约束阻尼结构的振动分析及结构参数优化研究

为了准确获取约束阻尼复合结构(CLD)的振动特性,依据模态应变能(MSE)理论,针对黏弹性材料的温变和频变特性,基于大型通用有限元软件ANSYS及MATLAB进行了联合仿真,研究了CLD矩形薄板的振动特性。通过分析环境温度和阻尼层厚度等设计参数对结构固有频率和模态损耗因子的影响,建立了CLD设计参数的多目标优化模型,利用遗传优化算法对CLD结构参数进行了优化。分析结果表明:随着温度的升高,CLD结构的固有频率下降并趋于稳定;存在最佳温度点,使得CLD结构的模态损耗因子最大;在固有频率改变较小的情况下,通过结构参数的优化能够保证CLD结构具有低成本、高模态损耗因子等特性;联合仿真方法适用于阻尼复合结构振动特性研究,在阻尼减振技术中具有一定的理论和实用意义。     

过渡约束阻尼结构损耗因子的复刚度法

针对传统3层约束阻尼结构对外界振动能量的损耗受限问题,本文提出一种新型过渡约束阻尼结构;基于复刚度法推绎了该结构的损耗因子表达式,并与文献模型进行了对比验证.以悬臂阻尼梁为例,将该结构与传统3层阻尼结构损耗行为进行对比,分析结果表明,在结构振动时,增设过渡层,可使阻尼层的剪切变形增大,进而提高整个结构的损耗因子;同时探讨了过渡层的厚度、材料及铺设位置对结构损耗因子的影响,为今后优化工作打下了良好的基础.     

基于参数化水平集法的约束阻尼结构动力学拓扑优化

约束阻尼(CLD)结构拓扑优化是轻量化设计下实现振动与噪声控制的有效手段。结合约束阻尼结构的有限元模型,以前两阶模态损耗因子及其加权最大化为目标函数,以参数化水平集函数的扩展系数为设计变量,以约束阻尼材料用量为约束条件,建立了基于参数化水平集法(PLSM)的拓扑优化模型。基于伴随向量法推导了目标函数对设计变量的灵敏度,采用优化准则法更新设计变量。算例结果表明:基于参数化水平集法对约束层阻尼结构进行拓扑优化是可行有效的,且以基板结构应变能分布构建初始构型可提高优化效率。此外进一步讨论了在附加质量保持不变的条件下,约束层材料和阻尼材料厚度变化对约束阻尼材料模态损耗因子和最优构型的影响规律。     

不同温度下带阻尼薄板件振动模态实验与仿真

为分析带阻尼薄板件在不同温度下的振动模态特性，使用改制的环境箱和激光测振技术对板件进行模态参数识别，实验分析温度对带阻尼薄板件的模态频率和模态阻尼的影响规律。结果表明，温度跟带阻尼薄板件的模态频率呈负相关，在极端高温和低温情况下，模态阻尼大幅降低。提出基于优化算法的阻尼材料参数倒推识别方法，识别出阻尼材料随温度和频率变化的复模量和损耗因子，用于有限元仿真验证。仿真结果表明，使用频变的阻尼材料参数预测带阻尼薄板件的振动响应，其共振频率和响应幅值更接近测试值。     

黏弹性阻尼材料对整体叶盘固有特性的影响

整体叶盘是航空发动机的关键部件,在多场耦合复杂边界条件作用下,容易发生复杂的振动,当叶片发生疲劳破坏时,导致整体叶盘的叶片无法更换.为提高整体叶盘的抗高周疲劳能力,提出在整体叶盘盘缘底部添加黏弹性阻尼材料以实现整体叶盘振动抑制的方法,采用复常量模型表征添加在整体叶盘盘缘的黏弹性阻尼材料,基于模态应变能法计算整体叶盘复合结构的固有频率和损耗因子,对比涂层厚度对整体叶盘固有特性的影响.结果表明,随着涂层厚度的增加,整体叶盘的低频固有频率增加,高频振动频率降低,损耗因子增大,振型变化较小.     

复合材料夹层梁动力响应的传递函数法求解

基于哈密顿原理推导了黏弹性复合材料夹层梁的动力学控制方程及其边界条件表达式,引入状态向量,建立了复合材料夹层梁系统的状态空间方程,采用分布参数体系传递函数方法得到了系统动力学响应封闭解.分别对采用常复模量和频变复模量模型黏弹性芯材复合材料夹层梁进行了频响特性算例验证,两者均符合较好,验证了本方法的正确性.最后讨论了芯材采用常复模量与频变复模量模型建模对结构动力学响应的影响;分析了表层厚度、铺层角度对结构动力学响应的影响规律.     

