第七章 阻尼减振ppt课件.ppt

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1、第七章 阻 尼 减 振,2,3,阻尼减振,用金属薄板制成的机罩、管道、车船体及飞机外壳等，常会因振动的传导发生剧烈振动，从而产生较强的噪声。降低这种振动噪声普遍采用的方法是在振动构件上紧贴或喷涂一层高阻尼的材料，或者把板件设计成夹层结构。这种降噪措施习惯上称作阻尼减振，简称阻振。,多用于大面积薄板类的减振,4,实例 在铆接飞机、轮船这种大的结构时，或在生产零部件的过程中，会产生高声级的噪声。这是因为引起的碰撞及大尺寸零部件能有效地将振动能转变为噪声。,解决办法 在铆接时对结构件临时使用阻尼衬垫，以降低共振强度，并可减弱振动从铆接点向壁板其它地方的传播。,5,实例 在砂轮机上磨圆锯刀刃时，由于共

2、振的存在，且内阻尼很低，故产生很大噪声。,解决办法 用硬盘将橡胶减振材料制成的圆片固定在锯片上，对刀锯既增加了质量又增加了阻尼能力，这就降低了共振放大。,6,大的宇航器、发射器在发射阶段往往受到激烈的发动机噪声干扰。,某大型发射器发射时在壳体外部测得的声压级,7,7.1 阻尼的定义与作用 7.2 阻尼减振的原理7.3 阻尼材料 7.4 阻尼基本结构及其应用,8,7.1.1 阻尼的定义,7.1 阻尼的定义与作用,阻尼 是指系统损耗能量的能力。从减振的角度看，就是将机械振动的能量转变成热能或其它可以损耗的能量，从而达到减振的目的。,阻尼材料 在振动物体产生高的共振振幅前,先将一部分振动能在自身中消

3、耗 ,以达到减小振幅、降低振动能之目的,这就是阻尼材料。是具有较大内损耗、内摩擦的材料，如沥青、软橡胶以及其他一些高分子涂料。,视频,9,阻尼技术 就是充分运用阻尼耗能的一般规律，从材料、工艺、设计等各项技术问题上发挥阻尼在减振方面的潜力，以提高机械结构的抗振性、降低机械产品的振动、增强机械与机械系统的动态稳定性。,阻尼器：一种抑制结构振动的有效装置。,10,1) 阻尼有助于降低机械结构的共振振幅，从而避免结构因动应力达到极限所造成的破坏。,7.1.2 阻尼的作用,2) 阻尼有助于机械系统受到瞬态冲击后，很快恢复到稳定状态。,3) 阻尼有助于减少因机械振动所产生的声辐射，降低机械噪声。,4)

4、可以提高各类机床、仪器等的加工精度、测量精度和工作精度。,5) 阻尼有助于降低结构传递振动或声能的能力，用于隔振、隔声及阻断能量的传递。,11,高层建筑中使用的两种阻尼器1.墙面 2.桁架 3.阻尼器 4.阻尼材料,12,阻尼对于系统的振动响应有重要影响，适当增加系统的阻尼，是振动控制的一种重要手段。,13,1）消振器 2）钢索 3）钢套 4）阻尼橡胶 5）螺钉,电视铁塔的阻尼动力消振器,14,机关炮的后坐力,15,1)钛合金管 2）石墨纤维 3）塑料,球拍的阻尼处理,16,1）大阻尼涂层 2）铝片约束层 3）锯片 4）大阻尼粘弹材料,17,对加工有色金属的镜面车床（用于加工计算机磁盘），加工

5、轴和轴承的镜面磨床，整台机床应有良好的抗振性。,环氧混凝土床身,有些机床改用阻尼值比较大的环氧混凝土来代替铸铁做机床的床身或者构件，它用环氧树脂作粘结剂，以石子为基体，经搅拌后注入模子以制成床身、立柱或其他大型构件。这种材料的损耗因子比铸铁高6-10倍，比花岗石高3倍。,18, 增大工艺系统阻尼,改善工艺系统动态特性,【例】,19,7.2 阻尼减振的原理,阻尼可使沿结构传递的振动能量衰减，还可减弱共振频率附近的振动，因而能减弱金属板弯曲振动的强度。 即当机器或薄板发生弯曲振动时，其能量迅速传递给紧密贴涂在薄板上的阻尼材料，于是引起薄板和阻尼材料之间的相互摩擦和错动，阻尼材料时而被拉伸，时而被压

