文摘

为了提高阻尼能量耗散的u型波纹管结构,elastic-porous金属橡胶作为覆盖层采用和相应的振动参数识别。首先,能量耗散的进化特征对振幅和频率的变化是通过动态实验测试研究的弯曲方向覆盖波纹管结构。第二,明显的磁滞回线特性描述,而非线性本构关系分析模型是基于准确的分解方法。第三,相应的覆盖波纹管结构参数对动态属性是由广义最小二乘估计。最后,预测结果与实测变形恢复力曲线来验证开发了动态模型的准确性。相关的结果表明该动态模型的非线性本构关系覆盖波纹管结构可以描述的进化方面的恢复力振幅和频率。

1。介绍

柔性金属波纹管常用连接器的管道系统实现位移补偿和减少振动问题在调整空间有限1]。一般来说,传统的聚合物橡胶或泡沫具有优良的阻尼性能可以用来实现减少振动和噪声的目的,已经广泛应用于工程实践2- - - - - -4]。最近,越来越有兴趣使用金属材料阻尼器(例如,elastic-porous金属橡胶或缠绕钢丝网)改善环境服务性能的管结构(5]。然而,很少有研究进行的动态模型及其振动分析波纹管结构阻尼元素覆盖着。

在过去的十年里,许多学者进行了一系列的研究纯金属波纹管的力学性能和阻尼特性(6- - - - - -8]。前面的努力表明,纯金属波纹管的阻尼性能的提高显然是有限的。是至关重要的进一步研究波纹管结构增强阻尼元件。赵et al。9)使用损耗系数作为评价指标来研究几何参数的影响如波高、波距、直径和壁厚与夹层阻尼多层波纹管的损耗系数。李等人。10)评估轨道隔振器的性能和启动环境隔离使用波纹管和粘性流体。然而,结构的稳定性无法保证自充满液体的液体密封u型波纹管具有较高的要求。三明治结构的阻尼层可以抑制振动通过改变固有频率(11,12]。在波纹管的阻尼结构吞并,阻尼振动通常是应用于表面的波纹管或覆盖的粘弹性高阻尼元素由于内部friction-induced能量耗散。因此,管道系统波纹管结构的振动衰减的阻尼效果。因为传统阻尼材料,如粘弹性聚合物等极端环境的恶化或变得无效的高/低温度、金属阻尼材料(例如,elastic-porous金属橡胶)已经开发和应用的个案(13,14]。

Elastic-porous金属橡胶被称为一种macrostructural多孔材料的非线性刚度和高阻尼性能。纠缠金属橡胶的内部结构是空间网络的螺旋金属线交错,interwound。这种独特的金属阻尼器元素能够取代传统的聚合物阻尼材料由于其固有的优点如辐射电阻,耐腐蚀、耐高/低温、疲劳寿命长,在真空中不挥发性,性能稳定(15]。近年来,许多学者研究了金属橡胶的静态力学性能。科特伊斯et al。16)有关样品的微观结构演化通过x射线断层扫描其力学行为,从而监测接触者的数量单位体积和密度分布的变化在压缩试验。罗德尼et al。17)报道,纠缠单线材料显示出独特的strain-dependent泊松功能,反映出可逆膨胀压缩和紧张。由于金属橡胶的非线性阻尼特性,特别感兴趣的和复杂的动力学模型和相应的参数识别elastic-porous金属橡胶减振器。研究非线性、实验或有限元方法主要是使用18,19]。马等。20.]研究使用SMA-MR材料进行振动主动控制的可行性在不同的温度下的转子动力学系统。周et al。21]研究了孔隙度的多孔双绞线材料46 - 70%来自两个方面:多孔结构和夏比冲击行为。宏观上整体失败形态在场的多孔材料双绞线混合韧性脆性破坏机制,但微观影响主要表现出韧性变形和破坏机制失败和裂缝孔隙骨架并显示复杂的能量吸收机制。杨et al。22]研究了环形周期性的振动可靠性特性和阻尼性能金属橡胶循环动态加载,为一个周期的设计提供了一个替代方法金属橡胶阻尼器的单个应用程序。上述努力提供一个触发器进一步调查的波纹管结构的参数识别elastic-porous金属橡胶覆盖着。

