粘弹性阻尼材料的研究与应用：综述外文翻译资料

英语原文共 6 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

粘弹性阻尼材料的研究与应用：综述

摘 要

本文介绍了在工程中用于研究粘弹性阻尼材料（VDM）成形结构的静态和动态振动特性的多种研究方法和理论计算模型的综合评述。该评价通过其物理性质，应用领域和计算方法对传统VDM进行分类。对常规方法和改进方法进行了深入的比较，并对其适用性及包含VDM的工程结构中的每个计算理论的优缺点依次进行了详细的说明。然后描述和比较了以前研究中的粘弹性阻尼材料的数学模型。最后讨论了VDM及其复合材料的未来发展。本文的主要目的是为参与分析和设计必须通过VDM来降低震动的结构的研究人员和工程师提供服务。

关键词：粘弹性阻尼材料阻尼比，损耗因子，分析方法，数学模型

1.引言

在过去多年中已经开发了多种不同类型的粘弹性阻尼材料（VDM）。根据其物理性能和应用，VDM可分为沥青基粘弹性阻尼材料（B-VDM），水性涂料粘弹性阻尼材料（WC-VDM），丁基橡胶粘弹性阻尼材料（BR-VDM），压电粘弹性阻尼材料（PZ-VDM）和颗粒粘弹性阻尼材料（P-VDM）。每种类型的粘弹性阻尼材料都有自己的应用领域以及特定的环境和操作条件。

B-VDM是由添加矿物填料和合成橡胶的沥青组成的高粘弹性材料。B-VDM可以使柔性金属片的声辐射最小化，并且通过增加质量来提高衬底结构的隔振降噪能力，并且其通常用于在-20—90℃和-20—110℃之间的连续温度下自由阻尼和约束层阻尼的衬底操作。由于其低成本，易于实施和高阻尼比，B-VDM主要应用于民用和军用运输系统，例如汽车，飞机和船舶。B-VDM是研究人员和学者研究的第一种粘弹性阻尼材料，并且作为原始材料被用来处理柔性薄壁结构的振动，如汽车框架、飞机机身和船甲板的振动。

W-VDM是一种用水或其他液体作为分散介质的新型的阻尼材料，通常它的价格昂贵，因此用于需要局部阻尼处理的应用。例如，运动产品（网球、羽毛球或者类似球拍）和潜艇外壳。W-VDM具有以下特性：（i）它使用水或其他液体介质作为溶剂（因此它是防火的和有利于环境保护的）；（ii）在广泛的温度和频率范围内提供高阻尼和降噪性能；（iii）它具有很高的固相体积分数，因此在干燥过程中受到的收缩有限；（iv）干膜耐火、耐割炬和焊接；（v）对钢和铝的表面具有的良好粘附性和良好的机械性能；（vi）干湿表面都可以被应用；（vii）许多专利指出了其利用和制备的方法。

BR-VDM是异戊二烯（通常1-5%）和异丁烯的共聚物，广泛用于其高机械能吸收。硫化橡胶具有高阻尼比，良好的耐温变形性和耐腐蚀性。由于其高阻尼比和低密度，BR-VDM广泛应用于工程结构。BR-VDM具有以下特点：（i）它是高度分子材料。它在谐波负载下表现出迟滞应力—应变行为。在每个激励期间，与变形相关的机械能被转换成热能，然后消散。耗散效率受工作温度，激发频率和分子结构的影响；（ii）BR-VDM阻尼比很大程度上取决于组成分子的结构。当分子链改变时，BR-VDM摩擦比大，因此，它散发更多的热量，这导致更高的阻尼比；（iii）BR-VDM在玻璃过渡区起作用。BR-VDM的玻璃化转变温度范围相当宽，通常为-20℃至70℃。由于其可定制的机械性能和表现，BR-VDM被用作运输行业中的噪声、振动和粗糙度（NVH）部件的基本材料。通过改变和修改其组分和成分，提高了VDM的疲劳特性，延长了老化时间，使其成为一种应用于NVH领域的低成本、高效、稳定的性能材料。

