锰基阻尼合金研发及产业化国内外现状

 阻尼合金是一类阻尼（内耗）大,能使振动迅速衰减的金属功能材料,按其阻尼机理可分为复相型、铁磁型、位错型、孪晶型四类。利用其制造相关振动源构件,可以有效地解决机械制造及相关工程领域中的振动和噪声问题。目前国内外对于锰基阻尼合金的研究主要集中于对Mn-Cu、Mn-Fe 合金的掺杂改性和对新兴的Mn-Ni 合金阻尼机理研究方面,而形成产业的主要为Mn-Cu 合金,其代表产品为Sonoston、Incramute 和M2052 等。相比于传统Mn-Cu 合金,Mn-Fe 合金具有更好的经济性和力学性能,有望在未来替代Mn-Cu 合金取得实际应用。本文简要介绍阻尼合金的种类和特点,对上述合金的主要研究进展和产业化现状进行总结,为需要减振降噪场合的选材提供参考。     

γMn基合金反铁磁畸变与高阻尼孪晶的形成

根据反铁磁序引起的点阵畸变与磁长程序参量之间的关系，计算了γMn-Cu合金顺磁→反铁磁转变引起的点阵畸变，并将计算值与实验数据进行了比较，通过γMn-Fe基合金高阻尼特性测定，验证了反铁磁序与孪晶高阻尼的关系在其他锰基合金中同样存在的推测，讨论了γMn基合金高阻尼行为的物理本质，结果表明，γMn-Cu和γMn-Fe合金顺磁→反铁磁转变引起的四方畸变均可触发微孪晶的形成，且在一定条件下可能诱发马氏体相变。     

γMn基合金反铁磁畸变与高阻尼孪晶的形成

根据反铁磁序引起的点阵畸变与磁长程序参量之间的关系,计算了γMn-Cu合金顺磁→反铁磁转变引起的点阵畸变,并将计算值与实验数据进行了比较.通过γMn-Fe基合金高阻尼特性测定,验证了反铁磁序与孪晶高阻尼的关系在其他锰基合金中同样存在的推测. 讨论了γMn基合金高阻尼行为的物理本质.结果表明,γMn-Cu和γMn-Fe合金顺磁→反铁磁转变引起的四方畸变均可触发微孪晶的形成,且在一定条件下可能诱发马氏体相变.     

平整机自激振动与轧制界面阻尼特性的关系

对平整机轧制界面的摩擦学、阻尼特性,自激振动机理及振动测试结果进行了分析,平整机振动的主要成分是自激振动,且自激振动的根源在于轧制界面的负阻尼特性,而负阻尼的产生源于轧制界面的粘滑状态与部分弹流膜作用的存在。研究结果为解决实际生产中平整机振动带来的产品质量问题提供了理论依据。     

采用摩擦型阻尼器的斜拉索被动控制

研究了较常用的线性粘滞阻尼器具有更高附加阻尼的非线性摩擦型阻尼器的斜拉索振动控制.首先通过单自由度系统详细分析了摩擦型阻尼器的非线性阻尼特性.进而采用张紧弦模型模拟斜拉索,通过Galerkin方法建立了斜拉索-摩擦型阻尼器系统的运动方程.采用半解析半数值方法分析了斜拉索自由振动的阻尼特性,对其阻尼机理进行了讨论.通过对拉索模态阻尼比的参数分析,得到了阻尼器参数和拉索附加阻尼关系的通用设计曲线,并与已有实索试验结果进行了比较,两者吻合良好.研究了摩擦型阻尼器的参数优化取值,结果表明拉索的最大模态阻尼比依振动初始条件等参数影响分布在一个范围而非定值,其下限值仍高于采用线性粘滞阻尼器时所获得的最大模态阻尼比.     

高阻尼铸铁及阻尼机理

论述了微量合金元素对铸铁阻尼性能、力学性能的影响,以及铸铁的阻尼机理。研究结果表明,铸铁中添加微量合金元素Zr、Cr、Mo、Cu、Al等,且它们的加入量之间匹配适当时,能够获得强度性能比较好的高阻尼铸铁,其阻尼性能值ψ可达20%以上,抗拉强度σ_b约为196MPa。     

非阻塞性颗粒阻尼器内部的颗粒莱顿弗罗斯特现象

为了更好地揭示非阻塞性颗粒阻尼器(NOPD)的减振机理,基于振动颗粒物质的流变特性,研究了NOPD的阻尼效果和其内部阻尼颗粒运动形态之间的关系,通过实验确定了NOPD发挥最优阻尼效果时其内部颗粒的运动形态,使用离散元仿真分析了最优阻尼颗粒的耗散特性。研究表明:实验设计参数下的NOPD发挥最优阻尼效果时(激振强度Γ=3.3,f=21 Hz),其内部出现稳定的颗粒莱顿弗罗斯特现象;这种状态下的NOPD最优阻尼效果主要来自两方面,一方面是主系统的部分振动动能通过颗粒间或颗粒与容器壁间发生的碰撞和摩擦以热能的形式散发,是颗粒对主系统振动能量的直接耗散;另一方面是主系统的部分振动动能转化为浮动颗粒的势能以维持颗粒莱顿弗罗斯特效应的稳定,这可看作是颗粒对主系统振动能量的间接耗散。     

