着阻尼层厚度的增大,前四阶固有频率逐渐降低,损耗因子值逐渐增大,并且后一种情况下更易获得较大的损耗因子值。     

含弹性约束复合阻尼板的振动机理与特性

为了实现对磁致伸缩和压电材料迟滞特性的描述,建立高精度前馈补偿系统,对Preisach模型一阶回转曲线的预测方法进行了研究。首先,介绍了一阶回转曲线及经典插法预测一阶回转曲线的基本原理,着重指出线性经典插值法对Preisach模型一阶回转曲线的预测存在不足;其次,在此基础上,利用非线性变换的思想,提出了辅助线法预测一阶回转曲线;最后,实验比较了超磁致伸缩材料（giant magnetostrictive material,简称GMM）与压电陶瓷（piezoelectric ceramic transducer,简称PZT）两种迟滞情况下,辅助线法和经典插值法对迟滞一阶回转曲线的预测结果。实验结果表明：在GMM迟滞下,对任意一阶回转曲线的预测数据,辅助线法的均方根误差（root mean square error,简称RMSE）最大减少为经典插值法的14.22％;对所有预测数据,辅助线法的RMSE减少为经典插值法的29.42％;在PZT迟滞下,对任意一阶回转曲线的预测数据,辅助线法的RMSE最大减少为经典插值法的18.18％;对所有预测数据,辅助线法的RMSE减少为经典插值法的41.07％。辅助线法对一阶回转曲线的预测精度整体高于经典插值法,且迟滞效应的非线性误差越高,预测精度较经典插值法越优异。     

波在薄圆盘粘弹性波导吸振器中传播及耗能研究

基于经典薄板理论,建立圆盘动力学方程,在粘弹性材料本构关系基础上,研究柱波在薄圆盘粘弹性波导吸振器中传播和耗能规律;并讨论了振劝能量耗散民圆盘几何参数,材料参数及振动波频率的关系,研究及计算机仿真表明圆盘粘弹性波导吸振器具有较好的减振效果。     

基于扫频响应反推黏弹性材料分数阶导数模型

提出了基于测试获得的扫频响应反推黏弹性材料分数阶导数模型参数的方法。在同时考虑黏弹性材料阻尼和剩余等效黏性阻尼的基础上,建立了基础激励作用下黏弹性复合板动力学方程,给出了求解振动响应的方法。提出利用基于灵敏度的匹配计算实现分数阶导数模型参数辨识的方法。以贴敷ZN-1型黏弹性材料的悬臂钛板为例,辨识得到了该黏弹性材料的分数阶导数模型。将结果代入到黏弹性阻尼板振动响应分析模型中,通过理论与实验的对比,证明了辨识参数的合理性。     

带气膜阻尼悬臂平板的振动特性研究

针对航空发动机叶片振动疲劳损伤问题,建立了带振动能量耗散机制的气膜阻尼理论模型.将气膜内气体的流动分别等效为牛顿流体的流动和泊肃叶流体的流动,推导出气膜阻尼结构的阻尼比方程,研究了带气膜阻尼悬臂平板的振动特性.目的是为航空发动机风扇叶片气膜阻尼的结构设计提供理论依据和技术支撑.结果表明:泊肃叶流体能够考虑更多的振动能量...     

阻尼合金非线性本构关系及其在弹性机构动力学中的应用

对所开发的阻尼合金材料,测量其在不同力幅脉冲激励下的响应,发现其损耗因子随着应变值的上升而增大。在对多种拟合模型比较基础上,选取二次曲线函数描述该阻尼合金的比阻尼能力随应变的变化规律。将所得变化规律与等效粘性阻尼理论相结合,给出了一种依赖于应变和频率的非线性阻尼本构关系式。根据变形体虚功原理,导出了包含该非线性阻尼关系的弹性连杆机构系统运动微分方程。将状态变量法与Pade逼近法相结合,给出了一种求解该复杂非线性系统的数值算法。数值计算与试验结果吻合,表明了所提理论方法的正确性和有效性。     

Dynamics of a viscoelastic rotor shaft using augmenting thermodynamic fields—A finite element approach