6、缩，由于阻尼材料的内损耗、内摩擦大，使金属板振动能量有相当一部分转化为热能而消耗掉，从而减弱薄板的弯曲振动。同时，阻尼可缩短薄板被激振的振动时间。,20,当金属板壳被涂上高阻尼材料后，受激产生振动时，阻尼层也随之振动，一弯一折使阻尼层时而被压缩，时而被拉伸，从而使金属板和阻尼层之间、阻尼层内部分子之间不断发生相对位移，由于其摩擦阻力很大，便使振动能量不断转化为热能而被消耗。 同时阻尼层的刚度总是力图阻止板面的弯曲振动，从而降低了金属板的噪声辐射，这就是阻尼减振的原理。,7.2 阻尼减振的原理,21,损耗因子,表征阻尼性能最常用的量。,薄板振动时每周期时间内损耗的能量,系统最大弹性势能,22,板

7、受迫振动的位移为：,板受迫振动的振速为：,阻尼力在位移 上所消耗的能量为：,阻尼力在一个周期内损耗的能量为：,系统的最大势能为：,23,损耗因子：,24,大多数金属材料的损耗因子为 ； 木材为 ； 软橡胶为 ；,一般认为，损耗因子至少在0.01数量级，并可与金属紧密粘附的材料，方可作为减振阻尼材料使用。,损耗因子,：表征阻尼性能最常用的量。,25,常用材料的损耗因子,26,从物理现象上区分，阻尼可以分为以下五类：,（1）工程材料内阻尼,工程材料种类繁多，尽管其耗能的微观机制有差异，宏观效应却基本相同，都表现为对振动系统具有阻尼作用，因这种阻尼起源于介质内部，故称为工程材料内阻尼。,27,材料阻

8、尼的机理：宏观上连续的金属材料会在微观上因应力或交变应力的作用产生分子或晶界之间的位错运动、塑性滑移等，产生阻尼。在低应力状况下由金属的微观运动产生的阻尼耗能，称为金属滞弹性，当金属材料在周期性的应力和应变作用下，加载线 OPA 因上述原因形成略有上凸的曲线而不再是直线，而卸载线 AB 将低于加载线 OPA 。于是在一次周期的应力循环中，构成了应力 - 应变的封闭回线 ABCDA ，阻尼耗能的值正比于封闭回线的面积。,28,在实际工程中，各种结构往往与流体相接触，而大部分流体都具有一定黏滞性，当这些结构相对其周围流体介质运动时，后者给前者以运动阻力，对振动物体做负功，使其损失一部分机械能，这些

9、机械能最终转变为热能。,（2）流体的粘滞阻尼,流体在管道中流动,如果流体具有粘滞性，流体各部分流动速度是不等的，多数情况下，呈抛物面形。这样，流体内部的速度梯度、流体和管壁的相对速度，均会因流体具有粘滞性而产生能耗及阻尼作用，称为粘性阻尼。粘性阻尼的阻力一般和速度成正比。,29,接合面阻尼是由微观的变形所产生的，而库仑摩擦阻尼则由接合面之间相对宏观运动的干摩擦耗能所产生。,（3）接合面阻尼与库仑摩擦阻尼,相对位移和外力之间关系曲线,30,1）大阻尼材料 2）铆钉 3）约束层 4）弹簧环 5）环形槽,大型齿轮的两种消振、消声结构设计,31,（4）冲击阻尼,冲击阻尼是另一种结构耗能方式。工程中可以

10、通过设置冲击阻尼器来获得冲击阻尼，例如砂、细石、铅丸或其他金属块、以至于硬质合金等，均可用作冲击块，以获得冲击阻尼。 工程上已经将这种阻尼机理成功地应用于雷达天线、涡轮机叶片、继电器、机床刀杆及主轴等。冲击阻尼的机理是通过附加冲击块，将主系统的振动能量转换为冲击块的振动能量，从而达到减小主系统的振动的目的。,32,33,DEN480L型数控车床底座和床身示意图,其底座内所填充的混凝土的内摩擦阻力较高，再配上封泥芯的床身，使机床有较高的抗振性。,【例】,34,（5）磁电效应阻尼,机械能转变为电能的过程中，由磁电效应产生阻尼。 在磁极中间设置金属导磁片，磁片旋转时切割磁力线而形成涡流，涡流在磁场作

