約束阻尼管動態(tài)特性分析方法與應(yīng)用

楊瓊梁，劉靖華，陳 健，唐國安

(1.復(fù)旦大學(xué) 力學(xué)與工程科學(xué)系，上海 200433;2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201108)

為了改善衛(wèi)星在發(fā)射過程中的動力學(xué)環(huán)境，避免設(shè)備儀器因過大的振動而損壞，提高任務(wù)的可靠性，通常在振動傳遞路徑上附加約束阻尼層，用來消耗振動機(jī)械能，降低衛(wèi)星對振動沖擊的響應(yīng)［1，2]。常見的有:在衛(wèi)星和適配器之間引入帶有阻尼材料的隔振器［3－5];將約束阻尼層布置在適配器上［6]。由于粘彈性阻尼材料的力學(xué)性能不同于一般的線彈性材料，在結(jié)構(gòu)引入粘彈性阻尼材料后，其損耗因子等隨著頻率改變，對其進(jìn)行動力學(xué)分析將遇到困難［7]。

本文以帶約束阻尼層的空心圓管作為研究對象，建立這一類阻尼管的數(shù)學(xué)模型，為阻尼管各項幾何及物理參數(shù)設(shè)計提供方法，通過擬合及變換將不同頻率下阻尼管的動剛度以一組參數(shù)表示，將其表示為能夠嵌入結(jié)構(gòu)通用有限元程序(NASTRAN)的形式，便于含阻尼部件的結(jié)構(gòu)的整體動力學(xué)分析。

1 具有支撐功能的約束阻尼管的構(gòu)型和力學(xué)性能分析

具有支撐功能的約束阻尼管由外管、內(nèi)管和填充在中間的粘彈性阻尼材料構(gòu)成。其中，外管是主要承力構(gòu)件，通常用鋁合金等金屬材料構(gòu)成，內(nèi)管主要用于約束阻尼層的表面位移增加阻尼層的變形量，通常用鋁合金或者碳纖維構(gòu)成。在振動時，由于內(nèi)管和外管位移量不同，導(dǎo)致中間的阻尼材料發(fā)生剪切變形，從而使得振動機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒌簟?/p>

在阻尼管的設(shè)計中要綜合考慮多方面的因素，一方面要盡量提高減振耗能的效果，即使得阻尼材料盡可能大的發(fā)生剪切變形，通常可以通過降低外管剛度并增加內(nèi)管剛度來實現(xiàn);另一方面又要使得阻尼管的剛度、質(zhì)量等滿足結(jié)構(gòu)整體的剛度、質(zhì)量等要求及限制。其次又要考慮阻尼材料填充量對減振性能的影響。為此，希望建立阻尼管關(guān)于上述一些幾何及物理參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，例如總體長度、內(nèi)外管壁厚和剛度、阻尼材料長度等等。得到動剛度、損耗因子等在該數(shù)學(xué)模型下的解析解，以便對以上參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，達(dá)到最佳的減振效果。

圖1 阻尼管軸向剖面圖Fig.1 Profile of the axial direction of the damping pipe

下面推導(dǎo)計算交變軸向力作用下，阻尼管的軸向動剛度和損耗因子。

其中，外管外徑為D0、壁厚為T0，內(nèi)管外徑為 Di、壁厚為Ti，阻尼層厚度為Tv=(D0－Di)/2－T0，外管長度為L0，內(nèi)管長度為Li，阻尼層填充長度為Lv。

由于阻尼管結(jié)構(gòu)在軸向是對稱模型，以下推導(dǎo)沿阻尼管對稱軸取右半部分，并且取內(nèi)外管長度的一半同為L。邊界條件變?yōu)樽蠖藘?nèi)外管固定，在另一端外管上施加軸向簡諧力F=F*eiωt。以下將根據(jù)基本力學(xué)關(guān)系以及必要的假設(shè)，推導(dǎo)出右端的位移響應(yīng) u(ω)eiωt。

