高阻尼金属材料在机械制造中的应用研究

高阻尼金属材料在机械制造中的应用研究

摘要：高阻尼金属材料是一种新型的减振降噪功能材料，具有传统金属材料的

强度，硬度等力学性能，又具有独特的阻尼特性，主要包括阻尼合金，复合阻尼

材料以及粉末冶金多孔材料。随着科技的发展和进步，振动和噪声问题越来越严重，为机械制造行业带来新的挑战。传统的单一的金属材料已经不能满足需求，

高阻尼金属材料能够通过特定的阻尼机制迅速的将振动能量转化为热能而耗散从

而使振动快速衰减。其在机械制造中的价值越来越得到认可。在制造业中应用高

阻尼金属材料的方法主要是前期有限元分析和后期振动测试试验。

关键词：高阻尼金属；机械制造；有限元分析；振动测试。

0 引言

机械制造行业对国民经济的发展起着关键的支撑作用，建筑、汽车、航空航天、国防军工等各个领域的发展都是以机械制造的技术不断提升为前提的。但是

随着科技的发展，不管是军工还是民用领域，振动和噪声的问题越来越突出，机

械设备的功率，速度不断加大，引起的振动噪声急剧增加，给人们的身心健康带

来影响。同时，振动和噪声可以导致材料疲劳，影响加工精度，降低产品质量，

降低机械零件的可靠性，给人们的生命财产安全带来威胁。

为此，人们探索了减振降噪的方法。在振动控制方面，一个方向是提高材料

的静刚度，即研制具有高的弹性模量的硬质合金材料，在同样交变载荷的作用下，硬质合金制零件表现出更小的应变振幅，比如已经取得应用的机加工刀具的刀杆

结构大多采用高弹性模量的硬质合金材料。但是这种方法的缺陷是加工制作成本

很高，且加工难度大，同时对于高频振动反而起不到很好的减振目的。另一个方

向是研究具有阻尼性能的新型阻尼材料，高阻尼金属材料能够通过自身阻尼机制，将振动能量转化为热能，从而使结构件的振动能量耗散，降低结构件的振动和辐

射的噪声。因此，研究高阻尼金属材料在机械制造领域的应用来降低振动和噪声

具有非常明显的现实意义。张庆庆等[1]对于空间相机支撑组件的振动特性研究表明，使用阻尼合金作为支撑组件的部分零件，可使空间相机的振动幅值降低15%

以上。目前在对各种阻尼合金的研究中，对高阻尼金属材料的阻尼机制研究较多，但对其工程应用研究较少[2]。

1 高阻尼金属材料的分类

1.1 阻尼合金

阻尼合金是指具有结构材料应有的强度并能通过阻尼机制把振动能转化为热

能而耗散的合金。典型的阻尼合金包括复相型阻尼合金（Zn-Al系），孪晶型阻尼合金（Mn-Cu系），位错型阻尼合金（Mg系），铁磁型阻尼合金（铁基）等。

不同类型的阻尼合金，其阻尼机理不同，但都是通过材料结构微观的变化实现宏

观的减振性能。

1.2 复合阻尼材料

复合阻尼材料是具有特定的夹层结构的复合阻尼板，是由金属和粘弹性高分

子材料复合而成的金属功能材料。当复合阻尼板受迫振动时，高分子材料和基板

之间产生剪切变形，从而吸收大量的振动能量，其减振性能为普通碳钢的1000倍。复合阻尼板可应用于抑制共振峰值，降低机械加工件表面振动和噪声的传递。复合阻尼材料在汽车发动机的隔板，轮船的船舱壁等很多板状部位都得到了应用，为制造业的升级提供了材料支持。

1.3 粉末冶金多孔材料

粉末冶金多孔材料既具有金属材料强度大、耐高温、导热、导电等优良性能，又具有一定的孔隙度。这种材料作为消声器，消声效果好，重量轻，结构简单。

这种多孔材料之所以能够降低噪声，主要是利用多孔材料的透气性所排放气流经

多孔材料过滤，扩散成无数小气流，使气压大幅度降低，流速也因扩散而减小，

此外多孔材料本身即具有吸声及降低声能的作用。

2 高阻尼金属材料在机械制造中的应用

高阻尼金属材料在机械制造领域有着广泛的应用前景，特别在机械、仪表、

航空、造船等方面。比如在航天工业，飞机舱壁、发动机罩、涡轮机叶片、精密

仪器舱等都采用了高阻尼金属材料加工；在船舶工业，发动机的旋转部件和螺旋

桨等机械构件都有采用阻尼合金材料，降低振动和噪声的辐射；在汽车行业，汽

车轮毂，刹车装置，发动机安装装置，减速器等均有采用阻尼合金材料，复合阻

尼板可应用于汽车车身，高阻尼金属材料的应用对于整车NVH有明显的改善，由于减少了结构的刚固化所需的材料重量，使汽车轻量化设计得到更大的发展空间；在高层建筑、桥梁建筑工程领域，高阻尼金属材料的应用可以起到抗衡地震、台

风等不利因素冲击的作用。

3 高阻尼金属材料在机械制造中应用的技术路线

高阻尼金属材料本身的阻尼性能由内耗的大小来表征，不同材料的内耗不同，代表材料的减振性能不同。但是在机械制造中要应用高阻尼金属材料是一个系统

的工程。理论上阻尼材料应用在应变振幅大的地方减振效果最好，但在实际的工

程应用中，阻尼合金应用的位置、结构尺寸、形状等因素都会影响减振效果。比

如阻尼合金制螺栓，在应用的过程，螺栓预紧力也是一个影响构件阻尼性能的关

键因素。

对于大多数新型的阻尼材料来说，在实验室里完成研制其实不再是技术难题。随着研究的不断深入与提速，实验室里已经研制出了各种性能优异的新型功能材料。但是之所以无法投入工程应用，就是因为从实验室向工程实际应用的转换没

有得到足够的重视。大量科研人员都埋头于新技术的研发，导致现有科研成果的

转化研究不足。当前各种新型功能材料的工程化、产业化研究投入过少，很多性

能优异的材料无法转化为实际应用。因此如何将科研成果转化为产业应用，成为

很多科研人员必须面对的问题，也是机械制造领域工程师亟需解决的问题。

工程领域应用阻尼合金依靠的技术手段主要是有限元模拟和振动测试。技术

路线分为以下步骤：创建CAD模型，进行CAE分析，参数修正，试验验证。前三步的设计和分析占用了大部分工作量，最后的试验验证主要目的是验证设计结果

的有效性。有限元分析主要包括模态分析，瞬态响应分析，频率响应分析，模态

分析主要是获得构件的固有频率和模态振型，从而了解结构的振动特性，为后续

试验方案提供指导。王乃亮[3]等人利用动态热机械分析仪（DMA）、有限元分析

软件Patran&Nastran和振动测试设备（DH5981），研究了M2052高合金的阻尼

性能及应用在支撑底座中的减振性能，振动测试结果与有限元分析结果相互印证。

4 结论

随着科技的发展和进步，振动和噪声问题越来越严重，为机械制造行业带来

新的挑战。传统的单一的金属材料已经不能满足需求，高阻尼金属材料能够通过

特定的阻尼机制迅速的将振动能量转化为热能而耗散从而使振动快速衰减。其在

机械制造领域的价值越来越得到认可。高阻尼金属材料作为一种新型的减振降噪

功能材料，具有传统金属材料的强度，硬度等力学性能，又具有独特的阻尼特性。