金属橡胶／橡胶复合叠层耗能器的阻尼测试

金属橡胶／橡胶复合叠层耗能器的阻尼测试 金属橡胶,橡胶复合叠层耗能器的阻尼测 试 2008年6月噪声与振动控制第3期 文章编号:1006—1355(2008)03—0152—04 金属橡胶/橡胶复合叠层耗能器的阻尼测试 路纯红,白鸿柏 (军械工程学院火炮工程系,石家庄050003) 摘要:采用电液伺服材料试验机的位移加载方式,对金属橡胶/橡胶复合叠层耗能 器进行动态试验研究.基 于耗能相等原则及正交函数的性质,提出一种精度高,便于工程应用的粘弹等效 阻尼测试 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ,该方法可以通过实 测耗能器恢复力数据方便地计算出损耗因子.依据这一方法对耗能器进行测试, 结果表明金属橡胶/橡胶复合叠 层耗能器具有很好的阻尼减振性能. 关键词:振动与波;金属橡胶/橡胶复合叠层耗能器;动态试验;耗能相等;损耗因子; 阻尼测试 中图分类号:TH113.1文献标识码:A DampingMeasurementofMetalRubber/RubberComposite LaminatedEnergyDissipator LUChun—hong,BAIHong—bai (OrdnanceEngineeringCollege,Shijiazhuang050003,China) Abstract:Makinguseof’theprecisedisplacementcontrollingofthematerialtestingmachine,thedy— namictestingofmetalrubber/rubbercompositelaminatedenergydissipatorisdone.Basedontheprinci— pleofenergydissipationequationandthepropertiesoforthogonalfunctions,aviscoelasticequiv~ent methodofdampingmeasurementisproposed,andthelossfactorofenergydissipatorthencanbeconven— ientlycomputedfromtherestoringforcedatameasured.Thedampingcapacityofmetalrubber/rubber compositelaminatedenergydissipatorismeasured.Theresultsshowthatthedampingcapacityoftheen— ergydissipatorishigherthantheconventionalrubberinlow~equencyrange. Keywords:vibrationandwave;metalrubber/rubbercompositelaminatedenergydissipator;dy— namictesting;energydissipationequation;lOSSfactor;dampingmeasurement 随着现代工业的飞速发展,机械设备趋于高速, 高效和自动化,由此引起的振动,噪声和疲劳断裂问 题亦越来越突出.消除振动和噪声最有效的方法之 一 是采用高阻尼材料,其中应用最广的是粘弹类材 料.然而由于粘弹性材料的阻尼性能受温度和频率 的影响较大,因此在工程领域中的应用具有很大的 局限性?J.为此,设计了一种新型的金属橡胶/橡 胶复合叠层耗能器,该耗能器由金属橡胶/橡胶复合 叠层阻尼材料制成,初步的动态试验研究表明,其本 构关系非常复杂,具有变刚度,变阻尼的非线性迟滞 特性.为了更好地设计,开发及应用该耗能器,就必 须对其阻尼性能进行准确测试.然而由于该耗能器 具有的非线性迟滞特性,导致了无法使用自由衰减 法,共振法,半功率法,相位法等这些基于线性原 理的测试方法对其阻尼性能进行准确的测试. 本文对金属橡胶/橡胶复合叠层耗能器进行了 大量的动态试验研究,基于耗能相等原则及正交函 数的性质,提出了一种精度高,便于工程应用的粘弹 收稿日期:2007-09-01 基金项目:国家教育部新世纪优秀人才支持计划 作者简介:路纯红(1973,),女,河北省石家庄人,在读博士研究生 讲师. 等效阻尼测试方法,并对该耗能器的阻尼性能进行 了测试,其结果对金属橡胶/橡胶复合叠层耗能器的 结构设计及优化具有重要的指导意义. 