阻尼性能及阻尼機理綜述

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1、阻尼性能及阻尼機理前言機械構件受到外界激勵后將產生振動和噪聲；寬頻帶隨機激振引起結構的多共振峰響應，可以使電子器件失效，儀器儀表失靈，嚴重時甚至造成災難性后果。目前，武器裝備和飛行器的發(fā)展趨向高速化和大功率化，因而振動和噪聲帶來的問題尤為突出[1]。振動也會影響機床的加工精度和表面粗糙度，加速結構的疲勞損壞和失效，縮短機器壽命；另外振動還可以造成橋梁共振斷裂，產生噪聲，造成環(huán)境污染[2]。由此可見，減振降噪在工程結構、機械、建筑、汽車，特別是在航空航天和其他軍事領域具有及其重要的意義。阻尼技術是阻尼減振降噪技術的簡稱。通常把系統(tǒng)耗損振動能或聲能的能力稱為阻尼，阻尼越大，輸入

2、系統(tǒng)的能量則能在較短時間內耗損完畢。因而系統(tǒng)從受激振動到重新靜止所經歷的時間過程就越短，所以阻尼能力還可理解為系統(tǒng)受激后迅速恢復到受激前狀態(tài)的一種能力。由于阻尼表現為能量的內耗吸收，因此阻尼材料與技術是控制結構共振和噪聲的最有效的方法[1]。研究阻尼的基本方法有三大類[1~3]：（1）系統(tǒng)阻尼。就是在系統(tǒng)中設置專用阻尼減振器，如減振彈簧，沖擊阻尼器，磁電渦流裝置，可控晶體阻尼等。（2）結構阻尼。在系統(tǒng)的某一振動結構上附加材料或形成附加結構，增大系統(tǒng)自身的阻尼能力，這類方法包括接合面、庫倫摩擦阻尼、泵動阻尼和復合結構阻尼。（3）材料阻尼。是依靠材料本身所具有的高阻尼特性達到減

3、振降噪的目的。它包括粘彈性材料阻尼、阻尼合金和復合材料阻尼。本文主要論述阻尼材料的表征方法，阻尼分類，阻尼測試方法，各種阻尼機理，高阻尼合金及其復合材料，高阻尼金屬材料最新研究進展，高阻尼金屬材料發(fā)展中存在的問題及發(fā)展方向，高阻尼金屬的應用等內容。第一章內耗（阻尼）機理1.1、內耗（阻尼）的定義振動著的物體，即使與外界完全隔絕，其機械振動也會逐漸衰減下來。這種使機械能量耗散變?yōu)闊崮艿默F象，叫做內耗，即固體在振動當中由于內部的原因而引起的能量消耗。在英文文獻中通用“internalfriction”表示內耗。另外，在工程上用“阻尼本領”（dampingcapacity），對于

4、高頻振動則稱為“超聲衰減”（ultrasonicattenuation），其實與內耗一樣都是表征同一個物理過程[4]。產生內耗（阻尼）的原因是固體內部的結構特點和結構缺陷，因而通過內耗（阻尼）測量可以靈敏地反映固體內部結構的特點以及各種結構缺陷的運動變化和交互作用的情況[5]。由此可見，內耗是一種很好的研究晶界的工具，它能夠在不破壞試樣的情況下，查知材料中晶界的動態(tài)性質。內耗與靜態(tài)觀測手段相配合，可以加深對晶界性質及其動力學行為的認識[4]。43總的來說，我們可以認為馳豫、后效是非彈性在靜態(tài)過程中的表現，而阻尼、內耗則是非彈性在動態(tài)過程中的表現.比較起來，非彈性對振動過程的

5、影響更為重要，故人們往往以對內耗（阻尼）的實驗研究來代替對非彈性的實驗研究[6]。1.2、阻尼性能的描述及表征1.2.1阻尼和應力應變的關系根據彈性理論中的虎克定律，材料在彈性變形過程中應力與應變之間滿足如下關系：σ=Mε(1-1)其中M代表彈性模量E或剪切摸量G。上述公式的成立應滿足三個條件[7]，即：應變對應力的響應是線性的；應力和應變相位相同；應變是應力的單值函數。但實際加載過程中，應力與應變之間往往不能同時滿足上述三個條件，即非理想彈性；此時將產生阻尼，非彈性常表現為滯彈性和粘彈性，滯彈性根據應力應變之間是否滿足線性關系分為線性和非線性滯彈性，因此阻尼也可分為線性和

6、非線性滯彈性阻尼及粘彈性阻尼[5]，如圖1-1所示。圖1-1應力－應變回線[8]圖1-2在周期應力作用下的應力－應變關系[8]當材料受循環(huán)載荷作用時，應力應變之間的實際關系如下[8、9]：σ=σ0exp(iωt)(1-2)ε=ε0expi(ωt-φ)(1-3)φ=τ/T×2π(1-4)其中σ0和ε0為應力和應變的振幅；t為時間；τ為應變波形滯后應力波形的時間；ω為振動的角頻率，φ為應變滯后應力的相位角差；T振動周期，圖1-2所示。根據復模量定義[3]：(1-5)(1-6)其中η為粘彈性阻尼材料的損耗因子（又稱損耗正切或阻尼系數），它是衡量阻尼材料耗散振動能量的主要指標之一，

7、它與每周振動所損耗的能量與儲存能量之比成正比。表示為(1-7)式中E*——復拉伸模量；E′——復拉伸模量的實部，也稱為貯能拉伸模量，表示為E′=Ecosφ(1-8)E"——43復拉伸模量的虛部，它決定阻尼材料受到拉壓變形時轉變成熱的能量損耗，所以又稱為耗能拉伸模量，表示為E"=Esinφ=ηE′(1-9)1.2.2常見的用于表征材料阻尼性能的參數及它們之間的關系如下：（1）損耗系數η、損耗正切tanφ和損失角φ損耗系數為損失摸量與存儲摸量之比，其與損耗正切和損失角的關系如下：(1-10)材料的阻尼能力越高,相位差角