Modelling viscoelastic materials is always difficult since such materials store energy as well as dissipate it to the thermal domain. Whereas modelling the elastic behaviour is easy, modelling the energy dissipation mechanism poses difficulty. This paper presents a theoretical study of the dynamics of a viscoelastic rotor-shaft system, where the internal material damping in the rotor-shaft introduces a rotary force well known to cause instability of the rotor-shaft system. An efficient modelling technique that assumes coupled (thermo-mechanical) augmenting thermodynamic field (ATF) to derive the constitutive relationships is found more suitable in comparison with the viscous and hysteric damping models, and is used to model the viscoelastic rotor material. Dynamic behaviour of an aluminium rotor is predicted through viscoelastic modelling of the continuum to take into account the effect of internal material damping. Stability limit speed (SLS) and unbalance response (UBR) amplitude are used as two indices to study the dynamics. It is observed that, the ATF approach predicts more reliable SLS and UBR amplitude in comparison with the viscous and hysteretic model of rotor-internal damping. Composite rotor-shaft assumed by reinforcing the aluminium matrix with carbon fibre is found to postpone the critical speeds and thus make available, higher speed of rotor operation and lower UBR amplitude in comparison with pure aluminium rotor-shaft. Finite element method is used for modelling and analysis.     

含SMA约束层的复合材料矩形板的阻尼能力分析

研究由形状记忆合(shape memory alloy，简写为SMA)SMA约束层、SMA纤维混杂叠层材料构成的复合材料矩形板的阻尼性能。采用多胞模型和细观力学阻尼分析方法，分别预测叠层复合材料单层的弹性性能和阻尼性能，在叠层材料中计入横向剪切变形的影响。在导出矩形板的应变能和耗散能的基础上，根据最大应变能理论建立板的模态阻尼比的数学表达式。数值结果表明，文中提出的含有SMA约束层的SMA纤维叠层复合材料的集成阻尼设计方法，是一种有效的阻尼增强方案。     

振幅对金属橡胶材料疲劳寿命的影响分析

对设计制作的固支圆盘形金属橡胶试件进行了疲劳试验,研究了振幅对金属橡胶材料疲劳寿命的影响。提出了割线刚度和等效黏性阻尼系数两个疲劳参数,分析了疲劳加载过程中承载能力和耗能能力随振动周次的变化趋势,并以疲劳参数为基础建立了金属橡胶材料疲劳损伤与振动周次的数学模型。结果表明,小振幅的初始稳定加载有助于改善金属丝线的力学特性,提高金属橡胶材料的承载能力和耗能能力,而振幅的增大会导致金属橡胶材料疲劳寿命的迅速缩短。     

Nonlinear transient response analysis for double walls with a porous material supported by nonlinear springs using FEM and MSKE method

In this paper, we newly propose a fast computation method for the nonlinear transient responses including coupling between nonlinear springs and sound proof structures having porous materials using FEM. In this method, we extend our numerical method named as Modal Strain and Kinetic Method (i.e. MSKE method proposed previously by Yamaguchi who is one of the authors) from linear damping analysis to nonlinear dynamic analysis. We assume that the restoring force of the spring has cubic nonlinearity and linear hysteresis damping. To calculate damping properties for soundproof structures including elastic body, viscoelastic body and porous body, displacement vectors as common unknown variable are solved under coupled condition. The damped sound fields in the porous materials are defined by complex effective density and complex bulk modulus. The discrete equations in physical coordinate for this system are transformed into nonlinear ordinary coupled differential equations using normal coordinates corresponding to linear natural modes. Further, using MSKE method, modal damping can be derived approximately under coupled conditions between hysteresis damping of viscoelastic materials, damping of the springs and damping due to flow resistance in porous materials. The modal damping is used for the nonlinear differential equation to compute nonlinear transient responses.Moreover, using the proposed method, we demonstrate new vibration phenomena including nonlinear coupling between nonlinear springs and soundproof structures by use of a simplified model. As a typical numerical example of the soundproof structure, we adopt double walls with a porous material. The double walls are supported by nonlinear concentrated springs. We clarify influences of amplitude of the impact force on nonlinear transient responses. We focused on the vibration modes, which magnify the amplitudes of the double walls. In these modes, the internal air of the porous material played a role of a pneumatic spring. Under a very large impact force as a severe condition, there exist the complicated nonlinear couplings between these modes and the super harmonic components of the rigid modes of the whole structure with large deformations in the nonlinear springs.