减振原理
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1 阻尼减振机理
弹性变形:物体受外力作用产生了变形,除去外力后物体发生的变形完 全消失,恢复到原始状态的变形 弹簧就是一种利用弹性来工作的机械零件 弹性变形:变形可逆,应力应变呈线性关系
弹性模量:原子间结合力的反应和度量
弹性常数: E:正弹性模量(杨氏模量) v:泊松比 G:切弹性模量 E=2(1+v)G
金属内部应力应变滞迟回线
1 阻尼减振机理
金属在低应力的状况下,主要由黏滞弹性产生阻尼. 而在应力增大时,局部的塑性变形应变逐渐变得重要,其间 没有明显的分界. 由于这两种机理在应力增长过程中同时存在,共同作用,且 随着应力的大小而发生变化,所以金属材料的阻尼在应力变 化过程中不为常值,而在高应力和大振幅时呈现较大的阻尼.
三明治夹心结构(肉夹馍)
1 阻尼减振机理——小结
常用的复合材料有纤维基材料、非金属基材料和金属基材 料等,均是利用各种基本材料和高分子材料复合而成. 例如用作精密机床基础件的环氧混凝土,则是以花岗岩碎 块作为基体,用环氧树脂做黏结剂所制成的复合材料。
1 阻尼减振机理——小结
另外,当两类不同材料的构件整体黏结在一起构成新 的拼装材料时,在两个构件的接触面上会产生接合面 阻尼和库仑摩擦阻尼.其机理也是由于外力和相对位移 之间的迟滞回线引起的.
2 阻尼减振材料
衡量阻尼材料的最重要的参数是材料损耗因子 大多数阻尼材料的损耗因子是环境条件的函数,随环境温 度、激励频率的不同而变化. 常见的阻尼材料有: 黏弹性阻尼材料、 阻尼涂料、 沥青型阻尼材料、
复合型阻尼金属板材、
阻尼合金。
2 阻尼减振材料——黏弹性阻尼材料
黏弹性阻尼材料是目前应用最广泛的一种阻尼材料. 该材料可以在相当大的范围内调整材料的成分和结构,从而满足不同温度和频 率的要求. 黏弹性阻尼材料的主要成分是塑料和橡胶,通常以胶片的形式生产. 在使用时,选择合适的黏结剂将其粘在需要减振的结构上. 黏结剂的杨氏模量一般最好比阻尼材料高1〜2个数量级,均匀涂抹厚度在0.05 〜0.1mm较好.常用的有环氧黏结剂等.
1 阻尼减振机理
金属是最常用的机器零部件和结构材料,提高金 属材料的阻尼对减振降噪具有重要的意义. 目前,已有一些合金材料被研制出来,它们的阻 尼比通常金属材料的阻尼高 2〜3个数量级,称为 “无声金属”。
1 阻尼减振机理
橡胶等高分子聚合物,由于其独特的结构,常被称为黏弹性材料.
这类材料的分子和分子之间依靠化学键或物理键相互连接,构成 三维分子网.髙分子聚合物的分子之间很容易产生相对运动. 另外,这类材料分子内部的化学单元也能自由旋转.
1 阻尼减振机理——小结
库仑摩擦阻尼和接合面阻尼有相似之处:
它们都来源于接合面之间的相对运动,
而两者之间的区别在于: 接合面阻尼是由微观的变形引起的,而库仑摩擦阻尼则由接合 面之间相对宏观运动的干摩擦耗能所产生. 通常库仑摩擦阻尼要比接合面阻尼大1〜2个数量级,在工程中 得到广泛应用.
1 阻尼减振机理——小结
2 阻尼减振材料——黏弹性阻尼材料
海水中易脱落,而且容易滋生海蛎子等,生物附着。
增大阻力、钛合金潜艇(台风级)
2 阻尼减振材料——黏弹性阻尼材料 杨氏模量和阻尼
黏弹性阻尼材料在不 同温度下有不同的杨氏 模量和阻尼特性 可分为三个区:
玻璃态区 过渡区 橡胶态区.
2 阻尼减振材料——黏弹性阻尼材料
• 振幅以负指数衰减 exp(- γt),经过时间 τ=1/ γ ,幅度衰减到1/e=0.37
2m 1 衰减模量 Rm
力学品质因素
Qm
0m
Rm
mK K Rm 0 Rm T0
t exp( t ) exp Q T m 0
2 阻尼减振材料——黏弹性阻尼材料
随着频率的升高,材料的杨氏模量逐 渐增大,但损耗因子却先变大,后变 小,和黏弹性阻尼材料随温度的变化 有一定的相似性. 研究发现,对大多数黏弹性材料来说, 温度和频率这两个参数之间存在着等 效关系. 对其性能的影响,高频相当于低温, 低频相当于高温. 因此,可以利用这种关系将这两个参 数合成—个参数,称为当量频率.