PZ-VDM是指包括一种压电本构相的粘弹性材料，PZ材料的特征在于涉及电，机械和热响应之间耦合的机电效应。这种现象包括对电介质PZ晶体施加机械应力，其最终可以将其转换为电能，反之亦然。

PZ-VDM已经发现了两个主要应用：（i）机械结构的减振和降噪；（ii）收集与机械相关的能量并将其转换成电能。

PZ-VDM可以根据被动或主动操作模式进行操作。被动模式相对简单，因为它只考虑惯性质量和合适的粘性阻尼器，如图1（a）所示。相比之下主动模式更加复杂，因为它需要执行器、传感器以及外部控制器，如图1（b）所示。基于PZ-VDM的振动和噪声控制的两种主要技术是分流阻尼和主动反馈阻尼。

图1 通过(a)分流阻尼和(b)主动反馈阻尼进行振动控制示意图，其中FDM表示反馈模块，Va和Vs分别表示执行器和传感器极电压

在两篇调查文章中，Rao和Sunar回顾和讨论了最近的研究趋势，解决了PZ-VDM在柔性结构的分布式传感和振动控制。Benjeddou进行了一项调查，并详细讨论了混合主动-被动结构振动控制的最新进展。这里制订了几个表来清晰的描述混合主动-被动结构振动控制。

与B-VDM和BR-VDM相比，PZ-VDM的使用更麻烦是因为需要具有合适反馈定律的传感系统和控制器。另外，其收集和振动控制性能强烈依赖于传感器的灵敏度和操作频率。结构振动是宽带的性质，通常在三、四十年，而压电传感器的操作范围通常是窄带。

另一种类型的材料是由PZ-VDM代表。它们也称为颗粒阻尼材料，并且由VDM或VDM涂覆的颗粒（通常半径为15nm至3mm）制成，例如铅或钨，其可以在颗粒的相对运动引起的摩擦和变形之后将振动能吸收，转化和消散成热。P-VDM广泛应用于车辆泥浆挡板，地铁隧道和桥梁等应用中，以减少噪音和振动。砂和粒状橡胶作为原始的P-VDM被应用，被填充在工程机械和航空航天材料，如机床主轴。Lenzi实验研受填充剂质量和管压力影响的填砂管的阻尼性能，并指出管的损耗因子（LF）和P-VDM质量之间的近似线性关系。Sun等人也许是第一个彻底研究P-VDM的阻尼特性的研究者，他们应用统计能量分析（SEA）的方法来估计在充满砂的不同条件下工程结构的损耗因子。他还通过了实验验证了结果。Papalou和Masri应用钨粉组成颗粒阻尼结构对建筑物的振动进行减振。他们开发了单一单元冲击阻尼器的分析和实验模型。结果表明，通过使用适当量的钨粉可以实现显著的降噪和减振。为了最大化结构阻尼和质量比，在Michon等人的研究中将具有中空球的软P-VDM材料应用于复合铝蜂窝板。研究结论是，即使在高频范围内，该结构也能实现大的阻尼因子。P-VDM具有以下优点：（i）它具有弱的频率和温度依赖性，因此它可以在宽范围的操作条件下实现宽带性能；（ii）P-VDM的振动能量转换和转变主要通过表面摩擦和随机质量碰撞发生，没有大的或重复的变形，因此表现出长的寿命周期；（iii）由于机床和车辆部件的工作频率范围很小并且由主谐波（例如机床的主轴或车辆的泥浆挡板）控制，则颗粒的正确的类型、尺寸和稠度可以被选择。

