基于模態試驗的大尺寸阻尼材料選型方法

吳鵬，肖英龍，支李峰，姚玉潔

（1.駐上海地區第四軍事代表室，上海 201100；2.中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201100；3.船舶與海洋工程動力系統國家工程實驗室，上海 201100）

引言

阻尼材料廣泛應用于航天、火車、船舶等交通運輸工具中，主要作用是衰減振動能量的傳遞，改善機械設備振動噪聲特性。在工程應用中，如何對材料的阻尼性能進行有效的定量對比評價，對振動噪聲控制效果分析具有重要意義[1、2]。

目前，關于阻尼性能測試的國家標準有《聲學 聲學材料阻尼性能的彎曲共振測試方法》（GB/T 16406—1996）[3]和《阻尼材料 阻尼性能測試方法》（GB/T 18258—2000）[4]。其中GB/T 16406—1996規定了采用彎曲共振的測試方法獲得聲學材料的阻尼性能，適用于均勻或分層均勻的聲學材料，試驗測試頻率范圍10Hz至1000Hz，損耗因數的測量范圍為10～2至10～1量級；GB/T 18258—2000規定了采用懸臂梁共振法測定材料振動阻尼特性的方法，適用于結構振動、建筑聲學和噪聲控制等方面應用的材料。

上述國家標準中規定的測試方法，主要采用小試件作為測試樣本，能夠獲得材料的損耗因子或阻尼因子等參數。但與實際大尺寸應用的情況相比，小尺寸樣本在邊界條件等方面仍存在一定局限性。此外，一般阻尼處理時，推薦將阻尼材料的厚度與基材厚度比選擇為2︰1，能夠獲得最優的阻尼效果，但實際上由于阻尼材料的密度或貼敷形式不同，造成最終的阻尼評價效果存在不確定性。

本文以幾種船用阻尼材料為例，采用大尺寸試件模態試驗的方法獲取阻尼材料的能量衰減情況，并提出了一種單位重量阻尼能量衰減率的方法，對阻尼效果進行定量評價，可減少試驗件的邊界條件和重量等因素影響，能夠更準確地為工程應用阻尼材料選型提供參考。

1 船用阻尼材料選擇

影響阻尼材料性能參數的主要為損耗因子、剪切模量或楊氏模量。大多數阻尼材料的剪切模量和損耗因子隨環境條件變化很大，特別是溫度、激勵頻率和應變幅值等，且溫度和激勵頻率的影響是最主要的。

常見的船用阻尼材料包括瀝青基阻尼貼片、丁基橡膠約束型阻尼貼片、水性噴涂阻尼等。本文選用幾種常見船用阻尼材料進行測試對比。

（1）共混型約束阻尼涂料（A型）。該涂料包括阻尼層和約束層兩部分。其中阻尼層為無溶劑雙組分聚氨酯涂料，約束層為以無溶劑環氧樹脂固化體系成型。

（2）網格互穿型自由阻尼涂料（B型）。該涂料由核殼結構的丙烯酸IPN乳液、填料、阻燃劑、助劑等組成。

（3）水基阻尼涂料（C型）。該涂料以水性乳液為基質、水為分散介質，并添加多種填料及助劑制備而成。

（4）高密度阻尼涂料（D型）。該涂料以吸聲樹脂和特殊的抗振動填充料阻尼，密度較高。

（5）約束型阻尼貼片（E型）。該貼片以丁基橡膠為基材，外表面采用0.2mm鋁箔。

2 模態試驗

2.1 試驗理論

模態是結構的一種動態屬性，通過結構的各階固有頻率、振型、模態質量、模態剛度和模態阻尼等參數表征[5]。通過模態試驗，測得的頻響函數（Frequency Response Function，FRF）能夠反映結構的輸入（激勵）和輸出（響應）信號的關系，獲得結構的固有頻率及其阻尼比，可用于評價振動能量的衰減情況。

2.2 試驗方法

GB/T 16406和GB/T 18258規定的試件樣條尺寸一般為150mm×10mm×1mm。由于船舶上的艙壁面板厚度較大，因此本次試驗采用試件的尺寸為1000mm×600mm×5mm，在鋼板一側表面分別進行阻尼材料涂覆處理，測試阻尼涂料種類為上文介紹的A～E五種阻尼涂料，其中A、B和C型阻尼涂料的厚度為10mm；D型阻尼涂料厚度為3mm；E型阻尼貼片厚度為1.2mm。為保證測試環境溫度的一致性，測試溫度為30℃。

鋼板用橡皮繩呈懸掛自由狀態，1～15號點為響應點，16號點為激勵點，用激振器激振，采用一點輸入多點輸出測試方法，采用LMS公司的模態測試系統進行測試，如圖1所示。分別測試阻尼處理前后的模態及FRF曲線，進行對比分析（求1～15號點FRF的平均值進行對比）。

3 測試結果

經測試，不同阻尼材料的鋼板測試結果見表1，FRF曲線見圖2。從測試結果看，涂敷不同阻尼材料后，受附加質量和材料剛度不同，鋼板的固有頻率略有變化，其中E型阻尼造成的變化最大，原因是該型阻尼為約束阻尼結構，結構剛度提高較大。

圖1 試驗樣件及支撐方式

表1 大尺寸阻尼材料模態測試結果

圖2 FRF曲線

4 效果評價

船用阻尼的首要功能是減振降噪，但其附加重量也是重要的影響因素，因此將減振降噪能量衰減效果與重量比，即單位重量下的振動能量衰減作為衡量阻尼材料的性價比具有一定參考意義。

首先分別測量五種阻尼涂覆后的總重量，然后通過激振試驗測量鋼板基材能量FRF總值，再測量五種阻尼涂覆后的能量FRF總值，分別取差值得到各自的能量降低值，最后將降低值與總重量的比值定義為阻尼效果評價參考值。計算結果見表2。

從計算結果可以直觀看出A型阻尼材料具有優良的性能。

表2 阻尼效果評價表

5 結語

采用大尺寸阻尼動態性能測試的方法對不同阻尼材料進行測試，提出振動能量衰減與重量比的評價方法，并對測試結果進行分析。該方法相對直觀和簡單，可作為工程選型參考。