工程机械各态约束阻尼结构动力学研究探讨.pdf
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1、第 卷 第 期太原科技大学学报.年 月 .文章编号:()收稿日期:基金项目:国家自然科学基金()山西省研究生创新项目()作者简介:乔冠森()男硕士研究生主要研究方向为工程机械与车辆智能化及 技术通信作者:燕碧娟教授:.工程机械各态约束阻尼结构动力学研究探讨乔冠森燕碧娟罗 骞赵章达李占龙(.太原科技大学 车辆与交通工程学院太原.太原科技大学 机械工程学院太原)摘 要:工程机械在“一带一路”建设中发挥着主力军作用 为有效降低整机振动与噪声水平可在其上采用各态阻尼结构 该文针对粘弹结构动力学特性中的材料温频变及结构参数多变性等难题综述了粘弹约束阻尼结构动力学特性的四种主流分析方法 介绍了粘弹约束层阻
2、尼结构的代表性敷设形式重点归纳总结了各种研究方法的优缺点指出了动力学分析有待进一步探讨的问题 为我国工程机械减振的应用研究提供一定的参考同时可为阻尼技术在各个经济领域里的广泛应用提供研究方法关键词:工程机械阻尼结构粘弹减振动力学特性中图分类号:文献标识码:./.在结构上振动烈度较大部位敷设粘弹性阻尼结构可有效降低工程机械的振动 粘弹阻尼结构的阻尼性能受到多种因素的影响如材料的剪切模量、阻尼系数、阻尼层的厚度等目前各类阻尼附加结构主要有自由阻尼和约束阻尼处理两种前者利用其表面的粘弹阻尼层通过交替的拉伸变形实现预期的减震降噪效果后者是通过粘弹性阻尼层内的剪切变形来实现结构的耗能 世纪中期在自由阻尼
3、结构的基础上提出了三层阻尼结构增大粘弹性阻尼材料层间的剪切应变此结构就是现在常用的约束阻尼层结构 随后使用约束阻尼优化方法研究了层合梁弯曲变形下的振动特性 等人建立了六阶齐次微分方程在 的基础上得出了解析解研究了粘弹性约束阻尼夹层简支梁的弯曲振动问题 等人使用能量法和哈密顿原理构造出运动方程和六阶微分方程对不同边界条件下的约束阻尼层梁的固有频率和损耗因子进行了分析比较有限元方法是结构动力分析的一种重要手段 等人采用有限元方法对三层阻尼结构进行数值求解进一步对该结构的模态阻尼比和频率进行了分析 等人基于简化法和精确法给出了两种计算模型分析了固有频率和耗散系数对局部覆盖粘弹性材料对约束阻尼夹层梁的
4、影响桂洪斌等人总结了有限元法在粘弹性阻尼层结构动力学问题的研究成果 李世其等将分数阶微分方程与温度频率等效原理相结合研究粘弹性阻尼结构的动态性能 黄志诚等总结了附加粘弹阻尼层薄壁结构的振动问题研究进展 李恩奇等采用哈密顿原理构造了 矩形板的运动方程和边界条件提出并利用分布参数传递函数法进行求解得到 矩形板、圆柱壳的动力学特性目前关于阻尼结构动力学特性分析方法及应用研究已公开发表的文献已有很多但对阻尼结构动力学特性研究方法的总结鲜见报道 鉴于此本文首先介绍了约束阻尼结构的不同形态延伸演变形式总结了粘弹约束阻尼结构动力学特性的研究方法和发展现状重点介绍了近 年主流方法的研究进展并提出了一些待解决的
5、问题为后续阻尼结构在工程机械的应用研究提供一定参考 约束阻尼结构及其各态延伸形式约束阻尼结构()及其各态延伸形式见图 所示 常见的被动约束阻尼结构()是在自由阻尼结构()基础上增设弹性约束层(大多数为金属层)而成其主要借助阻尼层的剪切切变消耗机械设备的多余振动能量被动约束阻尼结构的典型形式为三层简支梁或板、壳其虽然能够实现一定的缓冲减振效果但难以对振动设备多变的载荷形式做适应性调整因此主动约束阻尼结构()应运而生其采用磁流片、压电片等敏感材料从而可以随着外部环境的改变和对振动的要求而进行调整并根据外部的激励能量对阻尼结构的阻尼特性进行调整但 在实现大阻尼时必须输入很高的控制增益该系统的可靠性较
