粘弹阻尼材料性能及其约束阻尼结构的动态性能研究

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粘弹阻尼材料与基层、约束层构成的约束阻尼结构是结构减振降噪的有效方式,因此对其动态性能的研究尤为重要。本文进行了一种改性聚氨酯粘弹阻尼材料(以下简称粘弹阻尼材料)的基本性能、动态力学性能表征和MATLAB数据拟合,设计了在ANSYS有限元环境中考虑频率迭代的模态应变能有限元分析法,进而通过有限元分析结合实验研究的方法研究了约束阻尼结构的动态力学性能,并讨论了主要影响因素对结构动态特性的影响规律。本文主要研究结论如下:第一、粘弹阻尼材料的基本性能研究表明,所试粘弹阻尼材料的密度为0.9625g/cm3,密度较小,对原始振动方式影响小;材料凝胶时间、表干时间、实干时间分别为为158s、46min、178min,固含量为92.71%,是一种快速固化型、高固含量环保材料;硬度为邵A30,拉伸强度和断裂伸长率分别为8MPa和360%,具有适宜的交联密度。第二、粘弹阻尼材料的阻尼性能研究表明,通过动态热机械分析(DMA),所试粘弹阻尼材料在实验扫频下的玻璃态转变温度(Tg)为20℃C~40℃,损耗因子峰值大于0.7。同一频率下,随温度升高储能模量降低,损耗因子先增后减,Tg时达到峰值;同一温度下,频率越高,储能模量越高,Tg越高,损耗因子峰值越大。利用MATLAB对DMA测试数据拟合得函数表达式,储能模量-频率拟合和方差为1.319,方程确定系数值为0.9998。损耗因子-频率拟合残差平方值为0.0001103,方程确定系数值为0.9996,拟合精确度很高。第三、有限元分析表明,未考虑温频迭代的模态应变能法本身即具有较高的精度,固有频率最大误差为0.038,损耗因子最大误差为0.127;利用基于模态应变能有限元分析的迭代法所得实验模型前五阶固有频率分别为46.90Hz、104.32Hz、202.57Hz、355.83Hz、452.90Hz,损耗因子分别为0.138、0.139、0.144、0.143、0.141。第四、模态振动实验的阻尼研究表明,结构前五阶频率分别为45Hz、90Hz、180-190Hz、370-380Hz、482/466Hz,前五阶损耗因子为0.120~0.123、0.122、0.124~0.127、0.123~0.126、0.123。模态振动实验的自谱分析得出结构在0~1000Hz内在45Hz、190Hz处频率最强,最易发生共振。实验模型有限元分析与模态振动实验有较高的吻合度。两者前五阶固有频率低阶下完全吻合,高阶差值在20Hz以内;两者前五阶损耗因子差值小于0.02。第五、边界条件、外界温度、阻尼层厚度及刚度、约束层厚度及刚度均对约束阻尼结构动态性能产生较大影响。不同边界条件下,边界约束处和振型位移峰值处阻尼层应变能较小,而振型位移零点处应变能较大。随边界约束层数加大结构各阶固有频率和损耗因子随之增加;边界约束越强,固有频率越大,损耗因子越小。对于同一阻尼层厚度的结构,温度增加,固有频率逐渐降低,损耗因子先增大后减小,Tg时达到峰值。对于不同阻尼层厚度的结构,在低于Tg的温度区域中,厚度越大,频率越大,温度高于Tg后,厚度对频率的影响较小;损耗因子随厚度增加而增加。随阻尼层厚度增加,各阶固有频率、损耗因子均增大,增长率逐渐降低。随阻尼层刚度增大,各阶固有频率增大,增长率降低,损耗因子值先增大后减小。随约束层厚度、刚度增大,各阶固有频率和损耗因子均增加,增长率逐渐减小通过上述理论分析、仿真模拟和实验研究,探讨了一种具有较高精度的粘弹性约束阻尼结构动态分析方法,得出了不同影响因子下结构的动态特性发展规律,为约束阻尼结构的实际应用提供了理论指导。
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