基于波紋鋁板與聚氨酯泡沫的隔離自由阻尼結構振動特性研究

梁龍強，黃微波，呂 平，鞠家輝，孟凡迪

(1.青島沙木新材料有限公司，青島 266034；2.青島理工大學 土木工程學院，青島 266033)

針對現代制造業的振動問題，將阻尼材料黏附于需要減振處理的構件上，形成自由阻尼或約束阻尼結構的減振處理方式在汽車、船艦、飛機等諸多領域中得到廣泛應用[1-2].在阻尼結構的基層和阻尼層之間敷設隔離層形成隔離阻尼結構，能夠擴大阻尼層的耗能形變，以此來進一步提高結構的減振性能[3].燕碧娟等[4-6]研究結果表明隔離層的彈性模量是阻尼層的100倍時，管狀隔離阻尼模型能夠達到更好的減振效果.SANJIV[7]認為增大約束層的厚度和模量能夠改善隔離型約束阻尼結構的減振性能.易少強等[8-9]利用ANSYS和MATLAB協同仿真的方法，證明了粒子群算法能較好地解決隔離阻尼結構的動力學優化問題.石慧榮等[10-11]對局部敷設隔離層的約束阻尼結構進行了分析，認為局部隔離阻尼處理雖然使得阻尼面積減小，但其阻尼效率更高.RAO，ZHAO等[12-15]研究結果表明帶槽隔離層的引入對結構阻尼性能的提升起到了很好的促進作用.

目前針對隔離型約束阻尼的研究已經比較深入，而對隔離型自由阻尼結構的研究相對較少[16-20].本文以鋼板作為基層，橡膠材料作為阻尼層，并以波紋鋁板和聚氨酯泡沫作為隔離層制備成懸臂梁模型，通過單點錘擊實驗，從時域波形、傳遞函數曲線、模態頻率及損耗因子等方面分析隔離自由阻尼懸臂梁的阻尼性能.

1 實驗部分

1.1 模型設計與制備

隔離自由阻尼懸臂梁模型主要由基層、隔離層和阻尼層三部分構成.模型基材采用市面所售的Q235鋼板，密度為7800 kg/m3，彈性模量為210 GPa.隔離層中波紋鋁板由浙江嘉善強飛蜂窩機械設備有限公司采用型號為3003H18號鋁生產(圖1)，鋁板厚度為0.21 mm，波紋鋁板密度為2710 kg/m3；聚氨酯泡沫由青島永德聚氨酯有限公司提供，密度為160 kg/m3，彈性模量為130 MPa.阻尼層采用天津橡膠工業研究所提供的D-803-ZR橡膠阻尼材料，密度為1450 kg/m3，彈性模量為45 MPa；層間黏結劑采用青島沙木新材料有限公司提供的Qtech-413膠黏劑，以此制備實驗用隔離阻尼自由結構懸臂梁模型.

圖1 波紋鋁板隔離層

將黏結劑Qtech-413的A，B組分按比例1.1∶1混合后攪拌均勻，分別刮涂于除銹后的鋼板和阻尼橡膠表面，厚度為0.5 mm.將波紋鋁板和聚氨酯泡沫分別放置在涂有膠黏劑的鋼板上，再將橡膠阻尼材料涂有膠黏劑的一側扣壓在隔離層之上.將制備完成的懸臂梁模型放于夾具中固定，防止滑移，并在25～30 ℃，相對濕度為54%～58%的條件下養護7 d，然后進行測試.隔離自由阻尼懸臂梁模型結構如圖2所示，墊高層材料及尺寸參數見表1.

圖2 懸臂梁模型結構

表1 懸臂梁墊高層材料及尺寸參數

1.2 實驗設備與方案

實驗測試分析系統包括激勵力錘、支撐組件、傳感器、信號采集儀和控制分析系統，如圖3所示.信號采集儀采用北京東方振動和噪聲技術研究所研發的INV3062T0采集儀；分析軟件為DASP-V11工程版；激勵力錘采用INV9313型ICP力錘，靈敏度為0.201 mV/N；傳感器采用朗斯測試技術有限公司LC0103型ICP加速度傳感器，靈敏度為50 mV/g.

圖3 測試分析系統

測試方法采用懸臂梁單點錘擊法，錘擊點和拾振點分別布置在距固定端和自由端25 mm中點處，錘擊力為60 N；測試的采樣頻率為51.2 kHz，變時倍數為8，觸發次數為3次，采樣點數為16 384個.測試時實驗室溫度為23 ℃，相對濕度為56%.

2 實驗結果與分析

2.1 時域分析

對傳感器采集到的加速度衰減信號進行時域分析，得到1—4號模型的時域波形，如圖4所示.

