文摘

减少振动的悬臂钢板在高温环境下(25°C - 500°C),一个新的复合结构与纠缠金属丝材料(EMWM)提出了核心。不同温度下的阻尼性能EMWM调查。结果表明,当温度不超过260°C, EMWM的阻尼性能不受温度的影响。当温度超过260°C, EMWM的阻尼特性随温度的增加而减小。成立了一个热振动频率联合测试系统验证的能量耗散机制与EMWM核心复合结构,研究不同温度下的减振效果。基板之间的位移偏差(钢板)和约束板足以引起摩擦的能量耗散EMWM核心。热振动频率联合测试结果表明,EMWM核心有一个积极的对悬臂结构的阻尼性能的影响。添加EMWM核心和约束板可显著提高阻尼比,降低悬臂结构在不同温度下的振动。本研究有助于控制悬臂结构振动的结构在高温环境中。

1。介绍

降低结构振动振幅的机械系统目前已经成为一个重要目标在许多工业领域扩展的组件,降低声辐射,或增加舒适和安全1]。悬臂结构广泛应用于各个领域,如高速飞行器的机翼结构。与multiends夹紧结构,悬臂结构有很大的振动振幅由于更少的边界约束条件。

有不同的技术,旨在减振钢板结构(1]。被动表面处理使用各种聚合物阻尼材料阻尼是最常见的技术。人们普遍认为阻尼材料的形式约束层阻尼治疗是最有效的。然而,应该注意的是,大多数传统的聚合物阻尼材料和粘合剂(如环氧树脂)不能正常工作了很长时间在高温环境中,尤其是在260°C。

纠缠金属丝材料(EMWM)是一种多孔的阻尼材料制成的各种金属电线盘绕,编织,成型2]。尽管一些研究人员倾向于使用术语金属橡胶(先生)3- - - - - -6)或金属网(7,8),这些材料的制造过程是高度相似的,所以它们是同样的材料(9]。

由于其良好的能量吸收和环境适应性,EMWM引发了众多的研究在近几十年来10- - - - - -13]。肖等人研究了高温管道的减振系统通过添加一个EMWM涂料层(10]。朱等人提出了一种新的复合地基通过添加EMWM层刚性基础(11]。他们的研究结果表明,EMWM可以有效地减少基础的振动在室温和300°C之间。侯等人指出,在宽温度范围(−70°C到300°C),纠缠金属丝材料具有良好的阻尼性能损耗系数约0.2 - -0.3,及其阻尼容量展品良好的耐高低温(12]。李、白调查knitted-dapped金属橡胶的抗压特性在不同的温度下(100、200和300°C)和报道,试件的刚度和阻尼降低,然后增加随着温度的增加(13]。

以前的研究已经表明EMWM可以在高温下正常工作。这意味着EMWM可用于在高温环境中悬臂结构的减振设计。因此,为了提高悬臂结构的阻尼性能在宽的温度范围内,可以安装额外的EMWM层等结构。如前所述,使用胶不能用于债券EMWM悬臂结构在高温下。但机械连接是一个潜在的解决方案。然后,减振的机理将有别于传统的三明治结构与粘弹性的核心。

构建一个模拟的热环境的方法是气流加热和辐射供暖14]。辐射供暖具有长时间加热,加热能力强,multitemperature区控制,等等。因此,辐射供暖方法被广泛使用在thermovibration联合测试(14,15]。丁等人设置一个瞬态气动加热环境仿真系统通过使用两个石英灯数组和调查船的热模态特性的基础在300°C。降低成本,避免信号补偿、陶瓷棒通常用于诱导结构的振动响应信号在高温度到室温数据收集(14,15]。

本文的主要目的是探讨悬臂结构的减振通过添加纠缠金属丝材料核心在环境温度从室温(25°C)到500°C。的阻尼特性EMWM进行评估通过一系列的准静态压缩试验。研究悬臂结构的热特性,热振动频率联合测试系统。阻尼机制和新的悬臂结构的模态特性由热振动频率联合测试系统进行了研究。此外,减振效果的评估在高温环境中。

2。复合悬臂结构

2.1。纠缠态金属丝材料

摘要EMWM标本使用304 (0 cr18ni9)制造不锈钢电线后四个步骤的过程,采用白et al。(2),Gadot et al。16马,et al。17]。①普通钢丝圈成一个紧密的螺旋螺旋弹簧的加工原理。②紧螺旋拉伸和编织交错模式来获得一个粗略的多孔基材。③粗糙的样品放在一个特别设计的模具和形状的最终形式通过应用获得初级EMWM压缩力。④主EMWM样品位(如超声波清洁)获得最终EMWM。表1和2现在的化学成分和机械性能304不锈钢线,分别。线的直径是0.3毫米,弹簧钢丝螺旋的直径是3.5毫米,螺旋升角是60°。评估结果的可重复性,五个标本制备参数相同的准备,如表所示3。准备的板状EMWM试样如图1。