目前的工作目标是调查的能量耗散特征与elastic-porous金属橡胶波纹管结构和非线性磁滞回线的参数识别。首先,波纹管结构覆盖着一个特定的金属橡胶阻尼器设计以及介绍了动态测试。第二,阻尼性能包括阻尼能量耗散、动态平均刚度和结构损耗因子是通过测量磁滞回线的特点,可以通过动态测试获得的弯曲方向覆盖波纹管结构。第三,四个参数的非线性本构关系是建立基于准确的分解方法。最后,预测变形恢复力曲线的比较,提出模型和实验测量结果和分析深度执行。

2。波纹管结构的描述Elastic-Porous金属橡胶覆盖着

2.1。覆盖了波纹管结构

在本文中,金属波纹管(DN108)不锈钢做的304年,采用1.0毫米的厚度。起皱是薄壁管与一个u型的单层结构,两端的法兰有几个固定孔的连接外部管道系统。波纹管的尺寸如图所示1(一)。覆盖了波纹管结构包含一个u形波纹管,两块elastic-porous金属橡胶板(结构)的一半,和几个钢丝绳在底部一侧的波纹管,如图1 (b)。half-structure金属橡胶板覆盖在波纹管的外壁预紧钢丝绳的连接。

(一)
(一)
(b)
(b)
图1
波纹管结构覆盖elastic-porous金属橡胶:(a)波纹管的尺寸和(b)的结构组件。
2.2。Elastic-Porous金属橡胶的制造

金属橡胶阻尼器的制造过程可以概括如下:(i)的导线选择原料。(2)包围和扭线紧螺旋与特定直径一般是5 - 15倍线径控制的。(3)螺旋成螺旋线圈的自负与特定音高,这大约是相同的直径螺旋,以确保有效的啮合。(iv)编织线圈在纵横交错的粗糙多孔基材数控设备空白的纠缠。(v)成型或压缩形成获得设计或预期形状的金属橡胶。(vi)超声波清洗。有时,金属橡胶的加热治疗可以用来改善金属橡胶的特性。压缩加载是根据样本提供一个特定的相对密度下形成一个相对静止的配置(23,24]。elastic-porous金属橡胶的主要工艺参数表中列出1。图2说明了压缩成型工具和金属橡胶层。

表1
金属橡胶的制备参数。
(一)
(一)
(b)
(b)
图2
(一)压缩成型工具和(b)金属橡胶层。
2.3。实验描述的动态测试

为了研究能量耗散的演变特点和动态刚度与振幅和频率的变化,动态测试的实验平台开发,如图3。励磁机和支架是固定在地面上,和波纹管的一侧法兰结构覆盖着金属橡胶阻尼器固定支架。实验动态系统主要由一个正弦信号发生器、功率放大器、振动激励器,波纹管覆盖着金属橡胶阻尼器和数据采集系统。实验原理图如图4。一定的预紧力可以应用于杆的振动激励器和传输到另一个灵活的波纹管覆盖着金属橡胶阻尼器进行预测的过程。预紧力保证了励磁机不退出风箱elastic-porous覆盖着金属橡胶的动态测试期间。