1 阻尼减振机理
位移
速度
F X K 1 if 1 f Q
2
加速度
2 F A K
1
1 f 2
if Q
02 F
K
f2
1 f 2
if Q
1 阻尼减振机理
损耗因子η:用于表示阻尼的大小,定义为系统振动时单位 周期内损耗的能量ED与系统的最大存储ES之比除以2π。
1 阻尼减振机理
塑性变形:载荷增加到一定程度时,材料发生的变形不能完全消失而一 部分被保留下来,被保留的变形称之为塑性变形或永久变形。 衡量金属材料塑性好坏的数量指标,称为塑性指标, 一般以材料开始破坏时的塑性变形量来表示
测量塑性指标的实验方法: 拉伸实验、镦粗实验、扭转实验
拉伸实验可确定如下塑性指标: (1)伸长率:δ(%) δ>5%,塑性材料 δ<5%,脆性材料 (2)断面收缩率:ψ(%) 塑性性能与之成正比
3 阻尼减振结构及其应用
阻尼减振主要通过阻尼器件和阻尼结构来实现 常用的阻尼减振器件有各种动力吸振器等; 阻尼结构则可分为三大类: ①直接黏附阻尼结构,如自由层阻尼结构、约束层阻尼结构、
多层约束阻尼结构等;
②直接附加固定的阻尼结构,如封砂阻尼结构,空气挤压薄 膜等; ③直接固定的组合阻尼结构,如接合面阻尼结构等.
阻 尼 振 动
在实际工程中,常常采用各种方法, 人为地增加系统的阻尼,以达到减 振降噪的效果.
1 阻尼减振机理
阻尼振动方程
Rm x Kx 0 mx
2 x 2 x 0 x 0
γ:阻力系数,由物体的形状、大小和介质的性质决定 Rm:阻尼因子或者衰减常数 ɷ0:无阻尼时振子的固有角频率
产生能量耗散的各种物理机理从原理上都可以产生阻尼, 例如,动力吸振器利用振动耗散系统能量, 利用磁电效应将机械能转化成电磁能的阻尼器, 将机械能转成超声波的声阻尼.(高频转化效率高)
2 阻尼减振材料
吸声材料是材料内部有许多连通的细管 或毛细管状结构,声波能传播到吸声材 料内部,因毛细管中空气的黏滞性消耗 声能;(微穿孔板) 隔声材料的基本要求是面密度大,必须 “不透气”; 隔振材料是弹性模量大的材料,做成螺 旋状、波纹状等形状构成大弹性系数的 构件; 阻尼材料则是内阻尼特别大的材料,在 振动过程中,因产生形变由黏滞性而消 耗振动的能量.
1 ED 2 ES
阻尼材料损耗因子η的常用测量方法有两种: 频率响应法和混响法.
1 阻尼减振机理
一般将其做成板状窄条,用 宽带或单频振动源激发,然 后进行相应的测试。
悬臂梁共振法
连续改变激励频率,测出试 件的谐振曲线,根据所测量 的谐振频率和半功率宽度, 依据所给公式即可计算出材 料的各模量值和损耗因子。
2 阻尼减振材料---其他的阻尼材料
例如 由Mn-Cu系合金构成的阻尼合金, 既是结构材料, 又是髙阻尼材料, 具有减振效果好、机械强度高、耐腐蚀等优点.
2 阻尼减振材料---其他的阻尼材料
玻璃状阻尼陶瓷:在高温下常用的阻尼材料; 在抗静电要求较髙的条件下,阻 尼材料一般为橡胶或塑料材料, 另外还有抗冲击的隔热阻尼材料。 在不同的应用场合需要选用不同 的阻尼材料,也可根据应用场合, 开发新的阻尼材料。 (载人航天、发射、落回减振。)
1 阻尼减振机理——小结
好的阻尼材料从微观上讲,在外力作用下产生的不可恢复 的形变或位移越大越好.
如果将两种或多种不同杨氏模量的材料按某种方式结合在 一起构成复合材料,当承受应力时,复合材料内部的不同 部分在相同的应力下就会产生不同的应变,从而产生材料 内部不同部分之间的相对形变或位移,因而大大增加该材 料的阻尼,使之远远大于各个材料单独时的阻尼.