2.2。复合悬臂结构EMWM核心

图2(一个)是一个典型的素描与粘弹性复合结构的核心。减少基板的振动,粘弹性的核心和一个约束板连着基板用粘合剂(如环氧树脂)。底板是兴奋时,将通过剪切变形耗散振动能量的粘弹性材料。随着环境温度的增加,粘弹性核心和胶的机械性能将逐渐减少,在高温大幅下降。

图2 (b)是一个新的复合结构的素描EMWM核心。确保EMWM可以可靠地连接到基板和约束板在高温环境中,基板,EMWM层,通过铆钉或螺栓约束板安装在一起。车牌的定位被限制了。底板是兴奋时,底板和约束板会产生位移响应,分别和基板之间的位移偏差和约束层会改变EMWM层的压缩状态,振动能量将通过相邻导线之间的摩擦耗散螺旋接触。该复合结构与EMWM核心是一个纯金属结构,这使得它可以减少在高温环境中结构振动。

基板的详细尺寸图所示3。阴影区域的底板是夹紧,其余面积阻尼增加结构的阻尼性能通过添加EMWM层和约束。底板的厚度是8毫米。约束层的大小为150×150×3毫米³。基板的材料,限制板,并限制块45钢。45钢的热物理性质如表所示4。Desu等人报道,奥氏体不锈钢的强度下降近30%通过增加温度从50°C到500°C (18]。

获得悬臂底板的动态特性,12点测量排列在底板上,一个激发点位于基板的中心,2温度监测点排列在底板上,点和4连接螺纹孔(M6)排列在基板上。测量的布局点(点D1∼D12),激发点(点),温度监控点(T1和T2),和连接点(点B1∼B4)如图3。内径、外径和高度限制块的6.2毫米,10毫米,6毫米,分别。因此,预加载的数量为每个EMWM标本是2毫米。的限制区域底板由约束梁和夹紧螺栓的支持基础。EMWM核心的悬臂复合结构是图所示4。

3所示。实验设备和方法

3.1。静态测试

获得EMWM的刚度和阻尼特性在不同环境温度下,进行一系列的静态测试使用WDW-T200电子万能试验机和高温试验箱。图5显示了准静态测试装置。这个测试设备是由济南天辰试验机制造有限公司制造有限公司准静态测试装置的参数如下:最大压缩力200 kN,最高温度为800°C,位移分辨率为0.001毫米,负载分辨率是1 n,和温度分辨率是1°C。

WDW-T200用于位移控制模式。在每个测试过程中,装卸速度控制在1毫米/分钟。进行准静态试验在室温(25°C), 100°C, 200°C, 260°C, 300°C, 400°C,分别和500°C。

在这篇文章中,割线刚度(k)和损耗系数(η)被用来评估EMWM的刚度和阻尼性能,分别。割线刚度和损耗系数可以来自EMWM的准静态磁滞回线。图6介绍了下的磁滞回线的素描装卸过程。割线刚度(k)是一个测量的最大加载力的比值(F_马克斯)除以最大变形(d_马克斯所示)EMWM (1)。由于存在相邻的金属丝螺旋之间的滑动摩擦,装载和卸载曲线不一致。ΔW装载和卸载曲线之间的区域,用于表示每循环的耗散能量。U是卸载曲线下的面积的总和,一半ΔW和用于表示每个周期的最大弹性势能。损耗系数被定义为(2)。

EMWM不会变形时可塑性最大加载力不超过最大成形压力的20%左右。考虑每个标本的最大成形压力约为164 kN,最大加载力设置为35 kN。为了防止标本和测试之间的接触表面不均匀,10 n预加压力应用于每一个标本。成型后,内部的钢丝螺旋EMWM相互联系,形成一个稳定的结构。然而,仍然有一些钢丝螺旋处于临界状态的不稳定。图7显示前五个循环力-位移EMWM-1治愈。从图可以看出7第一个磁滞回线明显不同于其他人,然后EMWM将多个加载后稳定的性能。因此,第五磁滞回线的实验数据是用来评估准静态属性。

