金属阻尼材料研究的新进展及发展方向

金属阻尼材料是一种用来减振和降噪的结构功能一体化材料,主要包括阻尼合金、阻尼金属基复合材料和泡沫金属.介绍了各种金属阻尼材料的阻尼机制,综述了现有金属阻尼材料存在的问题及其研究进展,在此基础上提出未来金属阻尼材料的研究方向是探索新的阻尼机制和开发高阻尼金属基复合材料.     

FRP的共固化阻尼改性

在结构材料中添加粘弹性阻尼材料能够很好的降低结构的振动响应,延长机器的使用寿命,这一点已事实证明。本文使用纤维增强复合材料与内夹的粘弹性阻尼层进行共固化处理,采用阻尼层穿孔的方法,考察了阻尼层的铺设面积比对共固化复合材料动、静态力学性能的影响规律。实验结果表明,阻尼层的穿孔率在0%～8%之间变化时,对复合材料的力学性能影响最大,增大穿孔率会使复合材料阻尼性能下降,静力学性能提高,减小穿孔率则相反。     

高阻尼铝基复合材料的研究

采用包套挤压法制备了高阻尼6061Al/SiCp/ 石墨混杂金属基复合材料,并对所制备的复合材料的金相组织、力学和阻尼特性进行了初步分析。包套挤压法制备的6061Al/SiCp/石墨混杂金属基复合中增强增阻颗粒分布均匀,其体积分数可精确控制。SiC颗粒作为增强剂能够增大复合材料的强度和刚度,而石墨粉作为增阻剂可以提高复合材料的阻尼特性。试验结果表明,能够应用包套挤压法制备力学性能和阻尼特性符合定要求的新型结构－功能材料－6061Al/SiCp/石墨混杂金属基复合材料。     

复合材料夹杂双层粘弹性材料的应变能和阻尼性能分析

分析了复合材料夹杂双层粘弹性阻尼材料组成的对称夹层板的线性弯曲,其中夹杂的粘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板为例,计算并分析了复合材料层和粘弹性层的应变能以及复合结构的损耗因子。结果表明:复合材料层中的面内应变能占主要地位;粘弹性层中的xz方向和yz方向的切应力应变能较大;芯层的应变能很小。     

频率相关自由阻尼层复合材料加筋板动力分析

采用子空间迭代法和精细积分对敷设粘弹性阻尼层的含损伤复合材料加筋板结构进行了频率和动力响应分析。分析中对层合板和层合梁采用了Adams应变能法与Raleigh阻尼模型相结合的阻尼矩阵构造方法;对表面粘弹性阻尼材料则考虑了材料性质和耗散系数对激振频率与温度的依赖性,建立了频率相关粘弹性材料阻尼矩阵的计算方法。通过有限元分析,分别研究了敷设自由阻尼层无损伤和含分层损伤复合材料加筋板的自振频率和模态特征,并根据幅频曲线讨论了阻尼材料模量、耗散系数和阻尼层厚度等因素对结构响应的影响,提出的计算方法对通过合理选择阻尼层材料与几何参数来有效地控制加筋板结构的振动特性,具有一定的参考价值。     

粘弹阻尼层共固化复合材料的阻尼特征分析

利用动态力学热分析技术(DMTA)测试了粘弹性阻尼材料在与复合材料共固化前后的动态力学性能,并利用有限元分析方法考察了复合材料共固化、粘弹性阻尼层的厚度以及复合材料柔性层对共固化复合材料的阻尼特征的影响.结果表明,复合材料共固化过程中由于树脂渗透等原因,共固化复合材料的阻尼峰值仅为理想状态的54%左右且阻尼峰值所对应的温度向高温方向移动;增加粘弹性阻尼层的厚度以及在阻尼层附近插入柔性层不仅可以提高粘弹阻尼层共固化复合材料的阻尼峰值,而且可拓宽共固化复合材料的阻尼温域.     