图3
动态实验测试装置的波纹管结构覆盖着一个elastic-porous金属橡胶阻尼器。

图4
原理图的动态测试系统。

3所示。动态实验结果和模型建立

3.1。动态测试结果

定频激发测试(f= 2 Hz)与振动振幅的变化(组1)以及fixed-amplitude激发测试(一个= 150μ米)和振动频率的变化(组2)。在组1,形成的磁滞回路其弹性恢复力和位移表示的基本特征波纹管结构的阻尼耗能elastic-porous金属橡胶覆盖着。滞回线包围的面积是能量耗散在一个振动周期。从图5,它可以明显看到,磁滞回路扩大逐渐随着变形幅值的增加,这意味着有一个稳定的积极的能量耗散和激励振幅之间的关系。这表明,磁滞回线的变形在这种情况下几乎没有变化。


图5
磁滞回路的扩张对振幅的变化(f)= 2赫兹)。

另一方面,磁滞回线的畸变角对坐标轴的水平轴与变形频率的增加逐渐降低,如图6。这意味着与金属橡胶波纹管的刚度阻尼明显受到频率的影响。然而,能量耗散并不显著的变化频率响应。


图6
滞回线的畸变对频率的变化(一个)= 150μ米)。

图7
条件下的阻尼特性的进化组1 ((f)= 2赫兹)。

图8
阻尼特性的进化条件下组2 ((一个)= 150μ米)。

为了进一步研究波纹管结构的能量耗散特征覆盖着金属橡胶阻尼器和描述磁滞回线的演变与详细振幅和频率,阻尼能量 ,动态平均刚度K和结构损耗因子η被用来描述磁滞回线。上述动态参数的详细的定义可以在其他出版物(也被称为25,26]。(1)阻尼能量耗散 :阻尼能量耗散 波纹管的涂层与金属橡胶阻尼器在一个振动周期磁滞回线的面积: 在哪里Fd弹性恢复力和吗x是测量位移。(2)动态平均刚度K给药 在哪里F马克斯是最大的弹性回复力,F最小值是最小的弹性回复力,x0是振动振幅。(3)最大弹性势能 :最大弹性势能计算了一半的产品之间的平均刚度和振动振幅的平方: (4)结构损耗因子η: 图7显示的结构损耗因子η和阻尼耗能 波纹管的金属橡胶阻尼器增加随着振幅的增加在同一激发频率。这个进化的解释可能接触点的数量之间的电线在金属橡胶随振幅的增加,导致能量耗散的增加。尽管振幅和能量耗散之间的正相关其他非线性动态系统(27),覆盖着elastic-porous金属橡胶波纹管结构的管道系统从未执行和验证。除了能量耗散,动态平均刚度K波纹管的覆盖着金属橡胶阻尼随振幅的增大而减小。这意味着波纹管覆盖着金属橡胶阻尼器刚度软化特性。一句话,振幅有很大影响的能量耗散和波纹管的刚度覆盖着金属橡胶阻尼器。从图可以看出8所有的阻尼性能包括结构损耗因子η阻尼能量耗散 ,平均刚度和动态K结构在同一激励振幅降低随着频率的增加。这可能意味着,随着频率的增加,金属橡胶是相对宽松的,内部的电线和电线之间的接触点减少,从而导致减少阻尼能量耗散 和结构损耗因子的减少η。

应该注意的是,波纹管的结构损耗因子覆盖着金属橡胶阻尼器大约是0.1,这表明它有很强的研究结构的阻尼耗散能力。能量耗散和刚度的变化对频率和振幅也暗示了波纹管覆盖着金属橡胶阻尼器有一个非线性滞后特性。

3.2。模型建立

为了更好地理解非线性行为,波纹管的动态特性覆盖着金属橡胶阻尼器理论上可以模仿。根据上述实验动态测试分析,磁滞回线可以分为上部和下部枝条的一半。因此,上半部分的磁滞回线的速度大于零多项式函数可以表示为:

根据反对称的关系,磁滞回线的下半部分也可以表达的多项式配合如下: 在哪里 是上下半磁滞回线的曲线,分别; 是变形;和 是多项式系数。其中,物品的数量(奇数)采取的N根据拟合精度选择多项式。

