粘弹阻尼减振技术的工程应用

　　1　引　言

　　随着生产与工业技术的进步,产品集成度越来越高,工作环境越来越严酷,振动与减振问题日益突出。统计资料表明,飞行器所发生的重大事故中,有40%与振动有关。

　　处于宽频带随机振动条件下的结构系统和电子设备,其振动响应往往是很复杂的,对它们的工作性能和工作可靠性的影响也是非常明显的。因此,在设计一个必须在恶劣环境下正常工作的机械系统或电子设备,其振动防护是一个重点考虑的问题。利用高分子材料在转换态时的高阻尼特性,将它与基础结构结合,在变形时耗散能量,这种方法能在很宽的频率范围内起到抑制振动峰值的作用。

　　2　阻尼机理

　　对于振动阻尼产生的机理按物理现象的不同,通常可分为以下五类:材料阻尼、摩擦阻尼、能量传输、机械能与电能的转换效应、频率转换。

　　3　阻尼材料

　　在结构制造中,采用高能量耗散机构的最典型方法是利用粘弹阻尼材料对结构进行阻尼处理。在很多有关减振的资料里,我们都可以看到以下这张图(见图1)。通过典型粘弹阻尼材料的曲线与典型结构材料的平均曲线相比较,便可以清楚地看出粘弹阻尼材料能量比典型结构材料多耗散上百倍或更多的能量。不过,粘弹阻尼材料的高阻尼能量特性只有在将其适当地用于结构元件的制造中才会有实际用处,如粘弹阻尼板类构件或阻尼结构型体。

　　粘弹阻尼材料兼有某些粘性液体在一定运动状态下损耗能量的特性和弹性固体材料贮存能量的特性。粘弹阻尼材料介于这两者之间,因此,当它产生动态应力和应变时,有一部分能量被转化为热能而耗散掉,而另一部分能量以位能的形式贮存起来。能量被转化和耗散的现象表现为机械阻尼,利用它可以抑制结构的振动和噪声,这在近代机械、建筑、航天航空、交通运输、体育器材和环境保护等许多领域得到了广泛的应用。

　　粘弹阻尼材料一般为高聚合物。高聚合物弹性体的阻尼系数都比较大,大部分在0.12.0,有些甚至更高。如图2所示,高聚合物由玻璃态转变为高弹态时,在玻璃态转变温度附近具有很大的阻尼。因此可以利用聚合物在玻璃态转变区的高阻尼特性来提高结构阻尼。这种机理相对来说,对温度和频率都是比较敏感的,所以在利用粘弹阻尼材料进行结构阻尼减振设计时,环境温度和频率设计一定不能忽视。

　　4　粘弹阻尼减振

　　在采用粘弹阻尼材料进行减振设计时,粘弹性层一般有两种结构形式。一种是非约束(自由)阻尼层,这是将粘弹阻尼材料直接粘贴或喷涂在需要减振的金属表面,当结构振动时,通过粘弹阻尼材料的弯曲、拉伸吸收能量;另一种结构形式是约束阻尼层,是将粘弹阻尼材料粘合在结构基材表面与金属约束层之间,当结构振动时产生弯曲变形,由于金属约束层的抑制作用,粘弹阻尼材料在两层弹性板中产生很大的剪切变形,从而产生很大的阻尼,其结构损耗因子可达0.5左右,这种形式的结构阻尼除受阻尼材料的影响外,还同被防护的结构、约束层的性质、阻尼处理的方式以及这些因素间的相互影响有关。因此,采用粘弹阻尼材料进行减振设计时,弄清阻尼材料的性质和结构处理的特点,并使两者合理的结合,是阻尼结构设计成功的关键。