3.2。热振动频率联合测试

热振动频率联合测试系统设置来评估在高温环境中悬臂结构的减振。此外,这个系统被用来验证EMWM核心的复合结构阻尼机制。图8介绍了热振动频率联合测试系统的框图由热环境模拟子系统和振动激励和采集子系统。热环境模拟子系统用于生成所需的高温环境。振动激发和采集子系统建立了模拟悬臂上的外部负载结构和收集振动响应信号。

如图9、悬臂结构通过螺栓固定在支持基础。两个石英红外线加热灯阵列安装在顶部和底部的悬臂结构。石英灯之间的距离数组和悬臂结构是30毫米。电磁振动激励器上通过弹性绳索和悬臂结构由陶瓷与悬臂结构连接杆。一个硅酸铝保温板放置在石英灯阵列和电磁振动激励加热期间提供隔热。减少测试成本和避免信号补偿,高温加速度传感器不采纳,但普通加速度传感器和陶瓷接杆的振动信号采用收购悬臂结构在高温环境中。十二个陶瓷扩展棒固定在测量点(D1∼D12)基板的一端,在另一端连接到普通的加速度传感器线程。指出,这些扩展陶瓷棒通过硅酸铝保温板以确保普通加速度传感器在正常温度范围在供暖。

表5介绍了主要设备的技术规格的热振动频率联合测试系统。扫uT8916FRS-DY被用来产生一个正弦信号的试验模态测试。另一方面,它被用来检测基板之间的位移偏差和约束层,可以反映EMWM层的变形。它也被用来获得加速度信号的基板,可以反映出悬臂梁结构的模态特性。

热振动频率联合测试期间,底板和约束板加热同时由两个石英灯红外线加热数组。热环境模拟子系统是用来生成所需的高温环境。保持所需的温度为30分钟后,电磁振动激励器发送正弦扫描力,不断激发悬臂结构。激励信号的参数表6。悬臂的反应是被十二个普通加速度计的使用。激励和响应信号记录和处理使用振动激励和实时采集子系统。

结束时的热振动频率联合测试,响应的幅频曲线的基板(钢板)和复合结构与EMWM核心在不同环境温度下可以获得。因此,EMWM的影响这个悬臂结构的振动与阻尼特性。此外,阻尼比(ξ)的基板(钢板)和复合结构与EMWM核心可能是由半功率带宽响应振幅和频率的阴谋。 在哪里ω_n是n结构的模态频率和秩序ω₁和ω₂半功率点频率在放大比与频率比情节响应曲线,有价值吗 次的响应幅度n阶模态频率。

正如上面提到的,这个测试系统是用于验证EMWM核心的复合结构的阻尼机制。在模态试验中,基板的位移响应和约束板是微米尺度。如表所示5,工作温度范围的KD9002是从−20°C∼+ 80°C。此外,基板之间的位移偏差和约束层非常小,位移的区别只在室温下测量。检测基板之间的位移偏差和约束层,确保测试的准确性,扩展陶瓷棒和石英灯红外线加热数组中,然后12正弦扫频测试进行了在同一激发点(点一个),两个涡流位移传感器(KD9002)被用来测量基板的位移响应和约束板12点(D1 D12∼)测量,分别如图10。基板之间的位移偏差和约束层在D1∼D12被uT8916FRS-DY检测并记录。位移的方向为正方向垂直,反之亦然。

4所示。结果与讨论

4.1。不同温度下静态行为

图11显示了一个标本的静态测试结果(EMWM-1)在不同环境温度下。每循环的耗散能量(ΔW),割线刚度(k)和损耗系数(η)的每个标本在不同环境温度下呈现在图12,连同他们的平均值(MV)和标准差(STD)。

从图可以看出11的环境温度有很大的滞后影响的路径。EMWM的滞回曲线在不同的温度下最终会回到原来的位置。它表明,在准静态压缩试验在不同环境温度下(25°C∼500°C),没有发生塑性变形,最大加载力(35 kN)不超过最大允许负载的标本。

如图11和12(一个),环境温度从25°C到260°C,增加耗散的能量在一个周期通过相邻导线之间的摩擦螺旋略有减少。然而,当温度大于260°C,当温度继续上升,一个循环的耗散的能量将迅速减少。滑动摩擦系数的变化和热膨胀的钢丝螺旋是两个主要因素导致了这一现象。随着环境温度的增加,氧化膜会逐渐形成表面的钢丝螺旋,尤其是在高温(≥260°C),氧化膜的致密化将进一步改善。然后钢丝螺旋之间的滑动摩擦系数随氧化膜的致密化。因此,当温度大于260°C,干摩擦的能源消费将快速下降。同时,钢丝螺旋的热膨胀量与温度的增加将变得更大。然后EMWM将逐渐减少的孔隙度;因此,滑动的空间内的钢丝螺旋EMWM会逐渐变小,导致减少能源消耗。