分离的奇怪甚至条款多项式方程(5)和(6),他们可以进一步表示为

因此,总回复力的波纹管金属橡胶阻尼器是由覆盖着

经过上述处理,动态磁滞回线可以分解成两个部分。其中, 是一个单值非线性函数和 是一个两值的非线性闭合曲线。 代表了非线性弹性回复力的一部分,和 表示的非线性阻尼力滞回恢复力。动态测试可以简化为一个单自由度振动模型,可以准确地分解和恢复力-位移曲线,如图9。


图9
磁滞回线的精确分解。

它可以从动态测试结果的非线性弹性恢复力的总回复力波纹管覆盖着金属橡胶阻尼器不是特别强;因此,第一项的两级膨胀公式(5)可以被采纳。因此,非线性弹性恢复力 构造如下:

动态结果表明很多因素使一个显著的效果在波纹管的能量耗散覆盖着金属橡胶阻尼器,由于许多阻尼组件恢复力。如果只有一个或两种阻尼,这是实际情况。因此,阻尼组件因素介绍了工作,以反映阻尼组件和非线性阻尼力。它可以给出的 在哪里c阻尼系数和吗n是阻尼组件的因素。从上述公式可以看出,越大n越多,阻尼力的敏感性的变化速度。相反,阻尼力的变化速度相对较慢。当n= 1,方程(10)实际上是简化为线性粘弹性阻尼力;当n= 0,阻尼力只与速度的迹象,表明干摩擦领域导致阻尼性能;当n在(0∼1)的范围,它是表达为一个混合阻尼器在干摩擦阻尼特性和粘弹性阻尼特性。可以看出,阻尼组件的因素n可以描述各种复杂阻尼条件下涂层波纹管结构用金属橡胶阻尼器。

总之,一个非线性动态模型,可以合理地描述所涵盖的波纹管结构的动态性能与金属橡胶阻尼器可以获得:

考虑到变化的弹性恢复力和阻尼力与变形幅值和频率(见图5和6),覆盖了波纹管结构的非线性函数可以准确地分解,然后,被描述为本构关系

4所示。参数识别

4.1。非线性弹性恢复力的识别
以下4.4.1。刚度系数

在一定工况下的位移和抽样数据可以获得相应的恢复力的动态测试 ,和多项式可以合适的磁滞回线的最小二乘方法:

的奇数系数公式的系数非线性弹性恢复力刚度,可以表示为

4.1.2。阻尼系数和阻尼组件的因素

非线性弹性恢复力可以利用所确定的重建 , 和测量位移采样信号 ;然后,

减去 从总滞回恢复力采样数据 ,非线性阻尼力 获得每个采样点:

根据非线性阻尼力模型 ,阻尼系数 和阻尼组件的因素 也可以确定的非线性最小二乘法。

4.2。参数识别结果

通过使用上述识别方法,刚度系数的值(k1,k3),阻尼系数c和阻尼组件的因素n在各种工作条件下可以获得。综合的分析与频率和振幅阻尼特性的进化,可以确定相应的本构关系。

4.2.1。准备刚度系数的参数识别

图10显示了空间曲面的一阶刚度系数k1(一个,f)随振幅和频率。它可以发现刚度系数k1(一个,f)随频率增大而减小。这可以解释的失真现象的发生频率的磁滞曲线如图5和7。非线性最小二乘法可以用于非线性拟合的表面。根据一系列的拟合结果,发现多项式形式是能够很好地描述刚度系数的演变k1(一个,f),振幅和频率。同时,的函数表达式k1可以被收购,列在表吗2,其中一个ij表示函数的系数表达式。


图10
表面的空间刚度系数k 1(一个,f)。
表2
的参数 。

如图11三阶刚度系数k3(一个,f)随振幅和频率。开始迅速降低然后逐渐稳定的降低频率。这种演变与动态平均刚度的变化是一致的K在数据6和8。多项式阶可以添加到提高拟合精度基于一阶刚度系数拟合。表3列出了相应的参数系数k3。