圖2 阻尼管右側(cè)示意圖Fig.2 Profile of the right－ half of the damping pipe

假設(shè)內(nèi)外管均為薄壁結(jié)構(gòu)，且不計內(nèi)外管的剪切變形，取平行于軸線截面長度為d x的微元分析其受力情況，在結(jié)構(gòu)振動頻率不高的情況下，忽略慣性力，其力平衡關(guān)系為:

圖3 微元受力情況Fig.3 Force condition of the differential element

對于內(nèi)外管有平衡方程

其中，σ*是內(nèi)外管的正應(yīng)力幅值;τ*是阻尼層的剪應(yīng)力幅值;A是內(nèi)外管的橫截面積;l是阻尼層橫截面的環(huán)向周長l=π(Di+Tv);，下標(biāo)o表示外管，i表示內(nèi)管(以下同)。

內(nèi)外管和阻尼層［8]本構(gòu)關(guān)系:

由上述的內(nèi)外管的力平衡關(guān)系和本構(gòu)關(guān)系，可以得到內(nèi)外管的位移需要滿足如下方程:

以上公式中，E是材料楊氏模量，Tv是阻尼層厚度，Gv是復(fù)剪切模量。

首先，農(nóng)業(yè)龍頭企業(yè)生產(chǎn)生活條件差，特別是種養(yǎng)企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境差，沒有穩(wěn)定的職稱、收入與福利保障，難以吸引優(yōu)秀人才。

右端x=L，有應(yīng)力邊界條件:阻尼層左側(cè)的內(nèi)外管均為常應(yīng)變，即:

在阻尼層左端x=L－Lv，有應(yīng)力連續(xù)條件:

將(5)代入(6)，得到阻尼層左端的邊界條件:

由方程(3)和邊界條件(4)和(7)可以得到內(nèi)外管位移函數(shù)(x)和(x)，最終阻尼管的動剛度和損耗因子分別為

上述方程用 MATHEMATICA［9]符號求解，便可得到包含阻尼管各項幾何及物理參數(shù)的符號解(x)、(x)、k*和β。具體表達(dá)式較為復(fù)雜，故不在此處列出，附錄給出計算的MATHEMATICA程序。在得到損耗因子β的符號解后，便可非常方便的通過調(diào)整各項幾何及物理參數(shù)來計算相應(yīng)的損耗因子，并考察該組參數(shù)下的阻尼管的剛度及質(zhì)量。

2 約束阻尼層填充長度對損耗因子的影響

附加約束阻尼在衛(wèi)星減振適配器中有著廣泛的應(yīng)用(如圖4)，如何選取阻尼管內(nèi)外管材料、幾何尺寸以及阻尼填充長度對適配器整體的減振效果有著重要的影響。

通常根據(jù)直觀的判斷，阻尼材料填充越多減振效果越好，這個結(jié)論在大多數(shù)復(fù)剪切模量數(shù)值范圍內(nèi)成立。但是，本文作者在計算過程中發(fā)現(xiàn)，在一定復(fù)剪切模量的條件下，阻尼層填充長度需要進(jìn)一步優(yōu)化，并非填充越多阻尼材料減振效果就越好、損耗系數(shù)越大。

圖4 附加約束阻尼的衛(wèi)星適配器Fig.4 PAF composition of the constrained damping material

給定計算參數(shù):L=0.095 m，Do=0.03 m，To=0.001 m，Ti=0.003 m，Tv=0.001 m，Gv=5 × 107(1+0.5i)Pa，內(nèi)外管均為鋁合金，改變阻尼填充長度，可以得到損耗因子隨阻尼層長度的變化情況。

如圖所示，阻尼層填充長度在Lv=0.015 5 m時得到的損耗因子最大，這時的減振效果最好。損耗因子也可以由阻尼層在某一交變力作用下的應(yīng)變能來描述，阻尼層填充越多，剪切變形越小，阻尼層整體吸收的應(yīng)變能是沿阻尼層長度對剪切變形的積分決定，故并不是長度越長吸收的應(yīng)變能就越多。因此為了使得損耗因子最大，需要對阻尼層填充長度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