1金属橡胶/橡胶复合叠层耗能器动 态试验 1.1试验元件及设备 长方体金属橡胶元件如图1所示,外形 尺寸 手机海报尺寸公章尺寸朋友圈海报尺寸停车场尺寸印章尺寸 为 30mm×lOOmm×lOmm,材质为奥氏体不锈钢 0Crl8Ni9Ti,金属丝直径为0.15ram,质量为45g,成 型压力为15T,并进行了回火处理(温度400oC,保温 20min,随炉冷却). 图1金属橡胶元件 粘弹性材料采用中国兵器工业集团第53研究 所研制的PZN13—3橡胶,胶片厚3mm,钢板厚 10mm.设计了专用的硫化模具,采用宁波千普机械 制造有限公司的XLB—D500×500/1000橡胶平板硫 金属橡胶/橡胶复合叠层耗能器的阻尼测试153 化机进行硫化成型,硫化压力>=10MPa,硫化温度 为150~C,硫化时间为30rain.硫化成型后的金属橡 胶/橡胶复合叠层耗能器如图2所示. 图2金属橡胶/橡胶复合叠层耗能器 试验采用位移控制激励,在PLS一20电液伺服材 料试验机上完成.该设备由控制用微机,主机,位移 传感器和载荷传感器等组成,最大静载拉压力 20kN,最大加载行程50ram.不仅能满足大振幅振 动的要求,而且有先进的程控设备,可以精确的控制 振动的频率,振幅和不同的函数波形位移信号,为试 验带来了很大方便.配套设备为东华测试仪器有限 公司生产的DH一5936数据采集与分析系统. 1.2试验结果及分析 金属橡胶/橡胶复合叠层耗能器及其在PLS一20 电液伺服动静试验机上的安装,如图3所示.试验 采用位移控制方式,将从试验机自带的载荷,位移传 感器反馈回来的动态信号进行滤波,去除高频噪声, 然后输人数据采集系统,进行试验数据的实时绘制 和存储. 耗能器 试验机 图3复合叠层耗能器及其在试验机中的安装 金属橡胶/橡胶复合叠层耗能器动态试验振幅 变化范围定为1—9ram,频率变化范围定为0.5— 3Hz.对存储的位移,恢复力的采样信号Y,(i=1, 2,3,…,n)进行处理后,绘制相应的恢复力一位移 迟滞回线,如图4和图5所示.图4表示激振频率 为1Hz,振动幅值为4—8ram的恢复力一位移迟滞 回线;图5表示振动幅值为4ram,激振频率为0.5, 1,2,3Hz(从内到外)的恢复力一位移迟滞回线. (1)由图4迟滞回线随振幅的变化可知:振幅 不同,即使位移相同,恢复力的值也不同,即恢复力 与变形历史有关;振幅不同,耗能器的动刚度发生改 变,同时,迟滞回线的面积(表示耗能器所耗散的能 量)也发生改变,即耗能器的阻尼与振幅有关,耗能 器的动刚度和阻尼均是振幅的非线性函数. ‘ f- .嬲 {,一 图4迟滞回线随振幅变化的图形 (频率1I-Iz) 图5迟滞回线随频率变化的图形 (振幅4ram) (2)由图5迟滞回线随频率的变化可知:频率 不同,耗能器的动刚度随之改变,且变化规律与振幅 变化时相反;迟滞回线的面积随着频率的增大而增 大,即耗能器的阻尼与频率有关. 综上所述,金属橡胶/橡胶复合叠层耗能器的恢 复力同时受振幅和频率的影响,并和变形历史有关, 具有变刚度,变阻尼的非线性迟滞特性,是一个非常 复杂的非线性迟滞系统. 2耗能器的损耗因子 :对数衰减 表征材料阻尼性能最常用的参量有 率,相位差角正切tg(p,损耗因子玑品质因子的倒 ].结合金属橡胶/橡胶复合叠层耗能器 数Q等 的动态试验设计,采用损耗因子叼来表征其阻尼性 能. 2.1粘弹性耗能器的损耗因子 粘弹性材料的应力一应变关系用kelvin模型 表示 门/, 丁=G()+(1) 09 其中,丁为粘弹性材料的剪应力;G(09)和G (09)分别为粘弹性材料的剪切模量和损耗模量; 和分别为粘弹性材料的应变及应变率. 则粘弹性耗能器的恢复力一位移的关系为 Fd=kay+cd(2) 2008年6月噪声与振动控制第3期 其中,为耗能器的恢复力;y和分别为耗能 器的变形及速度;.和C分别为耗能器刚度和阻尼 系数.令变形为 Y=Ymsin(tot)(3) (3)式中,Y为变形幅值,为激励频率.则恢 复力一位移迟滞回线为一标准的旋转椭圆.如图6 所示. 恢复力.’Fd f能器迟滞回线可知,金属橡胶/橡 胶复合叠层耗能器具有明显的非线性迟滞特性,迟 滞回线已不再是椭圆,弹性恢复力中含有非线性成 分.如果仍采用(5)式计算耗能器在一个周期内的 最大弹性储能,则不准确,且往往偏大.因此,基于 耗能相等原则,并利用正交函数的性质,提出了 一 种便于计算具有非线性迟滞特性耗能器损耗因子 的方法——粘弹等效法. 耗能器在一个周期内的耗能AW即为迟滞回线 的面积,可以利用动态试验数据积分得到 AWJFdyJ0f#o,cos(tot)d(tot)(7) 其中,Y,Y,的意义同前,由于耗能器动态试 验采用正弦位移激励的方式,因此Y满足(3)式; 恢复力’F, /1 / Q/位移 图7实测耗能器迟滞回线 为动态试验测量得到的耗能器恢复力采样数据. 