6、低严重时还会引起系统的不稳定而且 的设计、生产、运行费用都非常昂贵此外近年来延伸出了智能约束层阻尼结构包括可控约束层阻尼结构()、磁约束层阻尼结构()等 是将若干个压电片附着于 的弹性约束层上以此作为驱动器 通过将两对互为引力的永磁材料置于控制结构的支撑与约束层之间使其在控制结构中的运动状态下产生一种动态的电磁作用力进而影响阻尼层剪力$-%$-%.$-%-%1$-%图 各态延伸阻尼结构.综上在诸多学者的潜心研究下阻尼结构已获得长足的发展其动力学特性的研究目前常用方法有:()解析法()有限元法()模态应变能法()分数阶导数法 解析法在 动力学分析上的研究进展在特定条件下对于结构简单、形状规则的约
7、束阻尼板或梁结构根据约束层阻尼结构各层本身具有的本构关系按照能量守恒原理和静力学平衡等式来建立整个阻尼结构的动力学微分方程随之求出方程的解析解即为解析法针对梁、板结构 和 推导了单频振子和双频振子分布的悬臂梁的模态阻尼比的显式解析公式 等人介绍了一种基于广义统一公式的含弹性体层的杂化层合板的分析建模方法创新之处在于将 混合变分定理()应用于粘弹性层合板的动力分析这种分析建模方法可以精确分析层合板的静态和动态行为 等人在高阶模态假设的基础上利用 方法构建了一种动力学方程对其动力学特征和动力学响应问题进行了分析 但是因为高阶模态假设的存在这种方法的求解过程非常麻烦而且准确性也不高 等人综合考虑纤维
8、增强复合材料和粘弹性材料的非线性对圆柱壳的的非线性振动特性进行了分析综上将解析方法运用到 动力学的推导中可得到该系统的准确解 但由于其解法仅适用于简单的阻尼结构、特殊的边界条件难以在工程中推广使得其在近几年的发展缓慢 有限元法在 动力学分析上的应用发展有限元分析法是现代工程机械动力分析中不可缺少的一种重要方法 有限元方法因其能快速求解多种结构型式及边界条件且能快速求解出符合工程计算精度要求的的方程解因而在粘弹阻尼结构动力性能分析中得到了广泛应用伍先俊建立了三层阻尼梁结构的 节点壳单元的有限元模型对比解析法验证了基于模态应变能有限元计算方法的准确性 等构建了四种不同的粘弹复合约束结构的整体有限元
9、分析方法对比分析各方法在数值稳定性、收敛性及计算精度等方面的差异 、第 卷第 期 乔冠森等:工程机械各态约束阻尼结构动力学研究探讨等基于哈密顿原理分别构建了不同节点单元的整体梁有限元控制方程分析了整体梁的主被动阻尼特性 等人基于有限元法、能量法和哈密顿原理建立了 薄板结构的动力学模型结果表明该模型在不同的边界条件下都是准确的如图 所示为有限元分析下的悬臂薄板的前二阶模态振型 和 等人提出了一种新的变厚度层合壳单元所设计的壳体单元避免了网格的重新划分方便了阻尼厚度方案的设计BC图 悬臂板的前两种模态振型.以上作者在构造 组合单元时均使用的是标准的多项式位移形函数若要获得 组合单元的准确求解则需对
10、其进行细分这就使计算变得复杂 为了使计算程序简单并能快速获得准确的结果 和 等针 对 梁 和 板采用 正交函数法来构造位移形函数 燕碧娟等人对于传统的约束阻尼结构提出一种层间约束过渡阻尼结构的设想(见图)探讨了过渡层对结构耗能的影响规律谱有限元法是一种基于频谱分析的数值方法用于求解偏微分方程 它是将有限元法和频域分析方法相结合的结果可以有效地解决一些难以用传统有限元方法求解的问题 与传统有限元法不同谱有限元法是将求解域分解为一系列正交基函数采用谱分解的方法建立数学模型使得在频域范围内解的精度得到保证 谱有限元法的优点在于求解精度高、收敛速度快适用于非线性问题和高阶偏微分方程等 和 等针对悬BC
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