如上所述，在得到以阻尼管各項參數(shù)描述的損耗因子函數(shù)后，調(diào)整某一個參數(shù)重新計算損耗因子的計算量可以忽略不計，于是可以在參數(shù)的取值范圍內(nèi)進(jìn)行遍歷，方便地確定一個最優(yōu)值，相對于試驗［6]以及其他數(shù)值方法［10]在設(shè)計階段有著一定的優(yōu)勢。

3 阻尼管動力學(xué)建模及有限元應(yīng)用

由于阻尼材料的特性隨著頻率改變，阻尼管的動剛度也隨著頻率改變，不能將其產(chǎn)生的阻尼力表示為正比于運(yùn)動速度的簡單形式，而需要表示成卷積形式:文獻(xiàn)［11] 提出一種含阻尼材料結(jié)構(gòu)的建模方式，將動力學(xué)方程以式(9)形式表達(dá)的結(jié)構(gòu)經(jīng)過變換嵌入到整體結(jié)構(gòu)的有限元模型中，方便NASTRAN求解。由上一節(jié)得到的動剛度的結(jié)果(式(8))，我們對不同頻率下的動剛度在頻域下進(jìn)行有理多項式擬合，具體參數(shù):內(nèi)外管均為鋁合金，L=0.095 m，Do=0.03 m，To=0.001 m，Ti=0.003 m，Tv=0.001 m，Lv=L，阻尼材料特性 Gv=G(ω)(1+b(ω)·i)隨頻率變化(圖6)。

在以上所述的約束阻尼管動態(tài)特性分析方法中，引入了阻尼管變形模式等假設(shè)，并在低頻激勵下忽略了慣性力的影響。為了驗證方法的正確性，特采用有限元方法按頻率逐點計算阻尼管的損耗系數(shù)，如圖7所示兩者能夠較好的吻合，在一定程度上說明本方法是合理的。

用上節(jié)所述方法，計算出不同頻率下阻尼管的動剛度k*(ωl)(l=1，2，…)，如圖8中的圓點所示。采用有理多項式擬合［12]方法，將k*(ω)表示為:

其中有理多項式系數(shù)的擬合結(jié)果如表1，擬合后動剛度關(guān)于頻率的曲線如圖8中的實線所示。

圖8 動剛度擬合結(jié)果Fig.8 Fitting results of the dynamic stiffness

表1 擬合得到的系數(shù)Tab.1 Coefficient of fitting

一旦動剛度表示為有理多項式，那么阻尼管軸向力與端部位移的頻域關(guān)系可表示為:

令s=iω對上式進(jìn)行Laplace逆變換［9]得到軸向力與端部位移的時域關(guān)系:

式(12)與式(9)形式上一致，可以用文獻(xiàn)［11] 所述的方法將阻尼管模型加入到整體結(jié)構(gòu)的有限元模型中去，并運(yùn)用通用有限元程序進(jìn)行動力學(xué)分析。

4 結(jié)論

本文建立了由外管、內(nèi)管和中間阻尼層構(gòu)成的約束阻尼管的數(shù)學(xué)模型，通過符號求解得到了阻尼管在軸向交變外力下包含各項幾何及物理參數(shù)的位移、動剛度和損耗因子的函數(shù)。便于對各項參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)來評估其對動剛度、損耗因子等的影響。為該類型阻尼管的工程設(shè)計提供了快速、便捷的計算方法。

與有限元計算的損耗因子的結(jié)果作對比，驗證了本方法的可靠性。進(jìn)一步，在頻域內(nèi)對動剛度進(jìn)行擬合，通過Laplace逆變換將阻尼管動力學(xué)方程變換為帶有積分項的形式，便于應(yīng)用現(xiàn)有的技術(shù)手段將該類型阻尼管加入到星箭整體有限元模型中去。

附錄

MATHEMATICA程序:

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