被动约束层阻尼结构短柱壳的减振分析

该文主要是通过分别改变被动约束层阻尼结构中粘弹性阻尼层及约束层的厚度,讨论贴敷不同厚度被动约束层阻尼结构的短柱壳的振动特性。通过被动约束层阻尼结构减振机理,提出粘弹性材料模态阻尼计算和分析探讨,以短柱壳为研究对象,仿真计算中各个材料参数,并得出结论。阐述了机敏约束层阻尼系统特征,分析了结构设计和系统建模方法。反过来这些优点也使得类似结构十分容易发生振动。在航空发动机上这样极易引起由于振动过大而导致的短柱壳破裂现象,如果不采取减小振动幅值的措施,将会引发灾难性的后果。在短柱壳表面贴敷粘弹性阻尼材料是一种有效,便捷的减振方式,因此有必要对其减振特性进行研究。     

失谐叶盘结构减振问题研究综述

叶盘结构是航空发动机、燃气轮机的重要零部件,在工程实际中应用广泛。失谐普遍存在于叶盘结构中,并且会破坏叶盘系统原有的振动特性,是导致叶盘高周疲劳失效的原因之一,因此研究如何降低叶盘结构振动是非常有必要的。在梳理国内外相关研究的基础上,介绍了叶盘结构失谐振动的机理,归纳了失谐叶盘系统减振的主要技术方法,如人为主动失谐、碰撞阻尼、摩擦阻尼、优化叶片安装排序减振等,提出了今后的一些研究方向。     

管道金属摩擦阻尼减振器性能的实验研究

设计了一种新型管道金属摩擦阻尼减振器,并对带金属摩擦阻尼减振器的管道系统进行了振动响应的实验研究。通过测量管道径向、轴向和激振器支撑架的振动响应,研究了金属摩擦阻尼减振器的减振性能和减振机理。实验结果表明：金属摩擦阻尼减振器能够有效降低管道系统的振动,管道和激振器支撑架径向振动响应最大时,振动幅值分别下降66.2%和75.4%,激振频率为50Hz时,管道轴向振动幅值下降83%;管道振动能量没有被转移至激振器支撑架,而是通过金属摩擦阻尼减振器与管道外壁的干摩擦作用将振动能量转化为热能而耗散。     

ZA27合金的稳态阻尼及其拟合

研究了固溶化处理的ZA27合金在自然时效稳定后的低频阻尼，根据有关的内耗理论，得到了ZA27合金稳态阻尼的线性拟合表达式，利用该式可以预测ZA27合金的阻尼大小和行为，并揭示ZA27合金的阻尼机理，研究结果表明，在实验条件下，ZA27合金具有较高的阻尼性能，阻尼的大小与频率相关，与振幅无关，并随温度的升高单调增大，这是一种线性可逆滞弹性弛豫的动态滞后过程；ZA27合金的阻尼是热激活弛豫过程，是多个弛豫过程叠加的结果。     

机枪遥控武器站锰铜基阻尼合金缓冲器非线性有限元分析及试验

机枪遥控武器站缓冲器存在能量吸收率低、二次冲击、刚度过大等现象，导致枪口振动加剧，影响射击精度. 针对上述问题，本文基于锰铜基阻尼合金开展新型缓冲器的设计研究. 对锰铜基阻尼合金广义分数阶Maxwell本构模型进行有限元实现，开展锰铜基阻尼合金悬臂梁振动特性实验验证子程序正确性. 采用遗传优化算法设计了8片对合组合和24片复合组合两种新型阻尼合金碟簧缓冲器，进行非线性瞬态有限元分析发现24片复合组合碟簧缓冲器效果较好，相对原矩形圆柱弹簧缓冲器的振动加速度有效值可降低66.42%. 最后通过缓冲器静压试验和落锤试验验证了仿真分析结果. 静压试验表明3 kN时24片复合碟簧静态能量吸收率可达37.1%，落锤试验表明其平均动态能量吸收率为63.64%，是原矩形圆柱弹簧缓冲器的1.51倍，最大位移为2.69 mm，相对原矩形圆柱弹簧缓冲器降低30%.      

