M2052高阻尼合金在结构件减振中的应用研究

王乃亮，冀璞光，殷福星，祁丹丹，郄彦辉

（1.河北工业大学材料科学与工程学院，天津300130；2.河北工业大学能源装备材料技术研究院，天津300130；3.天津市材料层状复合与界面控制技术重点实验室，天津300130；4.河北工业大学机械工程学院，天津300130）

M2052高阻尼合金在结构件减振中的应用研究

王乃亮1，2，3，冀璞光2，3，殷福星1，2，3，祁丹丹1，2，3，郄彦辉4

（1.河北工业大学材料科学与工程学院，天津300130；2.河北工业大学能源装备材料技术研究院，天津300130；3.天津市材料层状复合与界面控制技术重点实验室，天津300130；4.河北工业大学机械工程学院，天津300130）

利用动态热机械分析仪（DMA）、有限元分析软件Patran&Nastran和振动测试设备（DH5981），研究了M2052合金的阻尼性能及应用在支撑底座中的减振性能.振动测试结果与有限元分析结果比较吻合.结果表明：在频率响应分析中，M2052的应用能够有效降低振动，明显减小振动源产生的振动经支撑底座的传递；在瞬态响应分析中，通过振动衰减曲线对比看出，阻尼合金应用到工字型支座能更快的耗散振动能量，在一定范围内阻尼合金的应变越大，阻尼性能越好，所以S型支座能提供更大的减振性能；同时，通过力锤敲击实验验证了M2052合金在结构件中的应用能有效降低机械振动，且应变越大支座的减振效果越好.

DMA；M2052；有限元分析；支撑底座；减振性能

0 引言

1948年，Zener[1]发现Mn-12Cu合金经925℃时效后水冷，在室温附近有很高的阻尼性能，并指出该内耗是由于{110}孪晶面的应力感生运动引起的.自此开启了对Mn-Cu合金阻尼机理的研究及高阻尼Mn-Cu合金的开发.方正春[2]等开发了2310合金（Mn-39Cu-4Al-3Fe-2Ni-2Zn），该合金具有强度高、焊接性能好的特点，阻尼性能满足船舶螺旋桨用的要求，能有效降低螺旋桨的振动和噪声，尤其能消除螺旋桨的唱音.随后，王丽萍、郭二军[3]等研发了ZMnD-1J合金（Mn-43Cu-5Zn-2Al），该合金具有良好的阻尼性能和力学性能.殷福星[4]等研发的实用M2052合金（Mn-20Cu-5Ni-2Fe）在不降低阻尼性能的基础上，实现了合金强度的进一步提升，并对于Mn-Cu合金的微观组织变化、合金成分设计以及热处理工艺方面的研究取得了很多研究成果[5-6].目前在对各种阻尼合金的研究中，对Mn-Cu合金的阻尼机制研究较多，但对其工程应用研究较少[7].随着现代工业的发展，振动和噪声问题越来越突出，研究阻尼合金的工程应用成为必然要求.张庆庆等[8]对于空间相机支撑组件的振动特性研究表明，使用阻尼合金作为支撑组件的部分零件，可使空间相机的振动幅值降低15%以上.

本文选用了工程中典型的振动源支撑底座作为研究对象.因为诸如电机、发动机等的振动都是经由支撑底座将振动传递到连接结构从而产生整体振动和噪声的.鉴于此，结合有限元分析和振动测试手段，研究了M2052合金应用于支撑底座的减振效果.并为阻尼合金在结构件减振中的应用研究提供借鉴.

1 实验材料与性能测试

实验用M2052合金以电解锰（99.90%）、电解铜（99.93%）、工业纯铁、电解镍（N2镍板）为原料在VIM-100NIM真空熔炼炉内熔炼，名义组分为Mn-20Cu-5Ni-2Fe（原子分数，%）.浇铸锭模采用金属型，顶部加保温冒口.铸锭切除冒口，车掉表面氧化皮，经开坯，热轧成板材和线材.