附面阻尼随频率变化的复合材料层合结构随机振动分析

提出了敷设粘弹性阻尼层的复合材料层合结构随机振动分析的高效精确算法.考虑了粘弹性阻尼材料对激振频率的依赖性及Adams提出的复合材料层合结构的阻尼模型.为解决依赖频率变化的非经典阻尼的复杂结构,结合实模态降阶直接解法对虚拟激励法做了相应的发展,精确求解了降阶后的随机振动方程.以国产有限元程序系统DDJ为平台开发了相应的程序,并对波音737客机的水平尾翼的复合材料安定面结构进行模拟研究,从复杂的计算及合理的结论可以看出,本文中所提出的方法对复合材料的随机振动分析十分有效.     

基于Layerwise理论的共固化粘弹阻尼复合材料动特性分析

共固化粘弹性复合材料兼具结构承载和阻尼减振功能。针对传统的混合单元法在应用于粘弹性夹层复合材料结构阻尼性能分析时存在着前处理困难、计算规模大、精度低以及难以考虑正交各向异性铺层自身损耗能力的缺点,推导了一种基于Layerwise离散层理论的四节点四边形复合材料层合板单元,并利用直接复特征值解法建立了共固化粘弹性复合材料结构的阻尼性能分析方法。将该方法应用于不同的阻尼结构,分析结果与文献中已公开结果和混合单元法的计算结果进行了对比验证。结果表明,基于离散层理论的层合板单元具有计算精度高、前处理建模简单和计算规模小的优点,可有效应用于复杂共固化粘弹性复合材料结构的阻尼性能分析和设计。     

戴新进, 林家浩, 陈浩然

提出了敷设粘弹性阻尼层的复合材料层合结构随机振动分析的高效精确算法。考虑了粘弹性阻尼材料对激振频率的依赖性及Adams 提出的复合材料层合结构的阻尼模型。为解决依赖频率变化的非经典阻尼的复杂结构, 结合实模态降阶直接解法对虚拟激励法做了相应的发展, 精确求解了降阶后的随机振动方程。以国产有限元程序系统DDJ 为平台开发了相应的程序,并对波音737 客机的水平尾翼的复合材料安定面结构进行模拟研究,从复杂的计算及合理的结论可以看出, 本文中所提出的方法对复合材料的随机振动分析十分有效。      

空心微珠/金属基复合泡沫制备方法与吸能性能的研究进展

金属基复合泡沫是由空心微珠和金属基体复合而成的一种新型结构功能多孔复合材料。它具有许多优异的性能,如轻质、高比强度、高比刚度、高吸能能力、隔热、吸声隔音及电磁屏蔽等,高吸能能力是金属基复合泡沫的突出特点,在防撞、减振、缓冲及防爆抗振的汽车、航空航天、军事装备及船舶等领域具有广阔的应用前景。本文对金属基复合泡沫的基体材料、空心微珠填充材料、影响金属基复合泡沫压缩吸能性能的因素及压缩吸能机制进行了概述,重点报道了金属基复合泡沫常用的制备工艺及近年来铝基、镁基、锌基及钢基复合泡沫吸能性能的研究进展,分析了当前研究中存在的一些问题,并对金属基复合泡沫的应用现状作了阐述,最后展望了金属基复合泡沫的研究发展趋势。      

Damping behavior of Al/SiCP multilayer composite manufactured by roll bonding

High damping materials comprising good mechanical properties as structural materials and high damping capacity for vibration loading are the best solutions for vibration problem. In current study, functionally graded material from composite sheets with different percentages of reinforcement was manufactured by hot rolling process. The damping behavior of base alloy composite including different percentages of SiC particles and Al/SiC_P multilayer composite sheets was studied at room temperature conditions. The Al/SiC_P composites were found to exhibit higher damping capacity compared to Al alloy. The damping capacity increased by increase in the percentage of reinforcement. Furthermore, Al/SiC_P multilayer composite sheet provided higher damping capacity in comparison to Al alloy. Therefore, damping capacity enhanced by increasing the number of layers. The main source for damping behavior in composite materials is dislocation damping whereas in stepwise multilayer composite sheets, it comes from boundary conditions between layers.     

