粘弹性阻尼材料对带筋板钢结构件减振效果评价研究

褚风民

（天津市橡胶工业研究所）

粘弹性阻尼材料对带筋板钢结构件减振效果评价研究

褚风民

（天津市橡胶工业研究所）

本文以带有筋板的钢结构件为研究对象，采用激振器从筋板结构件下方对其进行激励，以激振器产生的正弦激励力作为振源，测试筋板结构件典型位置的振动响应。应用振动加速度级的变化来衡量并评价筋板结构件在敷设粘弹性阻尼材料前后的减振效果。可以看出：（1）阻尼处理前，受到激励的筋板钢结构件各处的振动响应主要与其所处位置的结构有关，与距离激振点的远近关系较小；（2）在敷设阻尼材料后，受到激励的筋板钢结构件各处的振动响应与其距离激振点的远近关系较大，距离越远的位置振动衰减越大；（3）以自由层阻尼材料为约束层的约束阻尼结构的减振效果要大于优于单纯自由层阻尼材料。

筋板结构件；阻尼；振动加速度。

表面敷设阻尼材料对多数刚性结构而言都是比较有效的减振方案，作为被动减振的典型，阻尼结构已被广泛应用于航空、船舶、汽车、机床等领域[1]。但阻尼结构减振效果的评价尚没有完全统一的方法。陈庆华提出使用减振前后的位移响应比值来评判减振效果[2]，周劲松等用频响函数来评价减振效果[3]。带有加强筋的平板结构件常见于各种机械装置中，本文以带有筋板的钢结构件（本文中简称为“筋板结构件”）为研究对象，主要应用振动加速度级的变化来衡量评价其在敷设阻尼材料前后的减振效果，并为类似结构选择性能更加优良的阻尼材料及阻尼结构。

1、阻尼结构的减振机理

阻尼减振是被动控制的一个主要方面，它通过将动能转化成热能达到减振降噪的目的。自由阻尼层是直接将粘弹性阻尼材料贴敷或涂覆在需要减振的结构原件表面，主要通过阻尼层发生拉伸变形，从而将机械振动能转变为热能耗散达到抑制振动的目的，其受力形式如图1所示。它结构、动力特性比较简单，便于在实际工程中使用，但其减振效果相对较差。约束阻尼是在阻尼层外附加一层刚度较大的弹性层作为约束层，主要由基层、阻尼层与约束层组成，通过阻尼结构的基层和约束层弯曲变形的作用，在阻尼材料内部产生剪切应变，从而将机械能转变为热能[4]。约束阻尼结构中阻尼层不仅承受拉压变化，同时还要车感受剪切变形，由于粘弹性阻尼材料的剪切损耗模量要大于拉伸损耗模量，所以一般而言约束型阻尼结构的效果要优于自由型阻尼结构。

图2 约束层阻尼结构的受力形式

2、筋板结构件振动加速度的测试

本文以筋板结构件为研究对象，采用激振器从筋板结构件下方对结构件进行激励，以激振器产生的正弦激励力作为振源，测试筋板结构件典型位置的响应，以典型位置点的频率响应函数为测试分析对象，研究有无阻尼结构的振动情况，对比筋板结构件在敷设阻尼前后的减振效果，以便根据试验结果对阻尼结构敷设方案进行调整，以取得更好的减振效果。

频响函数及振动加速度的测试原理图如图3所示：

图3 频响函数振动加速度测试原理图

为测试频响函数及振动加速度，通过激振器对结构件激励，将激励信号通过压电式力传感器转换为电信号，响应信号则通过压电式加速度传感器转换为电信号。通过计算机及专用信号处理软件对激励及响应信号进行分析，从而得到系统的频响函数及各点的振动加速度。

根据测试要求，实验台主要工作在中低频，本次实验分别进行10～300Hz以及10～1000Hz的随机信号激励，采用激振器激振，单点输入多点输出方式测试各点的振动加速度。

实验中采用的测试仪器及处理软件为丹麦BK公司2702功率放大器；4808激振器；1027信号发生器；8200力传感器；2971加速度传感器；2692D电荷放大器；东方振动与噪声技术所INV数据采集与分析系统。

