粘弹性阻尼安装架结构设计及减振效能分析*

王贤宙

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

粘弹性阻尼安装架结构设计及减振效能分析*

王贤宙

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

粘弹性阻尼材料的最大优点是可以在很宽的频域和温域内对振动进行抑制，特别适用于机载电子设备结构减振问题。文中阐述了在某机载电子设备安装架上敷设粘弹性阻尼材料的方法和典型工艺，并利用有限元仿真方法对安装架敷设阻尼层前后的减振效能进行了对比，结果表明敷设阻尼层后的安装架有更好的减振效能。

机载电子设备；粘弹性阻尼材料；典型工艺；减振

引 言

粘弹性材料应用于振动控制的历史可以追溯到20世纪50年代，它最初是用于航空器中以控制由于疲劳引起的振动。粘弹性阻尼材料的最大优点是可以在很宽的频域和温域范围内对振动进行抑制[1]，特别适用于随机宽带条件下的结构减振问题。粘弹性阻尼结构的构成形式一般分为约束阻尼层和自由阻尼层2种[2]，2种形式被广泛应用在航空、航天、车辆[3]等领域。由于自由阻尼层结构带来的附加重量轻，因而被越来越多的研究者重视。

本文以某直升机载设备安装架为研究对象，系统阐述了安装架敷设粘弹性阻尼材料的设计方法及工艺流程，包括阻尼层材料选择、粘接胶选择、阻尼层与安装架的固化，并分别建立安装架敷设阻尼层前、后2种状态的有限元模型进行仿真计算，对比分析了粘弹性阻尼结构的减振效能。

1 粘弹性阻尼减振基本理论

粘弹性材料具有弹性和粘性双重特性，这种材料在受到外力时，曲折的分子链会产生拉伸、扭曲等变形，当外力除去后，分子链的滑移、扭转不能完全复原，产生了永久性的变形，这就是粘弹性材料的粘性。而链状分子运动要克服阻力，这需要一定的时间，因此应变往往滞后于应力的变化，在一定频率和温度范围内，这种滞后现象十分明显。滞后的形变运动需要克服较大的阻力，这个过程将外力做的功耗散在周围环境当中，这就是粘弹性阻力产生阻尼的原因。因此这种材料在适当的温度和频率条件下，承受交变应力时就会有很大的耗能效应。图1为粘弹性材料滞回曲线，图中：σ(τ)为剪切应力；ε(γ)为剪切应变。

图1 粘弹性材料滞回曲线

2 粘弹性阻尼安装架结构设计

2.1 安装架描述

该安装架刚性安装于直升机舱地板上，安装架外形尺寸为：640 mm × 320 mm × 462 mm，安装架承载重量合计90 kg，安装架自重8 kg，具体结构外形及载荷分布如图2所示。

图2 安装架外形及载荷分布

2.2 阻尼材料选择

阻尼材料一般为粘弹性材料，具有温频依赖性，材料的储能模量和损耗因子都会随着温度和频率而有所变化，需要根据工作环境来选择阻尼材料。本文选取了GJB 979标准ZN-1阻尼胶料作为约束层阻尼材料，经试验验证，该种阻尼材料可工作温度区间为-40 ℃～80 ℃，适合一般机载设备工作条件。为验证该阻尼材料的抗盐雾性能，按照GJB 150.11的要求进行了96 h的盐雾试验，结果表明：薄膜没有出现分化现象，满足GB 6461中5级评定要求。并按照GJB 150.9机载条件进行了湿热试验，最后没有发现该阻尼材料试样从板上剥落下来。为鉴定该材料的抗霉能力，根据GJB 150.10中对试验周期、温度、湿度及菌种的规定，对其进行了霉菌试验，结果表明：试样表面有轻微霉菌生长，满足GJB 150.10中等级2的评定要求。

表1 ZN-1型阻尼材料性能参数

2.3 阻尼层粘贴区域

阻尼材料敷设区域应变能越大，整个结构的阻尼性能越高[4]。分析第1、2阶模态的应变能分布可以看出，模态应变能较大的区域位于各个设备与安装架的连接处以及安装架与载机的连接处附近，如图3所示。因此，阻尼层优先考虑在这些区域敷设，如图4所示。

图3 模态应变能分布

2.4 阻尼层设计尺寸

阻尼材料厚度为1mm。阻尼材料总质量约为0.247 kg，约为原安装架自重的3%，含粘接胶在内总质量约为安装架自重的5%，具体阻尼层的形状如图5所示。

图5 阻尼层形状

2.5 阻尼层复合

要确保阻尼层的粘接强度，阻尼层与安装架的复合是制作工艺的关键步骤。首先在阻尼层涂刷粘接胶后自然晾干，直至手摸无粘手的感觉；然后把阻尼层展平敷设在安装架指定位置后，装入加热炉加热至135 ℃～140 ℃，保温25～30 min后随炉自然冷却8～12 h即可。表2为阻尼层敷设成型的基本工艺。