圖4 不同隔離層厚度的懸臂梁振動波形

由圖4(a)可知，1號和2號模型加速度最大振幅分別為105和111 m/s2.相比于2號模型，1號模型最大振幅降低了5.41%，而且衰減時間明顯減少，所以波紋鋁板作為隔離層的減振效果要優于聚氨酯泡沫材料.這可能是因為相比于聚氨酯泡沫材料，波紋鋁板更接近理想的墊高層模型，即剪切剛度極大而抗彎剛度極小[19-20]，有利于發揮墊高層杠桿放大作用，基層的彎曲形變向阻尼層的傳遞效率更高，所以提高了結構整體的減振效果.由圖4(b)可知，3號和4號模型加速度最大振幅分別為74和119 m/s2.相比于4號模型，3號模型最大振幅降低了37.82%.在0.2 s時，3號模型已幾乎完全平緩，而4號模型依舊保持著0.39 m/s2振動幅度.

對比圖4(a)和(b)可知，與隔離層厚度為6 mm的阻尼結構相比，隔離層厚度為12 mm的結構持續振動時間較短.這表明，墊高層厚度增加之后，懸臂梁模型的減振效果更加明顯.這是因為外部橡膠阻尼層的中性軸至懸臂梁中性軸的距離p為[19]

(1)

即

(2)

式中：hb，hs和hv分別為基層、墊高層和阻尼層的厚度；Eb，Es和Ev分別為基層、墊高層和阻尼層的彈性模量；d1和d2分別為墊高層和阻尼層的中性軸到基層中性軸的距離.

由式(2)可知，隨著hs的增加，阻尼層處理距離p相繼增大，這相當于加大了阻尼層的厚度.因此，在基層形變相同時，外部橡膠阻尼層的形變隨之增加，由此引起分子鏈段的相對滑移增大，阻尼層耗能增多，懸臂梁的減振性能因此提升.

2.2 傳遞函數曲線

1—4號模型的傳遞函數曲線如圖5所示.

圖5 不同隔離層厚度的懸臂梁傳遞函數曲線

由圖5(a)可以看出，在前三階，1號模型(單一波紋鋁板的隔離自由阻尼結構)模態振動峰值要明顯低于2號模型，兩種結構在第四階的模態振動峰值相差不大，分別為6.3和6.7 m·s-2/N.由圖5(b)可以看出，3號模型一階到四階的模態振動峰值分別為3.49，3.62，4.46和4.91 m·s-2/N.相對于4號模型，3號模型在各階模態振動峰值都有明顯的降低，各階分別降低了29.21%，53.39%，53.44%和36.65%.

四種阻尼結構中，2號和4號模型這兩種隔離層為聚氨酯泡沫的阻尼結構在單位力下的振動加速度響應十分劇烈，而3號模型的模態振動峰值降低最為顯著，其次是1號模型.這說明采用波紋鋁板作為隔離層能夠有效地降低懸臂梁模型的振動加速度響應，提升結構的阻尼性能，這與前述時域波形分析結果相吻合.

2.3 損耗因子及模態頻率

通過對振動加速度譜圖進行分析并采用半功率帶寬法進行計算，得到各階的模態頻率和損耗因子，計算結果見表2.

表2 模態頻率及損耗因子

由表2可知，1號模型的損耗因子略高于2號模型，一階到四階的損耗因子分別增加了0.0012，0.0092，0.0037和0.0039，1號模型阻尼效果更優.隨著隔離層厚度的增加，3號和4號模型的損耗因子相對于1號和2號模型有了明顯的提升，每一階提升了20%～40%.相對于4號模型，3號模型的一階到四階損耗因子依次增加了0.0353，0.0117，0.0178和0.0009，減振性能有所提升，與前述分析結果相一致.

同時，可以發現隨著隔離層厚度的增加，各階模態頻率統一向高頻方向移動.在一階模態峰處，3號和4號模型在各階的模態頻率保持一致，模態頻率比1號和2號模型提升了7.35%.在二階、三階和四階，3號和4號模型對于2號模型有3%～8%的提升.這是因為隨著隔離層厚度的增加，結構的剛度、質量均隨之增加，但剛度增加的比例較大，因此頻率也隨之上升.

3 結論

1) 四種結構中，隔離層為12 mm的兩種阻尼結構與隔離層為6 mm的結構相比，阻尼減振性能整體上有很大提升，具體表現在波形衰減時間減少了0.1 s，損耗因子提高20%～40%.

2) 隔離層為6 mm波紋鋁板與6 mm聚氨酯泡沫的組合結構在各頻段表現出良好的減振效果，單位力下的振動響應最小，峰值范圍僅為3.49 ～4.91 m·s-2/N，并且損耗因子的提升顯著.隔離層為6 mm的波紋鋁板阻尼結構在降低單位力下振動響應和波形衰減時間方面表現出較好的減振性能.

3) 兩種隔離層為聚氨酯泡沫的結構，厚度為6 mm的結構減振性能最差，振動響應最高，損耗因子最?。缓穸葹?2 mm的結構衰減時間少，且損耗因子更高.