图12 (b)显示的割线刚度EMWM温度的增加而增加。这解释了作者最近的研究(19]。随着温度的增加,尽管不锈钢丝的弹性模量和剪切模量会逐渐减少,钢丝螺旋的热膨胀量将变得更大,然后接触点数量的增加;最后,EMWM逐渐的刚度特性类似于固体结构,和力-位移曲线的非线性特征EMWM将被削弱19]。

图12 (c)介绍了不同环境温度下EMWM损耗系数。应该注意的是,损耗系数是计算值,而不是直接测量。根据(2),发现损耗系数正比于耗散的能量在一个周期和最大弹性势能在一个周期成反比。EMWM降低的损耗系数略有增加的环境温度从25°C到260°C,这结果是一致的,侯et al。12]。它表明EMWM几乎没有相关性的损耗系数与环境温度在25°C - 260°C。如图12(一个),消散的能量在一个周期逐渐随温度的增加而减小(25°C∼260°C)。与此同时,最大弹性势能的增加逐渐增加EMWM材料的刚度特性。因此,损耗系数略有降低25°C 260°C。然而,当温度大于260°C,当温度继续上升,将迅速减少的损失因素。这是由于快速降低能源消耗和刚度的快速增长。

4.2。位移偏差

验证的能量耗散机制EMWM核心的复合结构,基板之间的位移偏差和约束层在不同测量分(D1∼D12)在室温下被发现。附近的测点D1是悬臂复合结构的自由端;因此,在D1位移偏差和频率之间的关系,提出了分析,如图13。和其他测量的最大位移偏差点将在桌子上7。

从表可以看出7悬臂复合结构的最大位移偏差与EMWM核心的前三阶模态频率大于1μm。这意味着,在前三阶模态频率,基板之间的位移偏差和约束板会造成相邻导线之间的摩擦能量耗散EMWM[内螺旋20.]。此外,最大位移偏差二阶模态频率是最大的,这在三阶模态频率是最低的。三阶模态频率的最大位移偏差小于1.8μm;因此,能量耗散在第三模态频率可以被忽视。

4.3。热振动频率联合测试结果和分析

在热振动频率联合测试,悬臂结构(与EMWM核心基板和复合结构)是由两个加热石英灯红外线加热数组。图14显示了预设温度和控制温度曲线在基板的上表面为六个不同的热环境的温度范围100°C - 500°C。如图14同意,控制温度与预设的基板温度对热振动频率联合测试。它指出,温度误差在±4°C。

4.3.1。陶瓷接杆的影响

本文由氧化铝陶瓷接杆。调查的影响陶瓷接杆悬臂结构的模态频率,悬臂结构的模态频率条件下杆和杆测量。表8显示了复合结构的前三阶模态频率有/没有陶瓷接杆在室温环境下(25°C)。悬臂梁的模态频率与陶瓷复合结构扩展棒低于没有陶瓷的悬臂复合结构扩展棒。前三个模态频率的相对误差小于6%。试验结果表明,陶瓷接杆的影响在悬臂复合结构的模态频率并不重要,可以满足工程应用的要求。

因为陶瓷接杆具有较强的抗变形性在高温和高刚度,振动信号通过它传播损失小。因此,在室温下测试结果可以用来作为参考分析高温时的附加质量的影响。

4.3.2。模态频率

图15介绍了悬臂钢板的前三阶模态频率(基板)和悬臂复合结构与EMWM核心在不同环境温度下。

的前三阶模态频率与EMWM悬臂复合结构的核心明显低于悬臂钢板在室温环境中(基板)。这种现象可以解释公式的自振频率和阻尼,如下面所示: 在哪里米是质量,k刚度,ζ阻尼比。

降低的振动悬臂钢板(基板),一个EMWM核心,一个约束板、四个限制块,和四个铆钉/螺栓被添加到钢板(基板)。因此,质量(米)的复合结构与EMWM核心大于钢板(基板)。尽管EMWM核心的刚度小于钢板(基板),与EMWM悬臂复合结构的核心,夹紧端仍钢板(基板)的一部分,这意味着刚度(k)的结构的变化。从图可以看出12 (c)EMWM的损耗系数在不同温度下的范围从0.08到0.14,而钢板的损耗系数小于0.02在室温环境下(21]。它可以来自钢板之间的损耗系数的比较和复合结构EMWM核心,阻尼比(ξ)的复合结构的大于钢板(基板)。因此,复合结构的模态频率与EMWM核心低于室温下的钢板(基板)。