SMA混杂复合材料单层的被动阻尼

由形状记忆合金纤维、普通纤维、基体构成的混杂复合材料是一类用途广泛的智能材料结构系统。阻尼性能研究是结构被动振动控制的一项重要研究内容。本文采用混杂复合材料阻尼预测的细观力学理论计算SMA纤维混杂复合材料单层的阻尼特性。首先计算包含普通纤维和基体材料的复合材料介质的阻尼性能,其次计算由横观各向同性介质和SMA纤维构成的混杂材料的阻尼性能。通过计算实例分析SMA纤维混杂复合材料单层的正轴阻尼特性及其偏轴阻尼的特性随SMA纤维体积含量、纤维铺设角等参数改变的规律。     

低密阻尼金属/金属复合体材料的组织与性能研究

采用快速凝固／粉末冶金法成功地研制出Ａｌ－７．０９％Ｆｅ－１．３４％Ｍｏ－１．４５％Ｓｉ（ＦＭＳ０７１４）合金及其金属／金属复合体材料ＦＭＳ０７１４／１５％Ａｌ和ＦＭＳ０７１４／１０％（Ｚｎ－３０％Ａｌ）,考察了其组织、拉伸性能、阻尼性能和密度,产散锻铝ＬＤ７ＣＳ合金进行了对比。结果表明：ＦＭＳ０７１４合金本身就具有较好的拉伸与阻尼性能。添加纯Ａｌ和Ｚｎ－３０％Ａｌ合金粉均使其强度下降,而 ＦＭＷ     

Deformation of extreme viscoelastic metals and composites

The figure of merit for structural damping and damping layer applications is the product of stiffness E and damping tan δ. For most materials, even practical polymer damping layers, E tan δ is less than 0.6 GPa. We consider several methods to achieve high values of this figure of merit: high damping metals, metal matrix composites and composites containing constituents of negative stiffness. As for high damping metals, damping of polycrystalline zinc was determined and compared with InSn studied earlier. Damping of Zn is less dependent on frequency than that of InSn, so Zn is superior at high frequency. High damping and large stiffness anomalies are possible in viscoelastic composites with inclusions of negative stiffness. Negative stiffness entails a reversal of the usual directional relationship between force and displacement in deformed objects. An isolated object with negative stiffness is unstable, but an inclusion embedded in a composite matrix can be stabilized under some circumstances. Ferroelastic domains in the vicinity of a phase transition can exhibit a region of negative stiffness. Metal matrix composites containing vanadium dioxide were prepared and studied. The concentration of embedded particles was sensitive to the processing method.     

多层阻尼复合结构阻尼性能

制备了多层阻尼复合结构, 应用有限元方法对多层复合结构阻尼性能进行了理论研究。计算结果与实验结果基本一致。利用该有限元模型分析了各层阻尼材料的几何及物理参数对复合结构阻尼性能的影响。分析表明: 阻尼材料的厚度、损耗因子和弹性模量对阻尼复合结构阻尼性能有较大影响, 而阻尼材料的密度对阻尼复合结构阻尼性能的影响不明显。      

Experimental evaluation of dynamic behavior of metallic plates reinforced by polymer matrix composites

The applications of composite materials have become common in different industries. These materials introduce lower weight, high strength, and viscoelastic properties. Although composite materials offer many advantages in the designing and manufacturing of structures, they cannot replace the wide range of using metallic materials. Most of the industries especially aerospace try to use composite materials together with metal advantages in order to design a safe and optimized structure. The offshore structure can be reinforced and repaired with composite layers. In this research, the effects of composite reinforcement on the dynamic behavior of metallic plates are studied. Several panels are treated with different lay-ups and the modal testing was conducted to evaluate the effect of such treatments. This reinforcing can change both stiffness and damping properties of structures.