2.VDM的应用方法

VDM由于其良好的机械性能而广泛应用于诸如国防和航海，车辆运输和航空航天工业的机械结构中。VDM不仅重量轻和成本低，可靠性高，易于实施，而且还具有相当大的噪声和振动控制能力，特别是当应用于轻质和柔性结构。VDM机制的理论分析可以追溯到1950年初。Lieacute;nard、Oberst和Mead对复合梁和板进行了彻底的研究。之后，一些研究人员研究了VDM横梁、板和壳结构。读者如果想要获得关于这些早期工作的详细信息，还可以参阅Mead和Markus、Yan和Dowell、Rao等人、Kristensen等人、Kumara和Singh以及Sher和Moreira的文献。Rao详细回顾了粘弹性材料在汽车和商用飞机中控制振动和噪声的应用。基于最新的拉格朗日方法，Wang等人构造了的本构模型，解释了VDM飞机挡风玻璃的速率和温度效应，研究了其在高速冲击载荷下的机械性能，并通过商业软件LS-DYNA进行数值模拟并获得了其动态行为。

2.1 VDM常规应用方法

传统上，VDM应用于以下不同模态：自由阻尼层（FLD）、约束的层阻尼（CLD）、部分约束的层阻尼（PCLD）和主动约束的层阻尼（ACLD）。FLD是最简单的应用方法，其包括将VDM贴片（通常通过表面粘合）应用于感兴趣的结构。然而，这种方法的性能是有限的。CLD，也称为混合阻尼，是一种有效的应用方法，其主要用于工业。ACLD具有自适应和自我监测能力，并且当与PZ-VDM结合使用时呈现高损耗因子。PCLD被证明是一种很好的应用机械工程产品的方法。自2000年以来，关于VDM的研究和应用以及在Elsevier Village上发表的研究文章逐年稳步增加，如图2所示。

图2 2000年以来，Elsevier Village每年发表的与VDM相关的研究论文的数量

近年来，汽车工业不断地投资于开发减少噪声和振动以及改善内部舒适性的方法（通常表示为车辆的NVH的区域），VDM已经在车辆部件和子系统中发现了许多用处，例如间隔件，稳定器，排气系统悬挂器和发动机安装系统，如图3所示。

图3 (a)排气系统(b)发动机安装系统(c)排气系统吊架(d)由VDM制成或包含VDM零件的NVH零件，明确设计以减少和隔离振动能量

许多学者研究了VDM在排气悬架或隔离器，以及发动机悬置系统的应用并量化了其对减振和隔离的影响。Rao等人利用两种不同的测量方法研究了排气悬架的动态刚度和阻尼特性：振动激励和电液致动器方法。他们得出结论，除了低频之外，两种测试方法之间所估计的动态刚度和损耗因子的结果是可比较的。Nakahara等人改进了仅由固体VDM制成排气管的传统设计，并提出了一种由VDM和薄金属环组成的新的悬挂器，新的吊耳在宽频率范围内提供了比传统设计更低的动态刚度。在高频范围内实验测量动态刚度，并通过有限元法验证结果。与排气管悬挂器研究相比，发动机支架对于汽车和机械工业更具有实际意义。因此，几个研究人员已经研究了VDM在发动机悬置系统中的应用，主要集中在识别最佳处理位置，滤除特定频率，获得最大化接头部件的损耗因子以及隔离发动机振动。Ooi和Ripin研究了使用冲击技术的发动机橡胶安装系统的动态行为，为其动态特性提供了一种替代和方便的测量方法。Jung等人研究了周期性插入的VDM结构的“阻带”特性，其可以应用于发动机悬置系统中，以获得宽范围的隔振。理论模型基于有限元方法和转移矩阵方法，并且结果通过实验和使用商业有限元软件验证。在他们的结论性研究中，他们分析了VDM在发动机和其他工程结构方面的潜在应用。Hausberg等人通过实验和理论研究了主动发动机悬置中的次级路径变化，其由VMD弹簧和隔膜构成。实验结果表明，该设计能够将振动降低到400Hz。在他们的综述文章中，Yu等人回顾了自20世纪30年代以来VDM在发动机悬置系统中的被动应用。他们的工作考虑了专利，研究文章和技术说明。