2 阻尼减振材料——阻尼涂料
阻尼涂料是由高分子树脂加入适 量的填料以及辅助材料配制而成,可 涂在金属板状结构表面消耗振动能量, 达到减振的目的. 其阻尼机理和前可喷涂性面介绍 的黏弹性材料相似.但由于其,故在 结构复杂的表面,飞机等的减振中非 常有优越性. 在实际喷涂时,可根据具体情况, 多次喷涂,达到较好的减振效果.该种 材料不但具有减振效果,还常常兼有 绝热和密封性能. 还是以空气中为主。
1 阻尼减振机理
因此,受到外力时,曲折状的分子链会产生拉伸、扭曲等变形; 分子间的链段也会产生相对的滑移和扭转.
当外力除去后,变形的分子链要恢复原位,分子之间的相对运动 会部分复原,释放外力做的功,这就是黏弹性材料的弹性.
但部分分子链段的变化常常不能完全复原,产生永久变形,这就 是黏弹性材料的黏性,这一部分转变为热能并耗散,从而导致黏 弹性材料的阻尼.
1 阻尼减振机理
金属的阻尼较小,在10-5到 10-4之间;
1 阻尼减振机理
木材约在10-2量级;
1 阻尼减振机理
橡胶的阻尼较大,为10-1到10-2之间.
1 阻尼减振机理
对于金属材料,由于振动,宏 观上连续的材料会在微观上因 应力或交变应力的作用产生分 子或晶格之间的相对运动和塑 性滑移等,从而产生能量消耗, 即阻尼.
第4讲 减振原理
1 阻尼减振机理
阻尼:是振荡运动的物体所受到的耗散型阻力.
阻尼振动:能量随时间减小的振动,也可称为减幅振动
摩擦阻尼 • 系统克服阻力做功使振幅收到摩擦 力的作用,系统的动能转化为热能 辐射阻尼 • 振动以波的形式向外传播,使振动 能量向周围辐射出去 由于阻尼的存在,实际的机械振动 系统不可能受到激发就永远无休止 地振荡下去. (只是肉眼或仪器测量不出) 从振动与噪声控制角度讲,阻尼越 大越好.
1 阻尼减振机理
采用混响法测量时损耗因 子的计算公式
f n / f n
1/ Q
fn:第n阶共振频率 Δfn:其3dB带宽 T60为激励一旦停止,衰减60dB的时间 品质因子 Q = 2πEs/ED。
2.20 / T60 f n
1 阻尼减振机理
大多数材料的损耗因子在10-1到10-5之间.
温度较低时,黏弹性材料处 在玻璃态区.此时,材料的杨 氏模量较大,损耗因子较低. 而随着温度升髙,黏弹性材 料进入过渡区.杨氏模量逐渐 减小,而损耗因子逐渐变大. 在过渡区,粘弹性材料的损 耗因子达到极大值时的温度, 称为玻璃态转变温度. 温度继续升高,杨氏模量继 续减小,而损耗因子也逐渐变 小,材料进入橡胶态
金属内部应力应变滞迟回线
1 阻尼减振机理
在低应力状况下,由金属的微 观运动产生的阻尼耗能,称为 金属滞弹性.
金属内部应力应变滞迟回线
1 阻尼减振机理
当金属材料在周期性的应力和应变作用下, 随着应力的增大,由于 金属滞弹性,应 变从0点并不是线性地增至 A点,而是走 了一条略为上凸的曲线OPA; 当应力变小时至反方向时,应变也不是直 接从A点回到O点,而是经B点到C点. 在一次周期应力循环中,构成了应力—应 变的封闭回线ABCDA,阻尼耗能的值正比 于封闭回线的面积. 对于阻尼为0的全弹性材料,封闭回线将 退化为面积等于0的直线,A0C0A
2 阻尼减振材料--复合型阻尼金属板材
复合型阻尼金属板材的主要优点有阻尼大,损耗因子 一般大于0.3,因而减振降噪效果好; 耐热性耐久性好,有的板材可在140°C的空气中连续 工作1000小时; 机械性能好,对于复合型阻 尼合金钢板,其强度和普通钢板 大致相同,容易焊接.
另外,它具有阻燃、耐水、 油等污染Leabharlann Baidu耐髙温等特点,适合 于较广泛的环境.
2 阻尼减振材料---沥青型阻尼材料
沥青型阻尼材料一般以沥青为基材, 配入大量无机填料混合而成, 在某些时候,还加入适量的树脂、塑料或橡胶等. 它的结构损耗因子一般随厚度增加而增大. 沥青型阻尼材料目前在汽车行业中使用较多.
2 阻尼减振材料--复合型阻尼金属板材
复合型阻尼金属板材指的是在两 块金属板之间加入很薄的黏弹性阻 尼材料. 这种结构的强度由基体金属板保 证,阻尼性能由黏弹性材料的阻尼 和不同材料黏结处的损耗保证. 因而这种材料不仅损耗因子大, 而且具有非常好的强度, 在各行业,如汽车、航天、舰船, 机床等处广泛应用.(夹心结构)