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1、阻尼材料在静水压力下的仿真模拟,船海0706班 熊帆指导老师：刘敬喜老师,关于阻尼材料,机械运转产生的震动和噪声不仅污染环境,而且影响机械的加工精度和产品质量,加速机械结构的疲劳损坏,缩短机械的使用寿命,利用增大机械系统的能量损耗来减轻机械震动和降低噪声的阻尼研究一直是国内外关注的热点。现在,已有许多新材料和新技术不断应用于阻尼减震,其中高分子材料,尤其是橡胶阻尼减震材料以其优异的性能越来越引起人们的重视。采用橡胶阻尼材料,可以最大限度地降低机械噪声和减轻机械震动,提高工作效率,提高产品质量。橡胶作为阻尼材料广泛应用于各种机动车辆、设备仪器、自动化办公设施和家用电器中。目前已在拓宽橡胶阻尼材料
2、的使用温度、振动频率以及阻尼机理研究方面取得了一些进展。本文简要介绍了橡胶的阻尼机理,并重点讨论了目前几种常用的橡胶阻尼材料,如丙烯酸酯橡胶、聚氨酯、丁基橡胶、聚乙酸乙烯酯以及丁腈橡胶等。,1橡胶材料的阻尼机理 橡胶材料的阻尼作用机理直接与其动态力学弛豫性质相关。橡胶材料的阻尼作用依赖于其滞后现象。正是由于滞后现象,橡胶的拉伸-回缩循环变化均需克服链段间的内摩擦阻力而产生内耗。橡胶在玻璃态时模量很高,分子链段几乎不能运动,不能以机械能转变成热能的方式进行耗散,只能作为位能贮存;橡胶在高弹态时分子链段运动比较容易,不能吸收足够的机械能;只有在很窄的玻璃态转变区域内,其模量大幅度下降,具有足够高的
3、损耗因子(tan),在一定的振动频率范围内分子基团之间能够相互耦合,并在应变响应中伴随缓慢的相转变,如果施加的应力在此频率范围内,振动能量可以得到耗散。在玻璃态转变区域内的tan的大小直接与能够吸收应力的分子基团的数量有关,并与应力和应变之间发生的相变有关。另外,不少学者对橡胶材料的阻尼机理进行了定量研究。如Fradlin等最先讨论了分子结构与阻尼性能之间的定量关系,并提出互穿聚合物网络具有协同效应,它可以使聚合物之间相互交联,使之达到分子水平的混合,从而具有宽广的阻尼峰。Thomas等指出聚合物中各个分子基团对阻尼的贡献不仅与其分子结构有关,而且还与其在聚合物分子中所处的位置有关,进而提出了
4、基团贡献分子理论。,2 影响阻尼性能的因素2.1材料的形态结构 形态结构是决定橡胶材料阻尼性能的因素之一。分子链上侧基体积较大、数量多、极性大以及分子间氢键多、作用强的橡胶阻尼性能好。因此具有较多侧甲基或极性侧基的IIR和NBR的阻尼性能比NR好。对于汽车发动机减震器，振动倍率小的NR和BR多用作隔震材料；共振性好的IIR多用作减震材料。在分析不同侧基对阻尼性能的影响时发现，腈基侧基的强极性对阻尼性能贡献很大，即具有很大的tan值。EPDM由于具有侧甲基，阻尼性能较好，同时因其化学稳定性好，耐低温、耐热、耐候、耐臭氧、耐水、耐极性介质等性能优良，引起不少研究者的注意。硬度较高的橡胶材料 较大。
5、但从工艺性能考虑，阻尼材料的邵尔A型硬度最好低于75度。由于仅用一种橡胶的阻尼材料的阻尼温度范围常常不能满足工程需要，因此往往采用多种橡胶共混体系制备阻尼材料。橡胶共混体系各组分的相容性直接影响材料的阻尼性能。高阻尼共混橡胶材料的各组分界面间应有适当的过渡层。在动态力学谱图上，曲线两峰之间的部分实际上是共混体系过渡层作用的反映。共混体系各组分相容性好，曲线只有单阻尼峰，有效阻尼温度范围较小；各组分相容性差，曲线有双阻尼峰，在两峰之间的温度范围内材料阻尼性能不好。聚氨酯弹性体存在着软段和硬段相区，是一种多相聚合物。其硬段的动态力学性能只有在高温下才能表现出来，因此在常温动态力学谱（DMS）上通常
6、只有软段的转变峰。软段为聚氨酯提供了低温性能和高弹性。预聚体大分子多元醇的分子量、结晶性、玻璃化转变温度等对聚氨酯材料阻尼性能影响很大。,此外，交联度对阻尼性能也有影响。试验表明，交联度增大，材料的阻尼温度范围变大，但并不一定导致S值增大，原因是S值的大小取决于材料各组分的分子结构。交联度适当，有利于提高材料的阻尼性能。曾威等认为，交联度减小，橡胶大分子链活动性增强，大分子链段间、填料与填料间、大分子链段与填料间的摩擦机会增多，有利于振动能转化为热能，从而提高材料的阻尼性能。但交联度对阻尼性能的影响是较复杂的，不同橡胶阻尼材料的适合交联度范围还有待进一步的研究.2.2使用温度和振动频率 使用条