短轴向剪切加载模式下超大型黏弹阻尼墙力学性能试验

为了提高黏弹性阻尼装置温度相关性的准确度、最大阻尼力和力学性能,首先开展了黏弹性材料的温度扫描试验,然后设计了一种新式阻尼装置试验方法,即短轴向剪切加载模式方法,采用该试验方法对新型"5+4"式超大型黏弹性阻尼墙构件进行了力学性能试验.试验给出了黏弹性材料的tanδ-T,G'-T,G″-T曲线、黏弹性阻尼墙构件力-位移滞回曲线以及力学性能参数(最大阻尼力、损耗因子、等效阻尼系数、存储刚度、损耗刚度、剪切损耗模量、剪切储能模量等)的频率相关性和位移幅值相关性等.结果表明:黏弹性阻尼墙损耗因子峰值(0.77)与由黏弹性材料温度扫描试验得出的损耗因子峰值(0.79)只有微小差别,说明所设计的"5+4"黏弹性阻尼墙构件在短轴向剪切加载模式下可以很好发挥黏弹性阻尼材料的阻尼性能.     

黏弹性材料等效标准固体模型的时域延拓方法

为了精确计算黏弹性阻尼器在任意荷载作用下的时域动力响应,提出了一种针对黏弹性材料等效标准固体模型的时域延拓方法.该方法首先将频域内的等效标准固体模型延拓到拉氏域内,再采用高精度拉氏逆变换数值求解方法将拉氏域表达式转换到时域,得到黏弹性阻尼器的时域动力响应.针对无锡减震器厂生产的9050A型号黏弹性阻尼材料的计算结果表明:在正弦激励下,采用时域延拓法计算的储能模量G_1的最大误差为0.005 4%,损耗因子η的最大误差为0.279 7%;在随机荷载激励下,相比于等效线性化近似方法,采用时域延拓法计算得到的El Centro和Kobe地震波作用下最大出力的计算精度提高22.2%以上;所提方法避免建立复杂的时域微分方程,简化了计算过程.     

频变黏弹性流体因子叠前地震F-AVA反演方法

地震波在含油气储层中传播时会发生不同程度的振幅衰减和速度频散现象,考虑介质黏弹性可更好地模拟地震波在复杂介质中的传播过程,构建频变黏弹性流体因子Fω*来定量表征孔隙流体引起的频散程度。依据Futterman近似常Q模型推导黏弹性频变AVA(F-AVA)反射系数近似方程,该方程与黏弹性介质精确Zoeppritz方程吻合度较高,系统地查明该方程的精度和F-AVA反演的可行性;此外,联合连续小波多尺度谱分解、贝叶斯估计框架和先验模型正则化,推导黏弹性介质叠前地震F-AVA反演的目标泛函,利用反复重加权最小二乘算法优化目标泛函。模型和实际测试结果验证了该反演方法的抗噪性和实用性,与常规频散属性的应用效果相比,该频变黏弹性流体因子Fω*的反演结果具有更少的"虚假亮点"干扰,该方法可以更有效地应用于储层孔隙流体识别中。     

基于复阻尼模型等效的黏性阻尼模型时域计算方法

复阻尼模型的阻尼矩阵构造容易,仅依赖于材料损耗因子和结构刚度矩阵,但具有时域发散、非因果性等缺陷.从结构的固有特征恒定出发,推导了材料损耗因子与结构阻尼比的等效关系,进而得到与复阻尼模型等效的黏性阻尼模型.该阻尼模型不仅克服了复阻尼模型的缺陷,同时保留了复阻尼模型直接依赖材料损耗因子的便捷性.针对比例阻尼体系,依据材料损耗因子和结构振型阻尼比的关系,提出了基于复阻尼模型等效的黏性阻尼模型实振型叠加法.针对非比例阻尼体系,依据材料损耗因子和子结构振型阻尼比的关系,借助分块Rayleigh阻尼和状态空间法,提出了基于复阻尼模型等效的黏性阻尼模型复振型叠加法.通过算例分析验证了本文方法的可行性和正确性.     

约束阻尼结构拓扑优化设计的进化算法

约束阻尼结构的阻尼材料优化布局是约束阻尼结构振动控制设计中的关键问题,它直接影响到振动能量耗散与全局能量流分布。在约束阻尼结构设计中引入拓扑优化渐进优化算法,以约束阻尼胞单元为设计变量,建立以模态阻尼比为目标函数,约束阻尼材料用量为约束条件的拓扑优化模型。分析结构模态阻尼比相对于阻尼胞单元位置的敏度,导出灵敏度计算表达式。提出基于渐进优化算法的优化准则,通过逐步删除利用率低的材料,使目标模态阻尼比达到最大化,给出了数值计算的例子,理论计算结果验证了拓扑优化方法的正确性和有效性。     

机敏约束层阻尼减振板耦合系统有限元模型

针对机敏约束层阻尼减振板结构,考虑到粘接层、压电层、阻尼层、基层结构的耦合运动及位移协调关系,结合压电学理论、有限元理论以及粘弹性材料阻尼性能的滞弹性位移场模型,建立了耦合系统的有限元动力模型,该模型可适用于含SCLD结构的任意复杂系统的振动建模研究。以局部覆盖SCLD结构的对边约束钢板为研究对象,进行了结构动力学参数理论计算、ANSYS模态分析与模态实验研究,结果表明：理论分析与实验结果及ANSYS分析能较好吻合,充分证明了建模方法的有效性。     