振动加速度级的定义[5]：

其中La为振动加速度级，dB；

a为振动加速度有效值，m/s2；

a0为振动加速度参考值，m/s2，

由仪器测出各接收点的振动加速度有效值，然后按照以上公式计算振动加速度级。

3 筋板结构件及阻尼结构方案

筋板结构件的示意图如图4所示。

图4 筋板结构件示意图

3.1 筋板结构件结构尺寸：

底板尺寸：长×宽=700mm×500mm，厚度26mm；

横筋板尺寸：长度为500mm，高度为400mm，厚度为10mm；

竖筋板尺寸：长度为700mm，高度为490mm，厚度16mm。

3.2 阻尼材料敷设方案

方案1、2：自由层阻尼结构，底板敷设阻尼板厚度为25mm，竖筋板双面敷设阻尼板厚度均为16mm（双面），横筋板双面敷设阻尼板厚度均为10mm。方案1、2阻尼材料分别为A、B；

方案3：约束阻尼结构，各处理面首先敷设约束阻尼材料Y（2mm）然后在其上部再敷设自由层阻尼胶板B作为约束层，底板敷设25mm，横筋板双面敷设10mm，竖筋板双面敷设16mm。

3.3 激励点及接收点的设置

选择竖筋板下距离底边30mm左右的位置为激励点，如图所示“1”点。

选择不同特征位置的筋板接收点：2、3、4、22、33、44。其中2、4为竖筋板下位置，3为横竖筋板交叉点，33、44点为横筋板下位置，22点为无筋板位置。

3.4 激励频率的选择

每次测试分别进行10～300Hz以及10～1000Hz的随机信号激励，分别测试接收点的振动加速度。

4 结果与分析

4.1 空白板下各接收点的振动加速度级分析

各接收测试点与激振点的距离不同，同时各测试点对应的结构也不同，横向比较相同激励条件下不同接收测试点的振动加速度级，对于全面了解带筋板结构件的不同部位的振动情况具有一定的意义，同时也便于比较在进行阻尼处理前后相同部位振动加速度级。

空白板下各点振动衰减情况见下表1及图5。从表中数据可以看出，同在竖筋板下的2、3、4点的振动加速度级基本相同。同在横筋板下的33、44点的振动加速度级也基本相同。而不在筋板位置下的22点，其加速度级比竖筋板下的各点要低，比横筋板下的各点要高。

由此可以看出在空白板下不同位置的振动衰减与各点所处的结构有直接关系，而各点与激振点距离大小对振动衰减的影响较小。

表1 空白板下各点振动加速度级（dB）

图5 空白板下各测试点震动加速度级

4.2 敷设阻尼材料后各接收测试点的振动加速度级

测试频段为0～1000Hz时敷设阻尼材料各测试点的振动加速度级见表2及图6，10～300Hz时敷设阻尼材料各测试点的振动加速度级见表3及图7所示。分别以空白样的振动加速度级与各测试点的振动加速度级之差来衡量各点的振动衰减，表征减振效果。

4.2.1 筋板位置下减振效果与各测试点与激振点之间距离的关系

从表2及表3中的数据可以看出“2”点由于离激振点最远，其振动衰减也最大，同样在竖筋板的位置的“3”、“4”点的振动衰减依次降低，由此可以看出在敷设阻尼材料后距离是影响振动衰减的一项关键因素，与振动激励点的距离远的位置振动衰减大，距离近的位置振动衰减小。在实际工程应用可有针对性的在离激振源较近的部位增加阻尼层的厚度以加大其减振效果，而在离激振源较远的部位厚度也可以相应的减小。

4.2.2 筋板敷设阻尼材料的厚度与减振效果之间的关系

比较“2、3、4”与“22、33、44”的振动衰减，可以看出在竖筋板下的测试点的减振效果要大于横筋板下的各点以及筋板外的“22”点。横筋板厚度为10mm，竖筋板厚度为16mm，由于横筋板与竖筋板敷设阻尼材料的厚度与筋板厚度比例相同，双面敷设均为1∶1，因此相应的竖筋板上敷设的阻尼材料厚度要大于横筋板，2、3、4点位置振动加速度级衰减较大，可能与两种因素有一定的关系：（1）竖筋板敷设的阻尼材料厚度较大，阻尼材料起到了抑振作用，（2）竖筋板本身厚度较大，筋板本身起到了较好的抑振作用。而从表1中数据可以看出，空白样下厚筋板位置下的“2、3、4”点振动加速度级较大，而在薄筋板下的“33、44”点的振动加速度级反而较小，由此可以看出竖筋板上敷设的阻尼材料在振动加速度级的衰减中起主要作用。

