粘弹性材料减震降噪装置的优化设计

【摘要】:科学技术的进步和生产力的发展，使机器设备的性能日益提高。各工业部门机器设备向高速、高效、高精度和自动化方向的发展趋势已成为当今的必然。航空航天、远洋船舶和建筑桥梁等发展也是突飞猛进，伴随这些发展而来的就是振动噪声问题，它严重的破坏了机器设备运行的稳定性和可靠性，限制了机器性能的提高，污染环境、危害人们的健康，有的甚至会产生严重的后果。为之很多学者和科技工作者孜孜不倦地进行研究和探索解决工程中振动和噪声问题的理论、方法和技术途径。其中，在解决工程中的振动和噪声问题时，非常有效的技术就利用粘弹阻尼技术。本文对具有实用背景的环柱形粘弹性减震降噪装置的材料及产品缩比件、部件进行了静态及动态粘弹力学性能、吸声、隔声性能的实验研究和理论分析计算研究。

【关键词】：粘弹性材料；减震降噪；设备装置；优化；设计方法

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

引言

减振降噪一直是国内外研究的焦点，振动噪声不仅普遍存在，还对一些重大工程项目产生着巨大的影响，例如桥梁，大厦，船只，飞机等等。随着各国潜艇技术的发展，振动噪声愈加成为国内外研究的重点。粘弹性材料应用于减振、降噪技术已经有几千年的发展历史。由于它在减振降噪方向表现出的良好效果，受到了世界工业国家的广泛重视。因此，如何根据减振对象的外部力学环境对粘弹性材料阻尼结构的设计变量进行快速有效的优化设计，以减少实验次数和对人们经验的依赖，是发展约束阻尼层减振结构迫切需要解决的问题之一。

一、粘弹性材料的概念

粘弹性材料就象弹簧，撤去外力后，形状完全恢复，受力后立即响应。粘性材料就象开小孔的装液体的软而无弹性的瓶子，受外力后，即使撤去外力，形状也不恢复，而且受力响应（形变）与外力不成正比，且有滞后。在减震系统中往往需要两种性质的材料并联使用，弹性材料起支撑缓冲作用，粘性材料起阻尼吸收震动能量的作用。恰巧某些物质同时具有这两种力学特性，如橡胶或配合更高效的减震方式（如充气）或独自（实心胶轮）被广泛用于需要减震、缓冲的场合。

利用粘弹性阻尼技术来控制结构的振动和噪声，已在国内外广泛应用，并取得了很好的效果，它具有重量轻、结构简单、应用方便、效果显著、价格便宜等优点，因此受到了各工业部门的重视。目前，继续向更高的方向发展，为粘弹性材料的研制和减震降噪装置的优化设计提供了依据，为产品的质量控制提供了关键性技术指标。同时，对粘弹性减震降噪装置在温度和振动频率变化范围内，引起的性能变化进行了预测。粘弹性材料由于模量过低，一般不能成为工程中的结构材料，而是将它粘附在需要作减振降噪处理的机械装置或工程结构构件上，由自由阻尼层处理和约束阻尼层处理两大类。这种处理方式特别适用于梁、板壳件的减振降噪，在汽车、舰船、航空航天、电子设备等薄壳机构的抗振保护和噪声控制中被广泛采用。经过优化的阻尼处理，可以对噪声作出有效的控制。在约束阻尼层的设计方向目前还存在许多不足，不少情况下是靠经验及多次实验来确定结构的各项参数。另外对约束阻尼层设计变量的优化设计也还不够系统和有效。

二、粘弹性减震降噪装置优化设计的方法

对阻尼结构处理的有限元方法有三种：

(l)复特征值法：

在阻尼状态下进行解题，特征值和特征向量通常是复数。这种方法有两个严重的缺点：第一、计算费用极高，通常是非阻尼特征解的5到10倍；第二、实际粘弹性材料不具有推导经典方程所必须的动态应力和应变特性。

(2)直接频率响应法

假设对一个结构所施加的载荷是正弦规律的，并且结构是线性的，此种方法有以下缺点：第一，计算费用高；第二，这种方法不能直接给设计者对具体结构提出改进意见；第三，只有在正弦载荷下才适用，即没有一般载荷的通用性。

(3)模态应变能法

其主要作法是在非阻尼处理结构下将适当的阻尼项代入模态运动方程来表达阻尼处理结构，而以非阻尼处理结构下将适当的阻尼项代入模态参数来允分地近似阻尼处理模态参数，这样可避免大量的多特征值计算。这种方法的优点是：