图11
表面的空间非线性刚度系数k 3(一个,f)。
表3
的参数 。
4.2.2。阻尼系数和阻尼组件的因素

如图12,随着振幅和频率的变化,阻尼系数c(一个,f)展品与频率显著负相关。这种演变与阻尼耗能的变化是一致的 在图9。阻尼系数的数学表达式 可以用幂函数拟合计算,列出了相应的参数表4。


图12
阻尼系数的空间曲面c(一个,f)。
表4
的参数c。

如图13,阻尼组件的发展因素n(一个,f),振幅和频率的变化比较复杂。阻尼组件的因素n(一个,f)增加更高的频率,这表明较高的阻尼力的频率会导致更多的敏感性。根据一系列的拟合结果,发现多项式形式能够很好地描述阻尼系数的演变的因素n(一个,f),振幅和频率。表5列出了相应的参数系数n(一个,f)。


图13
阻尼组件的表面空间因素n(一个,f)。
表5
的参数n。
4.3。模型验证

根据上述参数识别的非线性弹性恢复力和非线性阻尼力、恢复力的磁滞回线的波纹管覆盖着金属橡胶阻尼器可以重建。为了验证开发模型参数识别算法的准确性,比较之间的磁滞曲线估计非线性函数曲线拟合的本构关系和实验测量结果。图14显示了磁滞曲线的比较结果与恢复力和位移在不同振幅和频率。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图14
比较的估计和测量磁滞回路。(一)一个= 50μ米,f= 2赫兹。(b)一个= 100μ米,f= 2赫兹。(c)一个= 200μ米,f= 2赫兹。(d)一个= 50μ米,f= 6赫兹。

它可以发现拟合曲线恢复力大于0时比当恢复力小于零。所有的最大错误发生在滞回线的最低点。这可能是导致预紧力由波纹管上的振动激励器覆盖着金属橡胶阻尼器在动态测试。因此,磁滞回线似乎是不对称的。当容积和负位移相等,弹性恢复力的容积大于负位移的弹性恢复力。由于波纹管的非线性刚度特性覆盖着金属橡胶阻尼器,增加振幅的偏差可能会增加,最大偏差为17.78%,如图14 (c)。某一频率的增加会导致偏差的增加,如图(14日)和14 (d)。这可能是因为内部的钢丝金属橡胶的摩擦频率不能跟上激励频率,导致减少的恢复力和增加偏移。

比较的测量和估计曲线体现较高的一致性。选择数学模型和参数识别方法是有效的,它可以反映弹性恢复力的进化。提出了工作的动态优化设计提供了理论依据金属橡胶阻尼器。

5。结论

在这部作品中,进化能量耗散特性受尊敬的振幅和频率的变化是通过实验研究了动态测试的弯曲方向覆盖波纹管结构。非线性本构关系模型是基于准确的分解方法。本研究的主要结论是:覆盖波纹管结构的损耗因子测量用金属橡胶阻尼器是0.1。这表明该结构具有相对较强的阻尼耗散能力。波纹管覆盖着金属橡胶阻尼器与变量非线性迟滞特性和变刚度阻尼行为。在相同的频率,阻尼能量耗散的覆盖用金属橡胶波纹管结构阻尼随振幅的增大,而动态平均刚度k随振幅的增大而减小。磁滞回线的精确分解的基础上,考虑到振幅和频率对刚度和能量耗散的影响,波纹管结构的数学模型覆盖着金属橡胶阻尼器恢复力标识。比较的测量和估计曲线体现较高的一致性。结果表明,开发的模型的非线性本构关系与覆盖波纹管结构可以描述恢复力的演变与振幅和频率。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者声明没有关于这篇文章的出版的利益冲突。

确认

项目支持的中国国防创新区重点项目和福建省自然科学基金(2018号j01764)承认。