比较“2”点与“22”点，两点离激振点的距离均较大，“22”点离激振点的直线距离甚至更大，但“22”点下的减振效果远不如“2”点，由此可以看出在对筋板结构件的阻尼处理过程中，对筋板的阻尼处理效果要比底板好。

而比较横筋板“33”、“44”测试点，这两点的结构及其与激振点的距离均相同，反映到振动加速度的衰减上来看，可以看出两点的测试数据也基本相同。

综合各测试点的数据，可以看出频宽在0～1000Hz下，3#方案的综合振动加速度级的衰减最大，为16.6dB，1#方案次之，为15.3dB；2#方案最差，为11.3dB。

表2 频宽1000Hz下敷设阻尼材料各接收点振动加速度级

图6 1000Hz下各接收点不同方案振动加速度级

2.2频段为10～300Hz时各测试点振动加速度级的衰减情况

10～300Hz测试频段下各测试点的相对减振效果见表3与图7所示。其基本规律与10～1000Hz频段类似。

表3 频宽300Hz下敷设阻尼材料各接收点振动衰减情况

图7 300Hz下各接收点不同方案振动加速度级

综合各测试点的数据可以看出，频宽在10～300Hz下，依然是3#方案最佳，为16.1dB；2#方案次之，为15.6，1#方案为15.3dB。由此可以看出对筋板结构件进行约束层阻尼处理，并以自由层阻尼材料为约束层的约束型阻尼结构的减振效果要大于单纯使用自由层阻尼材料。

4.2.3 敷设阻尼材料前后筋板结构件振动频谱对比分析

4.2.3.1 空白样振动频谱

空白样竖筋板下典型位置（4点）在0～1000Hz振动频谱见图8所示，10～1000Hz下共振频率为573.4Hz，振动加速度的峰值为26.5m/s2，除此之外在518Hz下还有一个次级共振峰，总有效值为21.27 m/s2。

图8 空白样竖筋板下典型位置（4点）在0～1000Hz振动频谱

非筋板下的典型位置（22点）的在0～1000Hz下的振动频谱分别见图9。0～1000Hz下处在518Hz存在一共振峰外，在155Hz、573Hz、954Hz均存在次级共振峰，但各共振峰的振动加速度均远没有“4”点共振峰值高，总有效值为16.08 m/s2。

图9 空白样非筋板典型位置（22点）在0～1000Hz振动频谱

4.2.3.2 经过阻尼处理后的振动频谱

经过阻尼处理后同样在“4”点的振动频谱见图10所示，与图8相比，其主共振峰被抑制，仅存在数个峰值不足1m/s2的小峰，总有效值仅为2.93m/s2。

图10 1#方案处理下“4”点的振动频谱

经过阻尼处理后同样在“22”点的振动频谱见图11所示，与图9相比，其主、次各级共振峰均被抑制，除在473Hz存在一个峰值为1.415m/s2的峰之外，仅存在数个峰值不足1m/s2的小峰，总有效值仅为3.735m/s2。由以上“4”点及“22”点位置阻尼处理前后的振动频谱对比可以看出阻尼材料在抑制振动方面的作用。

图11 1#方案处理下“22”点振动频谱

5 结论

（1）在筋板结构件空白板下不同位置的振动衰减与各点所处的结构有直接关系，而与各点与激振点距离大小对振动衰减的影响较小。

（2）筋板结构件在敷设阻尼材料后，与振动激励点的距离远的位置振动衰减大，距离近的位置振动衰减小。在进行阻尼处理时可适当加大振动激励点附近位置阻尼层的厚度。

（3）对筋板结构件进行约束层阻尼处理，并以自由层阻尼材料为约束层的减振效果要优于单纯使用自由层阻尼材料。

[1] 戴德沛. 阻尼技术的工程应用，清华大学出版社，1991，7-13

[2] 陈庆华，奚德昌.在基础随机激励下阻尼夹心梁横向位移的减振效果.兵工学报. 1988，（3）34

[3] 周劲松，李大光，张洪等.运用频响函数分析机车车辆二系悬挂的减振性能，铁道车辆. 2007，（9）：44～48

[4] 刘棣华，粘弹阻尼减振降噪应用技术，宇航出版社，1990，67-69

[5] JBJ 16-2000 机械工业环境保护设计规范

褚风民（1978-）男，山东邹平人，高级工程师。现任职于天津市橡胶工业研究所有限公司，主要从事声学功能性橡胶制品的配方及工艺研究。