粘弹复合结构动态力学参数理论及应用研究

发布时间：2020-03-20 17:12

【摘要】：凭借优异的宽频减振降噪能力,粘弹复合结构被广泛应用于航空航天及航海等工业领域。随着新材料的不断涌现,粘弹复合结构的性能更加优越,但机理也更为复杂,其动态力学参数难以通过高效的工程方法获得,无法满足日渐复杂的声振耦合问题的研究需要。另一方面,粘弹性材料动态力学参数的获取依赖于实验测量,开发更便捷、更可靠的测试方法具有重要意义。本文开展粘弹复合结构动态力学参数理论研究,旨在建立适用范围广泛的粘弹复合结构理论模型,给出动态力学参数快速有效的计算方法,并结合工程实际需要将理论应用于材料动态参数测试技术、水下航行器声隐身技术和飞行器环境预示技术中。论文首先建立了更具一般性的自由阻尼结构动态力学参数理论计算模型,考虑基底层、阻尼层各自的拉伸和弯曲变形,将研究范围扩展到基底层具有显著阻尼特性的自由阻尼结构。基于复刚度法和变形能法,提出了自由阻尼结构损耗因子、弯曲刚度的修正计算方法,为便于工程分析,给出了显式求解公式,为自由阻尼结构动态力学参数分析和优化设计提供便捷工具。计算分析表明:本文修正计算方法与有限元方法的计算结果相吻合。论文将修正计算方法应用于大型圆柱壳阻尼效果评估中,给出了不同自由阻尼结构之间的损耗因子换算方法,为敷设阻尼材料的大型圆柱壳和板壳等效模型之间的损耗因子换算提供了理论依据。理论和实验研究表明:通过实验获取小型自由阻尼板的结构损耗因子,可以有效预示大尺寸自由阻尼圆柱壳的阻尼性能。论文建立了具有普适性的粘弹性三明治结构动态力学参数理论计算模型,与经典约束阻尼结构理论(RUK理论)不同,模型中考虑了各层阻尼,且考虑了夹芯层的拉伸变形,在此基础上给出了粘弹性三明治结构损耗因子和弯曲刚度的显示求解公式。与谱有限元方法的结果对比验证了本文方法的有效性。进一步地,将三明治动态力学参数计算方法应用到材料性能参数测试技术中,打破共振悬臂梁测试方法针对三明治梁试件对称性的严格限制,提出了基于非对称三明治梁的材料动态力学参数测试方法。理论及实验研究表明:本文所提的测试方法具有普适性,适用于非对称试件和传统的对称试件;与传统共振悬臂梁测试技术相比,基于非对称三明治梁的测试手段在保证同等测试精度的同时,可大大降低试件制备难度,丰富测试数据。论文建立了多层复合结构动态力学参数理论计算模型,考虑了各层弯曲、剪切和拉伸变形以及各层阻尼效应,适用于由匀质材质构成、层序分布任意的各类多层复合结构。在此基础上,给出了多层复合结构损耗因子和弯曲刚度的计算方法。研究表明:多层复合结构的动态力学参数是频率相关的,且存在高低频渐近值,结构损耗因子随频率先增大后减小,存在阻尼性能最大的优势频段。本文提出的计算方法只需要求解低阶线性方程组,避免了特征值求解难题,比现有方法具有更高的稳定性和更快的计算效率,更方便用于复合结构的参数分析和优化。多层约束阻尼悬臂梁实验表明:基于本文理论求解的模态频率和损耗因子结果与实验结果一致性很好,所提出的计算方法可以有效计算由高阻尼特性粘弹性阻尼材料构成的多层复合结构。论文最后以多层声学覆盖层设计和多层复合飞行器振动预示为应用实例,将复合结构动态力学参数理论应用于工程实践中。论文首先采用具有扩变层的多层约束阻尼处理形式,构建了具有高阻尼特性的多层声学覆盖层,进行了参数影响分析和实验验证研究。研究表明:增加约束阻尼层数、增设扩变层、增厚阻尼层厚度(尤其是第一层厚度)、增加约束层厚度或刚度,都是提升多层声学覆盖层中低频阻尼性能的有效手段。实验结果表明:具有扩变层的多层约束阻尼板在中高频段的减振效果显著。论文最后构建了多层复合飞行器的等效模型,建立了湍流边界下飞行器统计能量分析模型,完成了飞行器飞行状态下的全频段振动预示,振动预示与飞行试验的结果对比表明:本文提出的等效建模方法是有效的,可用于复杂飞行器的简化建模,本文理论可以为复杂声振力耦合分析提供参数输入。
【图文】：

第 2 章 自由阻尼结构动态力学参数分析及应用寸自由阻尼板壳模型的结构损耗因子，B 为大型自由阻尼圆是关于两种基材损耗因子和阻尼材料损耗因子的函数。文换算方法在实际工程中的有效性，采用长度为 3.6 m、直钢质圆柱壳，以及长度为 1.3 m、宽度为 1.1 m、厚度为 5.5了不同基材的自由阻尼结构损耗因子测试。敷设的阻尼材料为 1140 kg/m３，杨氏模量约为 2×107Pa，，材料损耗因子测量值实验件自由悬挂于可加压水罐中，水罐内壁粘贴了吸声尖劈方式测量结构的阻尼特性，测试频率范围为 50 Hz～5 kHz，

图 4-5 悬臂三明治梁的实验现场图图 4-6 三明治梁试件：(a)不对称短梁；(b)不对称长梁；(c)对称梁4.4.2 实验结果及讨论4.4.2.1 归一化的位移频率响应曲线首先通过施加宽带激励信号，获得三个三明治梁试件的位移响应信号。将位移响应钢铝H1H2H3H1H2H3H1H2H3间隔材料粘弹性阻尼材料(a)(b)(c)根部梁截面梁长(a)(b)(c)
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V214;V414

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本文编号：2591923