表2 阻尼层敷设成型工艺

3 安装架减振效能仿真

3.1 有限元模型建立

在建立安装架的有限元模型前，首先对几何模型进行简化处理，忽略安装架上螺钉孔、凸台等局部小结构。安装架上4个设备用集中质量模拟，4个设备与安装架采用多点约束刚性单元连接，安装架与基础结构的连接亦采用刚性单元模拟，粘弹性阻尼层用壳单元模拟，其余实体模型采用四面体单元划分网格。安装架有限元模型如图6所示。

图6 安装架有限元模型

3.2 振动冲击谱

直升机振动环境的特点是在宽带随机振动谱上迭加了很强的振动峰值，这些峰值是由直升机上的旋转部件产生的，如主旋翼和尾桨，这些部件在飞行状态下运转速度基本恒定。安装架功能振动试验谱线如图7所示。基本冲击谱波形为半正弦波，冲击峰值加速度15g，冲击持续时间11 ms。

图7 功能振动试验谱线

3.3 减振效能对比分析

3.3.1 频响分析

通过仿真得到了敷设阻尼层前后安装架上4个设备在3个方向上的加速度频响分析结果。受限于篇幅，仅选取激励方向为X向，设备1在3个方向上的加速度频响函数进行论述，结果如图8～图10所示。可以看出，X向的振动加速度频响函数最大值降幅为7.9%；Y向为66.7%；Z向为60%。可以看出，安装架在敷设阻尼层后减振效果非常明显。

图8 X向频响函数

图9 Y向频响函数

3.3.2 随机振动传递率分析

安装架在敷设阻尼层后，阻尼性能提高，振动传递率降低(在强迫振动时，设备的振幅与基础的振幅之比称为绝对传递率)。通过仿真得到了敷设阻尼层前后安装架4个设备的振动传递率曲线。受限于篇幅，仅选取激励方向为Y向，设备2在3个方向上的传递率曲线进行论述，结果如图11～图13所示。可以看出，500 Hz以内Y向激励下，设备2的X向振动传递率最大值由0.313 1降至0.051，降幅为83.71%；Y向由119.6降至21.44，降幅为82.07%；Z向由6.812降至4.104，降幅为39.75%。

图11 X向振动传递率

图12 Y向振动传递率

图13 Z向振动传递率

3.3.3 冲击响应分析

通过仿真得到了敷设阻尼层前后安装架4个设备的冲击响应谱。受限于篇幅，仅选取激励方向为X向，设备2在3个方向上的加速度-时间历程响应曲线进行论述，结果如图14～图16所示，图中：X轴为时间，单位为s；Y轴为响应，单位为m/s2。可以看出，施加正X向冲击激励后，安装架敷设阻尼层后Y、Z两个方向的加速度响应都有明显降低，而X向响应无明显降低。从响应峰值角度来看，安装架敷设阻尼层后Y向响应峰值下降了0.48 m/s2，Z向下降了0.41 m/s2。X向响应衰减时间无明显变化，Y向衰减时间缩短0.03 s，Z向衰减时间缩短0.06 s。

图14 X向冲击响应对比图

图15 Y向冲击响应对比图

图16 Z向冲击响应对比图

4 结束语

本文系统阐述了在某直升机载设备安装架上敷设粘弹性阻尼材料的设计方法和成型工艺，并利用有限元仿真方法对安装架敷设阻尼层前后的减振效能进行了对比分析。仿真结果表明，粘弹性阻尼材料减振技术在机载随机和宽带条件下对振动衰减非常明显。该技术在机载设备减振领域有较广阔的工程应用前景。

[1] 周云. 粘弹性阻尼减震结构设计[M]. 武汉: 武汉理工大学出版社, 2006.

[2] 平丽浩, 黄普庆, 张润逵. 雷达结构与工艺(下册)[M]. 北京: 电子工业出版社, 2007.

[3] 焦映厚, 陈照波, 贺滨, 等. 大型客车车身的阻尼减振降噪技术研究[J]. 振动与冲击, 2013, 32(6): 121-126.

[4] 严一峰, 王贤宙, 吴睿. 粘弹性阻尼材料减振技术在雷达结构中的应用[J]. 现代雷达, 2013, 35(5): 76-80.

王贤宙(1982-)，男，高级工程师，主要研究方向为雷达结构总体。

Structure Design and Vibration Reduction Performance Analysis of Viscoelastic Damping Mounting Rack

WANG Xian-zhou

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

The largest advantage of viscoelastic damping materials is vibration reduction on wide frequency range and temperature range, especially suitable for the vibration reduction of the structure airborne electronic equipment. This paper discusses the method and typical process of laying viscoelastic damping materials on the airborne electronic equipment mounting rack, and the vibration reduction performances of the mounting rack before and after laying viscoelastic damping materials are compared using finite element method. Results show that the damping mounting rack has better vibration reduction performance.

airborne electronic equipment; viscoelastic damping materials; typical process; vibration reduction

2014-11-04

TN803

A

1008-5300(2015)01-0035-04