自由阻尼层加筋板的稳态简谐响应分析

应用模态叠加法研究了敷设粘弹性自由阻尼层加筋板的稳态简谐响应，以结构幅频特性曲线的方式来研究粘弹性阻尼以结构响应的控制作用，分析了阻尼材料模量、损耗因子和阻尼层与基层厚度比对结构响应的影响，分析中考虑了结构上下不同位置的结点的情况，结果表明，在相同幅度的情况下，增加阻尼层与基层厚度比比增加阻尼材料损耗因子的减振效果好；粘弹性材料能够有效地控制的共振响应。     

局部约束阻尼层耗散率一致化优化

针对具有多个阻尼块的局部约束阻尼层优化问题,分析了阻尼层模态损耗因子对质量的灵敏度,建立了以阻尼块的敷设位置和厚度参数为设计变量,以附加阻尼结构质量为约束条件、以模态损耗因子最大化为目标函数的优化数学模型,提出了局部约束阻尼层耗散率一致化优化方法。运用该方法对四边简支板阻尼层优化,得到了不同质量时的阻尼层的敷设方案,并讨论了不同生长方式对模态损耗因子的影响。结果表明:提出的局部约束阻尼层优化方法是可行的,可有效提高阻尼层的减振效果,对局部约束阻尼层的优化设计有着重要意义。     

大悬挑屋盖结构的风振控制设计方法

分析了风振条件下大跨度屋盖结构中悬挑竖向位移的控制方法,指出传统的模态应变能法因忽略阻尼器的耗能刚度部分可能产生较大误差,并对此给出了修正方法。推导了附加消能支撑的竖向控制力、等效刚度和等效耗能因子公式。根据上述方法和公式,对一大悬挑屋盖结构进行了风振控制设计。经实例应用说明,笔者提出的风振控制设计方法方便实用。     

主动约束层阻尼结构的振动控制

基于弹性、粘弹性和压电材料的本构关系,利用Hamilton原理,推导了主动约束层阻尼板的有限元动力学模型。结合压电材料的机电耦合特性,采用自感电压的位移和速度反馈,对主动约束层阻尼板进行了闭环振动控制,研究了不同控制增益条件下,主动约束层阻尼板的动态特性。研究结果表明:采用自感电压的比例、微分反馈控制,能有效控制约束层阻尼板的振动,增大振动能量耗散,尤其对频率共振峰有明显抑制作用。由于该方法结构简单,容易实现,有很好的工程应用前景。     

基于非阻塞性颗粒阻尼技术的填充颗粒对约束阻尼结构减振性能的影响

为使传统的约束阻尼结构的减振性能进一步提高,引入了非阻塞性颗粒阻尼技术,通过颗粒运动状态分析和悬臂梁试验研究了填充颗粒对基于非阻塞性颗粒阻尼技术的约束阻尼结构减振性能,探讨了颗粒填充率、粒径和密度对结构的振动响应、复合损耗因子等阻尼特性的影响规律.结果表明:随着填充率的增加,复合损耗因子呈先增大后减小的趋势,当填充率在50％时损耗因子最高为0.144 7,提高了60.78％,振幅趋于平稳耗时0.257 8 s,此时颗粒呈块状剧烈运动,阻尼效果最为理想;填充等直径钢球颗粒的粒径由0.8 mm增至2.0 mm,复合损耗因子仅增加0.001 5,振幅趋于平稳耗时仅差0.003 9 s,对结构的减振性能无明显影响;填充不等直径的钢球颗粒的质量比为1∶1时,复合损耗因子最大为0.159 1,进一步提高了10％;填充颗粒质量相同时,密度小的材料减振效果最好,体积不变时,密度大的更佳可见基于非阻塞性颗粒阻尼技术的填充颗粒能够提高约束阻尼结构的减振性能.     

基于修正模态应变能法的硬涂层薄板阻尼性能预估

在考虑硬涂层材料的小阻尼特点以及经典模态应变能法计算误差的前提下,提出了一种适用于硬涂层复合结构阻尼性能预估的新方法.推导了修正模态应变能法的原理性公式.以一个涂敷Mg-Al硬涂层的悬臂薄板为例进行了实例研究,并讨论了硬涂层材料参数、涂层厚度对结构系统阻尼性能的影响.结果发现增大硬涂层的杨氏模量、损耗因子及厚度均可提高复合结构的阻尼性能.相关研究成果可为硬涂层材料制备及阻尼减振设计提供参考.     

共固化补片预修补铝板的阻尼和疲劳寿命研究

制备了黏弹阻尼层共固化复合材料补片,对固支的薄铝板应力集中区域进行预修补,利用基于频域的半功率带宽法测试了修补前后的结构阻尼比.建立有限元模型,采用滞后阻尼的假定计算了组合结构的等效阻尼比,对比实验值验证了该模型.采用基于功率谱密度的频域分析方法估算了结构随机振动疲劳寿命.考察了阻尼层厚度、补片长度和纤维层层数对结构等效阻尼比和随机振动疲劳寿命的影响.研究结果表明制备的黏弹阻尼层共固化复合材料补片可以提高薄壁结构的阻尼效果,并可以提高修补件的振动疲劳寿命.