切取DMA试样（60 mm×10 mm×1 mm片材），金相试样及显微硬度试样（10 mm×10 mm×10 mm），拉伸试样尺寸为φ5.试样热处理工艺为在820℃保温1 h固溶处理，然后进行450℃保温10 h的时效处理.合金的阻尼性能的测试在TA Q800动态热机械分析仪上进行，测试频率分别为0.1 Hz、1 Hz、10 Hz，应变振幅为2.5×10-4.金相试样经电解抛光制得，电解液成分为磷酸、甘油、乙醇，体积比为1∶1∶2，微观组织采用MR2000型倒置金相显微镜观察，并进行显微硬度测试.拉伸试验在岛津AGS-X-50 KN拉伸试验机上进行拉伸试验.

1.1 M2052合金的显微组织

图1为M2052合金的金相图.经均匀化和热轧处理，铸造组织破碎并发生回复和再结晶，形成细小等轴晶粒.合金经450℃时效处理，单一的γ相发生调幅分解，形成结构相同而成分不同的纳米级富锰区和富铜区，使合金的马氏体相变点Ms提高，在随后的降温过程，发生马氏体相变，形成马氏体孪晶.由图可见，合金经固溶+时效处理，晶粒内形成大量孪晶结构，在交变应力的作用下，通过孪晶界面的移动和再取向来消耗振动能量，从而形成M2052合金的高阻尼性能[9].

图1 时效处理后M2052合金相图Fig.1 Phase diagram of M2052 alloy after aging treatment

1.2 M2052合金的阻尼性能

图2为轧制态M2052在热处理前后阻尼性能tanδ和储能模量对比曲线.由图可知，固溶+时效处理后，室温附近合金的阻尼性能明显提高，tanδ达到0.032.已有研究表明，马氏体相变伴随着模量的软化，模量极小值对应的温度就是马氏体相变开始温度[10-11]，由图2可以看出，热处理后，相转变点Ms由20℃提高到80℃，合金降温后获得更多的马氏体孪晶.高温的马氏体相变峰和低温的孪晶弛豫峰耦合，在室温附近形成宽化的阻尼峰.所以，通过热处理能显著提高M2052合金的阻尼性能，达到工程应用的要求.

图2 热处理前后M2052合金阻尼性能和储能模量随温度的变化Fig.2 Changes of damping performance and storage modulus ofM2052 alloy before and after heating treatment

1.3 M2052合金的力学性能

表1对比了阻尼合金M2052和结构钢Q235的力学性能，阻尼合金经过固溶+时效的热处理工艺，阻尼性能得到明显提高的同时，力学性能也有所增强，抗拉强度达到638 MPa，屈服强度达到337 MPa，断后延伸率达到34%，具有良好的综合力学性能，很好的满足工程应用的要求.

表1 M2052与Q235力学性能对比Tab.1 Mechanical property of M2052 and Q235

2 支撑底座应用阻尼合金的有限元分析

2.1 支撑底座及对比结构的设计

如图3所示，孪晶型阻尼合金的阻尼性能随着应变振幅的增加而得到不断提高，达到一定的应变值后，对数衰减率不再随应变的增加而改变而达到一个稳定值，这是由Mn-Cu基阻尼合金的阻尼机制所决定的.

图3 不同温度下M2052合金阻尼性能随扭转应变振幅的变化[12]Fig.3 Vibration of damping capacity of M2052 alloy with torsional strain amplitude at different temperature

工字型支撑底座为常见支座结构，有限元模型如图4所示.基于Mn-Cu基阻尼合金阻尼性能在一定范围内随着应变振幅的增加而增大的特性，本实验借鉴于阻尼减振器的结构设计了S型结构的支撑底座，来研究通过结构变化能否提高阻尼合金的阻尼性能，S型结构设计如图5所示.在S型支座模态分析中可得S型支座可在局部凹面结构处提高结构的应变振幅，理论上可以提高阻尼合金的阻尼性能，从而提高支座的减振性能.通过研究2种结构局部采用M2052材料对支撑底座的减振效果的影响，探讨如何在结构件减振中应用尼合金能发挥阻尼合金最大的性能，得到最优的减振效果.2种结构模型原材料为Q235，中间部位改进为高阻尼M2052合金，有限元分析所需数据均由上述实验所得.

图4 工字型支撑底座结构有限元模型Fig.4 Finite element model of I-shaped support pedestal

图5 S型支撑底座结构有限元模型Fig.5 Finite element model of S-shaped support pedestal

2.2 支撑底座的频率响应分析

频率响应分析用于计算结构在周期载荷作用下对每1个计算频率的动响应，其计算结果中实部代表响应的幅度，虚部代表响应的相角[13].根据模型使用方式，给有限元模型施加边界条件为：支座底部施加固定约束，顶面中心处施加载荷F=100 N，方向为竖直向下.求解如图4，图5所示A位置处节点对载荷的加速度响应.