环境温度的影响在悬臂复合结构的模态频率与EMWM核心和悬臂钢板(基板)是重要的。悬臂钢板,前三阶模态频率逐渐减少与环境温度的增加。这种趋势的主要原因是,钢板的弹性模量和刚度降低随着温度的增加。EMWM核心的复合结构的前三阶频率单调上升的温度。一阶模态频率相对较小的变化在不同的温度下,当二阶和三阶模态频率的变化更加明显。有人指出复合结构的二阶模态频率与EMWM核心温度增加而增加,这种现象也被发现在其他研究22]。

4.3.3。模态形状

振动系统,低阶共振能量高于高阶共振能量,所以只有第一个高阶共振频率的模式形状的板结构被认为是。一盘结构,其模态形状可以推导出振动信号的综合分析,所获得的加速度传感器分布在板结构。摘要12加速度传感器用于检测振动信号,和实验结果的前三阶模态形状悬臂复合结构在不同温度下表中给出9。一阶和二阶模态形状弯曲模式,和三阶模态形状是一个扭转模式。从表可以看出9温度变化不导致第二和三阶模式变化的形状。另一方面,一阶模式变得更加明显随着温度的增加。

4.3.4。阻尼比

图16显示了复合结构的阻尼比在不同温度下的前三阶模态频率。环境温度的影响在复合结构的阻尼比EMWM核心意义重大。复合结构的阻尼比增加,然后随着温度的增加而减小。热膨胀EMWM核心会随着温度的增加。然而,EMWM核心是受到限制板,限制块和螺栓。温度的增加将导致减少EMWM的内部孔隙度。压缩过程中,有三个接触状态的金属丝螺旋EMWM:非接触、滑动接触,坚持联系(17]。随着温度的增加,热膨胀量的钢丝螺旋上升,然后的交互类型钢丝螺旋将逐渐改变(从非接触滑动,滑动接触坚持接触)。这意味着非接触状态占有较小的比例和接触点的数量增加。然而,当线进入了状态,它不会产生滑动摩擦。

4.3.5。悬臂结构的减振

悬臂的频率响应曲线(FRCs)基板(底板)和EMWM悬臂复合结构的核心是通过信号源和实时数据采集系统(uT8916FRS-DY)。图(17日)显示了悬臂的FRCs基板(钢板)在不同的计量点。二阶模态频率的振幅大于订单。图17 (b)礼物FRCs D1点测量EMWM核心的复合结构在室温下。这些样品的一致性高。便于分析温度对减振效果的悬臂结构,其中一个样本选择和比较不同高温下基板。图17 (c)复合结构的显示FRCs EMWM核心在不同测量分。曲线的形状类似于图(17日)。它可以清楚地看到数据(17日)和17 (c)相同的激励条件下,最大振幅(2.815 g / N)悬臂复合结构在室温下测量时候D1低64.41%比悬臂基板(钢板)(7.909 g / N)。这意味着悬臂板结构的振动振幅可以大大减少通过使用金属阻尼材料(EMWM)。

研究不同温度下悬臂结构的减振,图18(一)介绍了悬臂结构的频率响应曲线在不同的温度。图18(b)是局部放大图的绘制18(a)的振动振幅悬臂结构在不同高温相比,在降低室温。然而,没有显著差异的影响减振200°C到500°C。这是符合二阶阻尼比的复合结构在相同的温度范围。这意味着悬臂钢板(基板)的振动可以减少不同温度下添加EMWM核心和约束板。

5。结论

提出了一种新的复合结构与EMWM核心减少振动悬臂钢板在高温环境中。这种复合结构的阻尼机制验证通过检测基板之间的位移偏差和约束板。成立了一个热振动频率联合测试系统研究悬臂复合结构的振动与阻尼特性与EMWM核心。可以得出的主要结论,从实验中,如下:(1)EMWM的能量耗散特性不受温度的影响低于260°C。尽管EMWM减少的能量耗散特性在温度超过260°C,它仍然具有耗散能力。(2)基板之间的位移偏差和约束板是足以引起内部相邻线螺旋之间的摩擦能量耗散。(3)的振动悬臂钢板可以显著减少通过添加EMWM核心和约束板的宽温度范围(从室温到500°C)。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号51805086)。