7、件不同，阻尼材料的适合振动频率范围不同。振动频率对弹性体的影响与温度相似。低频与较高温度、高频与较低温度对弹性体动态力学性能的影响一致。实际工程中，阻尼材料分为低频高阻尼材料和高频高阻尼材料。对于不同的使用环境，可采用适合不同振动频率的高阻尼橡胶材料。2.3聚合物共混比,保证阻尼材料具有较好的力学性能和阻尼性能及较宽的玻璃化转变温度范围，其聚合物的共混比应适当。Yamada 等对聚氯乙烯（PVC）氯化聚乙烯（CRE）环氧化天然橡胶（ENR）共混体系进行了研究，结果表明，非结晶性(CPE)的加入使阻尼材料获得了良好的力学和阻尼性能；PVCCPEENR的适合共混比为252550，该共混体系适合用作
8、高频阻尼材料。CHIFEI WU等在并用比为7030的聚丙酸酯橡胶（ACM）氯化聚丙烯（CPP）共混体系中，从而达到提高材料阻尼性能的目的。通过化学或物理方法将两种或两种以上聚合物网络互相贯穿并缠结而形成互穿聚合物网络也是聚合物共混的一种独特方法。互穿聚合物网络的相容性直接影响材料的阻尼性能。互穿聚合物网络材料有两个阻尼峰，在阻尼峰之间的温度范围内阻尼效果差；具有半相容性的互穿聚合物网络由于聚合物间的热力学不相容和物理缠绕强迫相容两种作用，形成了微相分离结构，通过调整微相分离程度，可以得到具有较宽阻尼峰的优良阻尼材料。互穿聚合物网络的强迫互容效应，可使阻尼材料具有一个宽的玻璃化转变峰。2.4配
9、合剂,包括补强剂，非补强填料，其它助剂。随着炭黑用量增大，在相同的分散度下，橡胶材料的阻尼性能提高。,3橡胶阻尼材料 丙烯酸酯橡胶，聚氨酯，丁基橡胶，丁腈橡胶，聚乙酸乙烯酯 目前，由于粘弹性体阻尼材料的性能受使用温度和振动频率的影响很大，因此橡胶减震材料的阻尼效果并不十分理想。近年来，国外研究人员开始探讨新的减震机理，研究新的减震材料。如利用无机陶瓷材料的压电效果，将无机陶瓷材料加入高聚物中制备的阻尼材料可将机械能转换成电能（或电势），再将电能转化为热能（在导电网络作用下）来达到阻尼减震的目的。该材料的粘弹层能量分散性好。但无机陶瓷材料与有机高分子之间的特性阻抗相差较大，力学能量传递效率差，阻
10、尼效果也不是很理想。为此，在粘弹性基体中嵌入倾斜压电棒（有效控制剪切和压缩阻尼物性）制成了积极压电阻尼复合材料。现在，又有研究者在高分子材料中混入有机压电和介电材料制成了减震复合材料，这种复合材料的导电网络结构对阻尼减震效果的影响很大。还有研究者利用某些材料的压磁性能制成了减震性能好的阻尼材料。显然，通过探讨和应用新的阻尼减震机理、提高阻尼减震和降噪效果，可望研制出更多新型橡胶阻尼材料。,ABAQUS的使用与建模,ABAQUS简介：ABAQUS是一套通用有限元程序系统，它目的是对固体和结构的力学问题进行数值计算分析，而我们将其用于材料的计算机模拟及其前后处理，主要得益于ABAQUS给我们的AB
11、AQUS/Standard及ABAQUS/Explicit通用分析模块。ABAQUS有众多的分析模块，在这次毕业设计中，使用的模块主要是ABAQUS/CAE及Viewer,前者用于建模及相应的前处理，后者用于对结果进行分析及处理。1）ABAQUS/CAE CAE模块用于分析对象的建模，特性及约束条件的给定，网格的划分以及数据传输等等，其核心由七个步骤组成，下面将对这七个步骤作出说明：1.PART步 PartCreat,Modeling Space:3D代表三维2D代表二维Aaxisymmetric代表轴对称，这三个选项的选定要视所模拟对象的结构而定。,Type:Deformable为一般选项，
12、适合于绝大多数的模拟对象。Discrete rigid和Analytical rigid用于多个物体组合时，与我们所研究的对象相关的物体上。ABAQUS假设这些与所研究的对象相关的物体均为刚体，对于其中较简单的刚体，如球体而言，选择前者即可。若刚体形状较复杂，或者不是规则的几何图形，那么就选择后者。需要说明的是，由于后者所建立的模型是离散的，所以只能是近似的，不可能和实际物体一样，因此误差较大。,Shape中有四个选项，其排列规则是按照维数而定的，可以根据我们的模拟对象确定。Type:Extrusion用于建立一般情况的三维模型Revolution建立旋转体模型Sweep用于建立形状任意的模型
13、。Approximate size:在此栏中设定作图区的大致尺寸，其单位与我们选定的单位一致。设置完毕，点击Continue进入作图区。2.PartCreatContinueSuboption:用于当材料断裂时，对其断裂处的应力应变进行限制，当应力应变达到所给定值时，即断裂。Long-time:其中有两个选项，分别用于材料受到持续力和瞬时力作用的两种情况。DATA：此处输入材料给定的杨氏模量和泊松比的值。其单位与先前给定的单位一致。定义完物体的材料特性，接下来就要选择这种材料所对应的物体了。,(3)SectionCreat首先，可以用上述命令创建一个实体。将其命名为Plane.Category