一般来说，VDM的传统应用集中在以下方面：（i）将VDM直接结合或嵌入需要在特定位置进行振动减轻和控制的结构中。PCLD产生的性能最高，其次是ACLD，CLD和FLD；（ii）减少振动和能量传输，特别是通过改变振动传播路径和增强NVH部件和系统的振动吸能，如图3所示。VDM组件的主要功能是根据振动频率进行工作，并且工作频率集中在一个有限的频率区内。因此，VDM组件在特定工作环境中具有良好的适用性。

2.2 其他具有嵌入式功能结构的VDM，如纳米结构和纳米材料

传统的VDM（如B-VDM，BR-VDM和W-VDM）和应用方法（如CLD，ACLD和PCLD）能够覆盖相当广泛的工程应用。然而，人类继续追求和和渴望改进性能并且开发新的技术和构造，例如纳米结构和纳米技术。为了更精确地调整VDM结构的物理性质，尤其关注了影响吸能和减振的参数（例如损耗角正切，摩擦系数，存储和耗散模量等），不同类型的纳米结构的使用被探索。碳纳米管，碳纳米纤维，纳米弹簧和纳米颗粒都被嵌入到VDM结构中。由于它们有利的制造特性以及它们的冲击和振动性能，VDM嵌入的纳米结构正越来越多地应用于密封件，齿轮和轴承以及人体结构的摩擦学应用中，例如髋关节假体。从动态力学性能的角度来看，Gibson等人回顾了纳米管及其复合材料的应用，特别是由VDM和纳米管形成的复合材料。Thostenson等人回顾了基于VDM复合材料的纳米管的应用和研究，并指出大多数纳米管复合材料的研究集中于纳米管基聚合物复合材料的发展。Thostenson和Chou研究了基于聚苯乙烯基体的多壁碳纳米管（MWCNT）—增强复合材料，作者观察到，使用嵌入的纳米管，改善了复合材料的拉伸模量，屈服强度和极限强度。此外，作者观察到弹性模量与定向纳米管复合材料的改进是随机取向复合材料的改进的五倍，如图4所示。

图4 (a)储能模量和(b)嵌入纳米管的VDM的静应力应变

根据微结构特性，纳米管分为单壁（SW）和多壁（MW）碳纳米管（CNT）。在减振方面，填充MW-CNT的VDM的性能优于具有相同填充分数的SW-CNT的性能。这是由于MW-CNT的机械性能，如拉伸和储能模量和热导率，高于SW-CNT的机械性能。因此，基于MW-CNT的VDM已经吸引了更多的研究兴趣。Ogasawara等人研究了分散在VDM中的MW-CNT（三重热固性聚酰亚胺是一种最新开发的具有较高玻璃态过渡温度的苯乙炔基端聚酰亚胺），并且测试了具有不同质量分数的MW-CNT的复合材料（例如重量百分比为3.3、7.7和14.3）。实验结果表明，当断裂应变减小时，弹性模量和屈服强度增加，如图5所示。动态力学分析表明，通过添加MW-CNT，VDM复合材料的玻璃态转变温度也增加了，因此拓宽了新应用的操作范围和开辟了新的可能。

图5 (a)嵌入MW-CNT的VDM的动态参数(b)嵌入MW-CNT的VDM的应力/应变曲线

Shaffer和Windle研究了在不同温度和体积分数下用纳米管和乙烯醇制造的复合材料的特性。作者得出结论，当在高于玻璃态转变温度下操作时，纳米管体积分数对复合材料刚度具有更显著的影响。通过复数与实际模量的正切比来测量，在玻璃态过渡温度下，发现纳米管的体积分数对复合材料的阻尼性能有很大的影响。在玻璃态过渡温度下，损耗正切值随体积分数的增大而减小。作者还指出，纳米管可能不是

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[140658]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word