热处理对铁磁性合金阻尼特性的影响

本文研究了退火温度等因素对Fe -Cr-Si-Mo、Fe -Cr-Co、Fe -Cr -Al铁磁性合金阻尼特性的影响 .在磁畴不可逆移动内应力理论基础上 ,较深入地探讨了磁 -机械滞后产生内耗的机理 .在兼顾合金其它性能的同时 ,确定了合金具有高阻尼特性所对应的退火温度及该合金的使用温度范围 .为寻求高阻尼特性的铁磁性合金做了有益的探索     

齿轮传动装置阻尼减振降噪试验研究

通过在高速齿轮箱减振降噪试验台上进行振动、噪声测试对比试验,测试在齿轮噪声中啮合冲击频率及其倍频声和固有频率声产生共振时,分析齿轮箱系统在各种工况情况下增加阻尼前后对系统的减振降噪的作用,可以发现粘贴阻尼材料能够在一定程度上起到良好的减振降噪效果.重点分析齿轮箱在外部粘贴阻尼材料和灌注阻尼材料这两种附加结构对减低振动与噪声具有良好的抑制作用.证明了齿轮箱在附加阻尼后,提高了齿轮传动装置的阻尼特性,符合阻尼减振降噪的理论研究.根据齿轮箱中齿轮啮合冲击是系统的主要激励振动,通过测试分析,采用合金阻尼环附加结构,可得到更佳的减振降噪效果.     

立铣再生颤振闭环控制系统的设计

基于再生颤振机理,研究和建立动态铣削加工振动系统的闭环控制系统,以及其传递函数模型.应用模态分析理论,研究加工振动系统的复模态振型,实现其传递函数矩阵模态参数,包括模态质量、模态阻尼和模态刚度等的辨识,为动态铣削加工振动的预估和有效控制奠定理论基础.     

阻尼对斜拉索大幅振动的影响

针对大跨度斜拉桥拉索大幅振动控制问题,考虑由于索的初始垂度、大位移而引起的几何非线性因素的影响,同时考虑拉索与桥面连接条件和边界条件的影响,建立了拉索在参、强联合激励作用下的面内非线性振动方程.运用多尺度摄动方法,对其进行求解,以长短两根有代表性的拉索为例,研究拉索阻尼的变化对其大幅振动的抑制机理.研究结果表明:增加斜拉索的阻尼,提高了斜拉索发生大幅振动所需激励幅值,在一定程度上增大了桥面振幅的安全区间.     

过共晶Al-Si-xLa合金温度阻尼行为

研究了过共晶Al-Si-xLa合金在不同频率下的阻尼—温度行为.Al-Si合金通过常规的铸造和喷射成型工艺制备,并采用动态热机械分析仪(DMTA)对Al-Si合金阻尼行为进行研究.结果表明,各实验合金不同频率下阻尼随温度的变化规律相同.阻尼缓慢增加到300℃后开始迅速增大.用G-L位错阻尼理论、晶界阻尼、界面阻尼对这种阻尼行为进行了解释.铸态下,添加适量La(质量分数0.003,0.01)对过共晶Al-Si合金的阻尼有提高作用,La过量后反而对阻尼不利.喷射成形态Al-17Si-xLa合金的阻尼与La含量并无明显相关关系.喷射成形工艺对Al-17Si体系合金的阻尼无明显影响.     

过共晶Al-Si-xLa合金温度阻尼行为

研究了过共晶Al-Si-xLa舍金在不同频率下的阻尼-温度行为．Al-Si合金通过常规的铸造和喷射成形工艺制备,并采用动态热机械分析仪(DMTA)对Al-Si合金阻尼行为进行研究．结果表明,各实验合金不同频率下阻尼随温度的变化规律相同．阻尼缓慢增加到300℃后开始迅速增大．用G-L位错阻尼理论、晶界阻尼、界面阻尼对这种阻尼行为进行了解释．铸态下,添加适量La(质量分数0．003,0．01)对过共晶Al-Si合金的阻尼有提高作用,La过量后反而对阻尼不利．喷射成形态Al-17Si-xLa合金的阻尼与La含量并无明显相关关系．喷射成形工艺对Al-17Si体系合金的阻尼无明显影响．     

高速轧机工作界面的负阻尼特性

轧制界面作为轧制过程的工作界面,其动力学特性对轧机振动有决定性影响.作者分析了动态情况下轧制界面上的金属塑性流动、界面摩擦学、工作辊运动等行为机理及其耦合特性;通过研究工作辊振动对界面润滑膜厚的影响以及界面动态摩擦学行为对金属塑性流动的影响,建立了轧制界面的动力学模型,并对轧制界面的阻尼特性进行了数值仿真.研究结果表明在混合润滑条件下,轧制界面因润滑膜厚动态变化可产生负阻尼,界面阻尼的大小与轧制工艺、轧辊表面状态、润滑剂特性等参数密切相关,为解释轧机自激振动机理、控制或消除轧机颤振提供了理论基础.     

啮合刚度及阻尼对人字齿轮振动特性的影响研究

为研究啮合刚度和阻尼对人字齿轮振动特性的影响,建立了人字齿轮弯-扭-轴耦合动力学模型,推导出相应的运动微分方程,利用Matlab求解获得了系统的动态响应。结果表明,齿轮啮合线上的振动加速度和轴向振动加速度大于齿轮横向振动加速度,是引起齿轮振动和噪声的主要原因。啮合刚度对横向、轴向和啮合线方向振动均有影响,刚度波动量主要影响横向和啮合线方向的振动,啮合阻尼主要影响啮合线方向上的振动。故增大啮合刚度、减小刚度波动量或增大阻尼可有效降低人字齿轮传动的振动和噪声。