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(gòu)件受到外界激勵后將產(chǎn)生振動和噪聲；寬頻帶隨機激振引起結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(chǎn)生噪聲，造成環(huán)境污染[2]。由此可見，減振降噪在工程結(jié)構(gòu)、機械、建筑、汽車，特別是在航空航天和其他軍事領(lǐng)域具有及其重要的意義。阻尼技術(shù)是阻尼減振降噪技術(shù)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(nèi)耗損完畢。因而系統(tǒng)從受激振動到重新靜止所經(jīng)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(xiàn)為能量的內(nèi)耗吸收，因此阻尼材料與技術(shù)是控制結(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)阻尼。在系統(tǒng)的某一振動結(jié)構(gòu)上附加材料或形成附加結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(nèi)容。第一章內(nèi)耗（阻尼）機理1.1、內(nèi)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(xiàn)象，叫做內(nèi)耗，即固體在振動當中由于內(nèi)部的原因而引起的能量消耗。在英文文獻中通用“internalfriction”表示內(nèi)耗。另外，在工程上用“阻尼本領(lǐng)”（dampingcapacity），對于

4、高頻振動則稱為“超聲衰減”（ultrasonicattenuation），其實與內(nèi)耗一樣都是表征同一個物理過程[4]。產(chǎn)生內(nèi)耗（阻尼）的原因是固體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特點和結(jié)構(gòu)缺陷，因而通過內(nèi)耗（阻尼）測量可以靈敏地反映固體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點以及各種結(jié)構(gòu)缺陷的運動變化和交互作用的情況[5]。由此可見，內(nèi)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(zhì)。內(nèi)耗與靜態(tài)觀測手段相配合，可以加深對晶界性質(zhì)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(xiàn)，而阻尼、內(nèi)耗則是非彈性在動態(tài)過程中的表現(xiàn).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(nèi)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(guān)系根據(jù)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(guān)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(shù)。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(chǎn)生阻尼，非彈性常表現(xiàn)為滯彈性和粘彈性，滯彈性根據(jù)應力應變之間是否滿足線性關(guān)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(guān)系[8]當材料受循環(huán)載荷作用時，應力應變之間的實際關(guān)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(jù)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(shù)），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(zhuǎn)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(shù)及它們之間的關(guān)系如下：（1）損耗系數(shù)η、損耗正切tanφ和損失角φ損耗系數(shù)為損失摸量與存儲摸量之比，其與損耗正切和損失角的關(guān)系如下：(1-10)材料的阻尼能力越高,相位差角