14、:可以根据所研究对象的形状确定这四个选项。Type:Homogeneous:适用于组成材料分布且变形均匀的物体,包括平面应力。多用于线性。Generalized plane strain:多用于材料的不均匀形变，例如角应变。多用于非线性材料。,首先，可以用上述命令创建一个实体。将其命名为Plane.Category:可以根据所研究对象的形状确定这四个选项。Type:Homogeneous:适用于组成材料分布且变形均匀的物体,包括平面应力。多用于线性。Generalized plane strain:多用于材料的不均匀形变，例如角应变。多用于非线性材料。,(4)SectionCreatconti
15、nue执行上述命令后，便出现了Edit Section对话框。Material:此选项已经在前面定义，对于单个研究对象而言，不需要在进行额外的选择。Plane stress/strain thickness:此选项应根据应力应变的实际厚度来定。对于平面应力，一般选取物体的实际厚度。对于平面应变，一般选取力沿着物体作用方向的实际长度。我们现在已经定义了物体的材料特性，同时也定义了所选取的研究对象，接下来我们将把已经定义了的物体的材料特性赋予我们的研究对象。(5)AssignSection进行了上述选择后，点击DONE按纽，就OK了。至此我们已经完成了给研究对象赋予其材料特性的任务了。由于我们是以
16、一个平面应力的金属薄板作为研究对象，所以PROPERTY步中还有一些子选项没有使用，在此作简要的介绍。Profile:适用于研究对象为杆的情况，在此可定义与杆的截面有关的各种信息，比如横截面的形状，面积，转动惯量等等。如下图所示。,Skin:适用于研究对象为三维或轴对称的情况。前者用于面，后者用于边。Skin的用途在于可以在三维物体的某一个面或者是轴对称物体的一条边上skin附上一层皮肤，这种皮肤可以是异于物体原来的材料(如铝等)的各种其他材料。在Creat之前，首先要按照上面所讲的步骤再定义一个或多个Material和Section，然后才能执行Creat skin命令。为了定义skin，在
17、定义Section的时候必须选择Shell(必须是均匀的),Membrane或者Gasket这些适合于skin的类型。一般来讲，定义完成skin以后，在大多数情况下，不能直接从Viewpoint里直接选取skin面，这时就需要执行Toolset命令，选取所需要的skin面作为set。从而点击右下方的set即可选取所需要的skin面。需要注意的是，如果将shell,membrane或gasket单元赋给skin，那么在Mesh步中就必须对应的赋予其shell,membrane或gasket单元。另外，对于三维物体，在Mesh步中可以产生面和线单元以对其进行网格划分，对于轴对称物体也是类似的。当我
18、们对三维物体的面和线进行划分时，位于其上方的皮肤加强层也相应的被网格剖分了，而不能单独的对皮肤加强层进行网格划分。Offset:该选项可以对皮肤附加边和皮肤附加面进行定位，Offset值可以为正，也可以为负。例如，在壳体和轴对称物体中应用负的Offset值，表明其上的皮肤边被定位；在实体中应用负的Offset值,则表明皮肤层被实体所包含。在PART和PROPERTY步中，我们建立了所研究对象的模型，并且赋予了其材料特性。注意到整个过程是在局部坐标系下进行，这对于由单一形状构成的模型尚可，但对于由多个部分构成的物体来说，其中的每个部分都具有其独立的局部坐标系，为此，我们必须将其划归到一个统一的整体坐标系中，使其成为一个整体。,参考文献王如义等，橡胶阻尼材料研究进展石亦平，ABAQUS入门使用手册涂春潮,周文英,米志安,苏正涛，橡胶阻尼材料的研究进展陈兵勇,马国富,阮家，宽温域高阻尼橡胶材料研究进展谭亮红，罗仡科，贺才春，杨 军，橡胶阻尼材料的阻尼性能研究,ABAQUS软件很多功能还在学习中，我本次毕业设计的重要内容是（1）建立橡胶阻尼材料数值分析模型（柱形、板型）（2）采用ABAQUS软件进行大变形非线性分析（3）理论分析结果与试验结果的验证分析在熟练使用ABAQUS之后，这下来的三周关于阻尼材料的仿真模拟就得开始了。,谢谢！,