第一，避免了大量的复特征值的计算；

第二，只要计算非阻尼处理的结构模态；

第三，计算结果叫直接指导设计者来决定阻尼的处理方式。

三、减震降噪装置的优化设计

1、对粘弹性减振降噪的研究思路

J.RO等人所作的研究中采用模态应变能法作为主动被动约束层布置的优化设计依据，在满足模态阻尼比的情况下，将阻尼层处理的重量最小化。用有限元单元模型计算主动约束阻尼层处理下的模态应变能，将上述单元模型施加在最高模态应变能的单元上。该方法是约束阻尼层优化设计的良好的工具，结果可以适应宽带频率振动。

Rohan等人对施加约束阻尼层的梁做了进行了拓扑优化，对约束阻尼层中的粘弹性层的形状做了优化研究，并通过实验来验证其结果。目标是对系统在第一阶模态处的损耗因子最大化，同样的，他们使用模态应变能来进行计算。他们的特色在于预先并不固定特定的拓扑结构，通过在单元中混合材料来达到此效果。

Marcelin等人在文中使用遗传算法对表面阻尼进行优化处理，优化了约束阻尼层的位置和约束层的堆积顺序。

Ray等人对圆柱壳的主动约束阻尼层处理进行了研究，构建了有限元模型。约束阻尼层的布置采用模态控制尺度来控制前两阶模态。并用频率响应函数来反映对称结构阻尼处理的效果。

HZheng等人研究使用被动约束阻尼处理来减小振动能量，采用能量方法建立部分被动约束阻尼处理的控制方程。在一定频带宽度上，使用基于罚函数的遗传算法寻找到梁的被动约束阻尼层的位置和长度以及粘弹层的剪切模量的优化配置。

可以看出大多数研究采用结构的模态损耗因子作为优化目标，采用有限元方法来进行建模，对约束阻尼层中约束层和粘弹性层的厚度，约束阻尼层的位置，覆盖面积等进行配置，以使得系统在一定频率带宽上的模态具有大的模态损耗因子值。

2、一般粘弹性减震降噪装置采用了有限元法和近似经验公式法两种方法进行了优化设计计算

由于粘弹性减震降噪装置的性能随着材料的配方、模量、温度及产品的外形尺寸，受力状态，变形大小等诸因素的不同而变化，因此粘弹性材料结构系统的动态力学性能分析相当复杂，尤其对一定的边界条件，其求解更加困难。因此粘弹性减震降噪装置的设计计算只能是粗略的，必须借助于材料试验和相似模拟试验提供必须的材料参数和经验系数，并通过产品试验来纠正计算误差，调整粘弹性材料的模量、内耗或减震装置的形状尺寸来完成优化设计。对板的横向振动进行基于约束阻尼层位置和形状优化的减振处理，使用了有限元方法，通常在单元位置逐渐添加约束阻尼层的修正的梯度法来进行处理，其目的是通过覆盖大约30％的面积约束阻尼结构减低18db的振动级别。

用粘弹谱仪测定的粘弹性材料的动态粘弹力学性能参数，为粘弹性环柱形减震降噪装置的设计提供了设计参数，确定了粘弹性材料质量控制的关键性能指标。测定粘弹性材料的动态弹性模量和内耗占的温度谱和频率谱，可以预测该材料制成的减震降噪装置的动刚度、临界阻尼比，隔声、吸声性能随温度和频率而变化的情况，可以判定减震降噪装置在工作条件下的性能是否稳定，也可用于指导新材料研制。

结束语

用有限元法和经验公式法对环柱形粘弹性减震降噪装置的动静刚度进行了预测与产品优化设计，并对模拟缩比件产品的实测结果进行了对比，结果表明: 预测与试验结果具有很好的一致性。利用实测材料的动态粘弹参数和缩比产品试验数据同样可以预测1:1大型产品的性能。通过优化设计计算，预测和调整材料参数和环柱形减震降噪装置的形状参数，使产品达到优化，用这种方法避免了材料研制中的多次反复和1:l产品的多次性能试验，因而在较短的时间内完成了材料研制、产品设计和生产，收到了良好的技术效益和经济效益。

参考文献：

某机组阻尼处理的减震降噪效果研究，中船重工.2009

严济宽.机械振动隔离技术，上海科学出版社.1985