11、用下又产生与运动相反的作用力以阻止运动，由此而产生的阻尼称为涡流阻尼。涡流阻尼的能量损耗由电磁的磁滞损失和涡流通过电阻的能量损失组成。,涡流阻尼示意图,35,7.3 阻尼材料,阻尼材料也称为粘弹阻尼材料，或粘弹性高阻尼材料。,要求：,有较高的损耗因子；,有较好的粘结性能；,在强力的振动下不脱落不老化；,在一些特殊的环境使用下还要求耐高温、高湿和油污。,36,7.3 阻尼材料,阻尼材料,阻尼涂料,阻尼板材,37,（一）阻尼涂料,常用的阻尼材料有沥青、软橡胶和阻尼浆。,阻尼涂料,1.基料,2.填料,3.溶剂,阻尼材料的主要成分，其作用使构成阻尼材料的各种成分进行粘合，并粘接于金属板上。常用的基料有

12、沥青、橡胶、树脂等。,填料的作用是增加阻尼材料的内损耗能力和减少基料的用量以降低成本，常用的有膨胀珍珠岩粉、石棉绒、石墨、碳酸钙、硅石等。一般情况下，填料占阻尼材料的30%60%.,溶剂的作用是溶解基料并防止涂料干裂，常用的溶剂有汽油、乙酸乙酯、乙酸丁酯等。,38,常用的阻尼材料有沥青、软橡胶和阻尼浆。阻尼浆是用多种高分子材料配制而成的，可根据配方自己配制。它主要由基料、填料和溶剂三部分组成。,基料 基料是阻尼材料的主要成分，其作用是使构成阻尼材料的各种成分进行粘合并粘接金属板。基料性能的好坏对阻尼效果起决定性作用。常用的基料有沥青、橡胶、树脂等。,填料 填料的作用是增加阻尼材料的内损耗能力、

13、减少基料的用量以降低成本。常用的填料有膨胀珍珠岩粉、石棉绒、碳酸钙、软木粉等。,溶剂 溶剂的作用是溶解基料，常用的溶剂有汽油、醋酸乙酯、植物油等。,（一）阻尼涂料,39,粘弹性阻尼材料,粘弹性阻尼材料主要分橡胶类和塑料类，一般以胶片形式生产，使用时可用专用的粘结剂将它贴在需要减振的结构上。,40,聚四氟乙烯导轨软带 以聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼和石墨等填充剂混合烧结，并做成软带状。,软带导轨耐磨性好 减振性能好 工艺性能好,【例】,41,在纯剪切振动一周中单位体积内所损耗的能量为： 为剪切模量实部， 为最大减切应变幅值。,由此可知：要使振动能量耗散达到最大值，则必须使 为最大。,4

14、2,阻尼材料性能随温度及频率的变化曲线,43,图中明显有三个不同的区域： 1区：玻璃态区，这时阻尼材料的 有最大值，随着 的变化，其值变化很慢，而 值最小，但随 的上升其值增加很快。 2区：玻璃态转变区（过渡区），随着温度的增加， 值很快下降 ，当 时， 有最大值。 3区：高弹区（橡胶态区）, 和 都很小，且随温度的变化很小。,44,由高分子加入适量的填料以及辅助材料配制而成，是一种可涂覆在各种金属板状结构表面上，具有减振、绝热和一定密封性能的特种涂料，可广泛地用于飞机、船舶、车辆和各种机械的减振。 由于涂料可直接喷涂在结构表面上，故施工方便，尤其对结构复杂的表面如舰艇、飞机等，更体现出它的优

15、越性。,树脂型,45,环氧型耐磨导轨涂层 以环氧树脂和二硫化钼为基体，加入增塑剂，混合成液状或膏状为一组份，以固化剂为另一组份的双组份塑料涂层。,注塑导轨1 滑座 ； 2 胶条； 3 注塑层,【例】,46,沥青型,沥青型阻尼材料比橡胶型阻尼材料价格便宜，它的结构损耗因子随厚度的增加而增加。,沥青阻尼材料厚度与结构损耗因子关系,47,沥青阻尼材料大致可分以下四种类型：,(1) 熔融型。此种板材熔点低，加热后流动性好，能流遍整个汽车底部等构件，在汽车烘漆加热时一并进行加热； (2) 热熔型。在板材的表面涂有一层热熔胶，以便在汽车烘漆加热时热熔胶融化粘合，它一般用作汽车底部内衬； (3) 自粘型。在