根据耗能相等原则,构造等效粘弹性迟滞恢复 力F. F=keqY+c.(8) 其中,和c分别为粘弹等效刚度和阻尼系 数. 由(4),(5)式可知,等效粘弹性迟滞恢复力在 一 个周期内的耗能?及最大弹性储能分别为 AWeq=fFoqdy=盯cqy2(9) = ?y2(10) 令Y=Ymsin(cot一了qT)=一ymeOS(tot),则存在 下面的积分关系 AW.=JFdy1(11) ?.=JFoqdyI=Y+C~qy)dyl= r2,rr fn(ysin(tot)+C~qytocos(tot)) ?ysin(cot)d(tot)=盯y2(12) 比较(12)式及(10)式可知,?=2盯,对于 实测系统,(11),(12)式的实际物理意义是:实测恢 复力,等效粘弹性恢复力分别在滞后位移激励90.的 位移Y上所作的虚功.由耗能相等,令AW=AW., AW,=A帅 ,整理得到耗能器的损耗因子77为, 叼= 从动态试验数据中取出一个周期的位移Y(t) 及与其对应的恢复力数据(i=1,2,3,…),并求出 与Y(t)对应的Y.(t),即可利用(13)式在Matlab中 编程求出耗能器的损耗因子叼. 3测试结果及分析 应用前面的动态试验结果及粘弹等效法,对金 主】 金属橡胶/橡胶复合叠层耗能器的阻尼测试155 属橡胶/橡胶复合叠层耗能器的损耗因子进行了测 试计算.损耗因子及耗能随振幅和频率的变化分别 列于表1,2中. 表1损耗因子及耗能随振幅的变化f频率2Hz) 振幅2mm3mm4mm5rnm 耗能?2.09834.11l16.19188.2572 损耗因子0.52450.51250.49070.4430 表2损耗因子及耗能随频率的变化(振幅4mm) 频率0.5Hz1Hz2Hz3Hz 耗能?4.35405.66186.19186.8946 损耗因子田0.39030.45610.49070.5243 (1)由表1可知,耗能器的耗能?随振幅的 增大而增大,而损耗因子77则随振幅的增大而减 小,即耗能器的阻尼随振幅的增大而增大,表明这种 耗能器具有优良的耗能减振性能. (2)由表2可知,耗能器的耗能?及损耗因 子均随频率的增大而增大,亦即耗能器的阻尼与 频率有关,是频率与振幅的非线性函数. (3)耗能器在低频段的损耗因子77均高于橡 胶,改善了橡胶低频的阻尼性能,拓宽了橡胶的频率 应用范围,具有广阔的开发应用前景. 4结语 阻尼性能测试是耗能器设计和应用的关键问 题.本文通过对金属橡胶/橡胶复合叠层耗能器进 行动态特性试验研究,基于耗能相等原则,并利用正 交函数的性质,提出了一个阻尼测试的新方法一一 粘弹等效法,并对金属橡胶/橡胶复合叠层耗能器进 行了阻尼测试,结果表明: (1)本文所提出的测试方法物理意义明确,且 简便易行,适合于具有非线性迟滞特性的耗能器的 阻尼测试. (2)该方法均采用原始实验数据计算损耗因 子,与其它的测试方法(如拟合曲线方法等)相比具 有更高的测试精度和较好的通用性,能够满足科学 研究及工程应用的要求. (3)与传统的橡胶材料相比,金属橡胶/橡胶复 合叠层阻尼材料是一种减振性能优越的新型复合阻 尼材料,具有良好的开发应用前景. 参考文献: [1]欧进萍,邹向阳.粘弹性耗能器的性能试验研究[J]. 振动与冲击,1999,18(3):12—19. [2]邹向阳,欧进萍.粘弹性耗能器的性能与结构减振试 验研究[J].振动工程学报,1999,12(2):237—242. [3]戴德沛.阻尼技术的工程应用[M].北京:清华大学出 版,1991. [4]张忠明,刘宏昭,王锦程,等.材料阻尼及阻尼材料的 研究进展[J].功能材料,2001,32(3):227—230. [5]邹向阳,欧进萍.粘弹性耗能器恢复力模型的参数影 响[J].振动工程学报,2001,14(1):81—84. [6]彭威,白鸿柏,郑坚,等.金属橡胶材料阻尼测试的一 个新方法[J].实验力学,2004,19(3):342—346. 基于机械作动器的振动主动控制实验研究 卢熙群,靳国永,王东军,张爱东 (1.哈尔滨工程大学动力与能源工程学院,哈尔滨150001; 2.海军驻大同地区军事代表室,山西大同037036) 摘要:基于一种新型的可调机械式主动消振器进行控制算法和实验研究,引入一种相位跟踪控制算法,该控 制算法可自动识别系统激励力与作动器消振力的相位差,以实现最终消振目的. 在实验室环境下,建立结构振动 主动消振实验系统,并进行实验研究.实验结果表明,该控制算法在没有预先获得振源结构力特性的情况下,能实 现相位的在线调节,取得很好的消振效果. 一 商 一 .;表一, 下一