The stiffness properties of such reinforced plates can be influenced by fiber properties, while the damping properties come from the viscoelastic property of the matrix. Modal testing is applied to the specimens and the modal parameters are derived experimentally. This study shows that using composite material can modify both stiffness and damping characteristics.     

复合阻尼结构及其阻尼性能

新近出现的几种复合阻尼结构表明,有限各类的阻尼材料,经过简单的物理组合,能满足各种各样的阻尼要求,这类复合阻尼结构正引起科技界的广泛关注。然而,作为一项新技术,它尚缺少相应的理论作指导,因此,对该技术进行研究是必要的和及时的。本文介绍了几种典型的复合阻尼结构,并用振动控制理论对其中的一些结构进行了分析。     

Effect of core thickness on wave number and damping properties in sandwich composites

Due to their higher strength-to-weight and stiffness-to-weight ratios compared to metals, fiber reinforced composite materials are a great alternative for use in many structural applications. However these properties lead to poor acoustic performance as composite materials are excellent noise radiators. This is particularly true for sandwich composite structures. Therefore the focus of this study is to investigate the effect of a core thickness change on the vibrational properties of Rohacell foam/carbon-fiber face sheet sandwich composite beams. Four different foam core thicknesses were explored, using a combination of experimental and analytical methods to characterize sound and vibrational properties of the sandwich beams. First, the wave number responses of the beams were obtained, from which coincidence frequencies were identified. Second, from the frequency response functions the structural damping loss factor, η, was determined using the half-power bandwidth method. Experimental and analytical results show that the relationship between core thickness and coincidence frequency is non-linear. A drastic increase in coincidence frequency was observed for the sandwich beam with the thinnest core thickness due to the low bending stiffness. Moreover this low bending stiffness results in low damping values, and consequently high wave number amplitude responses at low frequency ranges (<1000 Hz).     

简谐激励下阻尼复合结构多尺度拓扑优化设计

目的 为得到抗振性能良好的板壳结构,保证设备的正常工作,文中提出一种板壳阻尼复合结构多尺度优化设计方法。方法 以动柔度为目标,建立频域激励下和固定频率点激励下板壳阻尼复合结构中阻尼材料宏观分布和微结构协同设计的多尺度问题的数学模型,推导目标函数和约束条件对设计变量的灵敏度,并基于移动渐近线法求解优化数学模型。结果 所提多尺度设计方法可以有效获得板壳结构最优阻尼材料宏观布局和最优阻尼复合材料微结构构型,提高了结构的动力学性能,同时结果也表明涂敷阻尼复合材料结构的振动响应相较于仅涂敷单一阻尼材料的振动响应大幅减小。结论 研究表明,不同激励频率下阻尼材料的宏观分布形态不同,阻尼材料主要分布于结构模态振型位移的最大处和支撑端,通过加强结构的刚度,抑制了结构变形,减小了振动响应。微结构构型基本类似,其基本形态都是低刚度、高阻尼材料呈条状分布,条状分布的阻尼复合材料微结构在受弯方向上的刚度较大,可以有效抵制结构的弯曲变形。     

夹芯复合材料阻尼性能的研究进展

随着航空航天轻质高速化和精密仪器设备自动化的发展,振动问题日益凸显.夹芯复合材料比强度高、比模量大、减振性能优良,兼具结构和功能一体化的特性,成为航空航天领域研究的热点.从复合材料基体、增强体、界面3个方面阐述了复合材料的减振机理,介绍了目前研究热门的夹芯结构以及芯材、面板、结合界面及其相互作用对阻尼性能的影响规律,概述了夹芯复合材料阻尼改性的研究现状,最后对夹芯复合材料阻尼的研究方向进行了展望.