16、板材的表面涂上一层自粘性压敏胶，并覆盖隔离纸，一般用在汽车顶部和侧盖板部分； (4) 磁性型。在板材的配方中填充大量的磁粉，经充磁机充磁后具有磁性，可与金属壳体贴合，一般用在车门部位。,48,1复合型阻尼金属板材,在两块钢板或铝板之间夹有非常薄的粘弹性高分子材料，就构成复合阻尼金属板材。 这种结构的强度由各基体金属材料保证，阻尼性能由粘弹性材料和约束层结构加以保证。,（二）阻尼板材,49,复合型阻尼金属板材的主要优点是：,(1) 振动衰减特性好，复合型阻尼钢板损耗因子一般在 0.3 以上。 (2) 耐热耐久性能好，阻尼钢板采用特殊的树脂，即便在 140 空气中连续加热 1000 小时，各种性能

17、也不劣化。 (3) 机械性能好，复合阻尼钢板的屈服点、抗拉强度等机械品质与同厚度普通钢板大致相同。 (4) 焊接性能好，焊缝性能与普通钢相同。 (5) 复合阻尼钢板还具有阻燃性、耐大气腐蚀性、耐水性、耐油性、耐臭氧性、耐寒性、耐冲击性及烤漆时的高温耐久性等优点。,50,复合阻尼钢板的应用实例,51,2阻尼合金和其它阻尼材料,阻尼合金具有良好的减振性能，既是结构材料又有高阻尼性能，例如双晶型 Mn-Cu 系合金，具有振动衰减特性好、机械强度高、耐腐蚀等优点，被用于舰艇、鱼雷等水下设施的构件上。,52,7.4 阻尼基本结构及其应用,阻尼基本结构,1.离散型的阻尼器件,2.附加型的阻尼结构,吸振,隔

18、振,53,附加型的阻尼结构,54,1） 自由阻尼结构,将粘弹阻尼材料粘贴或喷涂在需要减振的结构物上（可以是单面的，也可以是双面的）。当基板产生弯曲振动时，阻尼层随基本层一起振动，在阻尼层内部产生拉-压变形。根据阻尼材料的耗能机理，当阻尼材料内部产生交变应力时，阻尼材料就会将有序的机械能转化为无序的热能，从而起到耗能的作用。阻尼层越厚，阻尼损耗因子越大，制振效能就越好。,55,损耗因子：,其中 ； 。,56,2）约束阻尼结构,在自由阻尼处理的阻尼层外侧表面再粘贴一弹性层，这一弹性层应具有远大于阻尼层的弹性模量。当阻尼层随基本结构层一起产生弯曲振动而使阻尼层产生拉-压变形时，由于粘贴在外侧弹性层的

19、弹性模量远大于阻尼层的弹性模量，因此这一弹性层将起到约束阻尼层的拉-压变形的作用。由于阻尼层与基本层接触的表面所产生的拉-压变形不同于与约束层接触的表面所产生的拉-压变形，从而在阻尼材料内部产生剪切变形。因此约束阻尼处理结构中，阻尼层不仅承受拉-压变形，还同时承受剪切变形，它们都能起到耗能作用。约束阻尼结构比自由阻尼结构耗散更多的能量，因此具有更好的减振降噪效果。,a) 自由状态 b) 振动拉-压及剪切变形状态1基本层 2阻尼层 3约束层,57,复合阻尼板钢轨构造,58,典型的约束阻尼处理结构,59,增加切削阻尼, （例采用倒棱车刀）,【例】,60,61,Thank you for your

20、listening!,本 章 结 束,62,【作业】用自己的语言描述什么是阻尼减振?,【作业】配制阻尼涂料由哪几部分组成，各组成部分有何作用？,63,【作业】用自己的语言描述什么是阻尼减振?,64,7.3 阻尼材料,65,11.4.3 阻尼减振技术（1）粘弹阻尼材料（2）阻尼减振的基本原理（3）结构阻尼与复合阻尼结构 两种结构阻尼：系统阻尼和材料的内摩擦阻尼； 两种复合结构：自由阻尼结构和约束阻尼结构。,66,11.4.3 阻尼减振技术（4）约束阻尼板结构设计要点 根据结构使用温度、激振频率范围和预期达到的减振 效果 ； 确定结构的振型，找出应变较大的各个部位，贴上约 束阻尼材料； 在结构的质

21、量和刚度许可的条件下，应尽量采用对称 夹心结构，通过设计，选定所用的阻尼材料，确定阻 尼层厚度、约束层厚度和结构的损耗因子。,67,11.4.3 阻尼减振技术（5）阻尼板的设计计算步骤 约束层厚度的确定 阻尼层厚度的确定 结构损耗因子的确定,68,它利用固体和液体的摩擦阻尼来消耗振动的能量。如在机床主轴系统中附加阻尼减振器，它相当于间隙很大的滑动轴承，通过阻尼套和阻尼间隙中的粘性油的阻尼作用来减振。,1)阻尼减振器：,69,2 表面采用阻尼涂层 对于弯曲振动结构件，在其表面喷涂一层具有较高内阻尼和较高弹性的粘滞材料 ( 如沥青基制成的胶泥减振剂、高分子聚合物和油漆腻子等 ) ，涂层厚度愈大，阻

22、尼愈大。采用阻尼涂层，既可不改变原设计的结构和刚度，又能获得较高的阻尼比，其阻尼比 值可达 0.050.1 。这种措施常用于钢板焊接的结构。 3 采用新材料制造基础件 最近 10 年来，德国和瑞士在应用聚合物混凝土制造基础件的研究中取得了进展。德国布格哈特韦贝尔 (BURKHARUT&WEBER) 公司为 HYOP80 NC W 型加工中心制成了丙烯酸树脂混凝土床身，其动刚度比铸铁件的高 6 倍。瑞士的精密磨床生产 厂家斯 图德 (STUDER) 公司制成了 S40 和 S50 系列数控外圆磨床的树脂混凝土床身，具有刚度高、 抗振性好 、耐化学腐蚀和耐热的特点。,70,3）斜床身为提高床身的刚

23、性，数控卧式车床一般采用斜床身，如图942（b）所示。斜床身可以改善机床切削加工时的受力情况，截面可以做成封闭的腔形结构，以提高床身刚性。内部可以填充泥芯和混泥土等阻尼材料，在振动时利用相对磨损来耗散振动能量。,71,图942固定立柱式卧式床身与斜床身(a)固定立柱式卧式床身；(b)斜床身,72,图943所示为德国DNE480L型数控车床底座和床身示意图。其底座内所填充的混凝土的内摩擦阻力较高，再配上封泥芯的床身，使机床有较高的抗振性。该机床为四面密封结构，中间导轨后有纵向肋条，纵向每隔250mm有一横隔板。床身封闭截面可提高抗弯和抗扭刚度，纵向肋条可提高中间导轨的局部刚度，隔板可减少截面的变

24、形。,73,4. 阻尼材料的用途,聚合物阻尼材料被当作阻尼涂料、阻尼橡胶、阻尼塑料而广泛用于航天器、 自动化设备、雷达天线罩、汽车发动机及吸声材料等中,主要用于: ( 1) 减少机械振动, 减轻并防止机械的疲劳损伤; ( 2) 用作雷达天线罩,可以除寄生讯号, 提高雷达侦察精度; ( 3)用作吸声材料能够消除环境中的噪音污染。,74,阻尼材料与阻尼层,常用的阻尼材料有沥青、软橡胶和阻尼浆。阻尼浆是用多种高分子材料配制而成的，可根据配方自己配制。它主要由基料、填料和溶剂三部分组成。,基料 基料是阻尼材料的主要成分，其作用是使构成阻尼材料的各种成分进行粘合并粘接金属板。基料性能的好坏对阻尼效果起决定性作用。常用的基料有沥青、橡胶、树脂等。,填料 填料的作用是增加阻尼材料的内损耗能力、减少基料的用量以降低成本。常用的填料有膨胀珍珠岩粉、石棉绒、碳酸钙、软木粉等。一般情况下，填料占阻尼材料的3060%。,溶剂 溶剂的作用是溶解基料，常用的溶剂有汽油、醋酸乙醋、植物油等。,