图6为应用阻尼合金前后支座底部A点的加速度响应.由图可知，应用阻尼合金后，分别使得2种结构的加速度响应的共振峰向低频侧移动，分析认为，由于M2052合金的弹性模量较Q235低，使结构件的各阶模态频率相应降低，从而使激振共振频率降低，在频率响应曲线上表现为峰值向低频侧移动[8].同时注意到，替换材料前后，工字形支座A点响应加速度由11.5 m/s2降低为1.2 m/s2.S型支座A点的响应加速度由10.5 m/s2降低为1.1 m/s2.2种结构的加速度响应峰值均有大幅度的降低，这是因为M2052合金具有高阻尼特性，通过材料孪晶界面的弛豫运动消耗振动能量，达到快速衰减振动能的目的，从而使得支撑底座A点处加速度响应峰值明显降低.

图6 支撑底座底部A点加速度响应Fig.6 Acceleration response of point A at the bottom ofsupport pedestal

2.3 支撑底座的瞬态响应分析

瞬态响应分析又称时间历程分析，在时域内计算结构在随时间变化的载荷作用下的动力响应[14].给有限元模型施加边界条件为：支座底部施加固定约束，顶面中心处施加2个周期的大小为100 N的正弦激励载荷，方向为竖直向下.求解如图4，图5所示A位置处节点的位移衰减曲线.工字形支座应用M2052合金前后A点的衰减曲线对比如图7所示.工字形支座替换部分阻尼合金后，A点的加速度衰减明显快于未应用阻尼合金的情况.将工字形结构支座中间改进为S形，能提高合金的阻尼性能，如图8所示，S形支座替换阻尼合金后比工字形支座具有更快的衰减性能.

图7 工字形支座替换阻尼合金前后A点的加速度衰减曲线对比Fig.7 The vibration decaying waves of point A at the bottom of I-shaped support pedestal before and after replacing the middle material with M2052 alloy

图8 工字形支座和S型支座应用阻尼合金后A点的加速度衰减曲线对比Fig.8 The vibration decaying waves of point A of I-shaped and S-shaped support pedestal after M2052 alloy was applied

3 支撑底座应用阻尼合金的实验验证

为了验证有限元分析的结果，通过力锤敲击实验得到如图9所示的自由衰减曲线.应用M2052合金的支座阻尼比明显大于Q235材质的支座，说明应用阻尼合金的支座能有效的衰减发动机、电机等振源部件产生的振动，并降低了振动经由支座的传递.由图9b）和c）对比可得，通过改变阻尼合金的结构，能提高阻尼合金的应变振幅，从而提高阻尼合金的减振效果，三支座A点阻尼比如表2所示.

图9 三支座敲击自由衰减曲线及阻尼比Fig.9 Free attenaution curve and damping ratio of 3 support pedestal in the force hammer

表2 三支座A点结构阻尼比Tab.2 Damping ratio of 3 support pedestal at point A

4 结论

本文选取常见的振源支座作为研究对象，探究应用阻尼合金后能否提高支座的减振性能.并用Patran建立有限元分析模型，通过Nastran计算支座频率响应分析，在计算分析的基础上，加工了3个实验支座，通过对比实验验证了应用阻尼合金的支座具有较大的阻尼比，具有良好的阻尼性能.通过实验，本文得到如下结论：

1）该Mn-Cu基阻尼合金经固溶和时效处理，能获得较高的阻尼性能，同时具有良好的综合力学性能，抗拉强度达到638 MPa，屈服强度达到337 MPa，可以用于工程结构件中使用，实现功能材料的结构化，从振源入手，降低工程中的振动传递.

2）通过有限元分析和实验验证可得，在支撑底座中应用高阻尼M2052合金，能够有效降低支座的振动响应，并减小振动的传递，有很好的减振效果.结合结构优化，适度提高阻尼合金的应变振幅，能够更好的发挥阻尼合金的减振效果.

3）在结构件中应用M2052阻尼合金时，不仅要考虑其tanδ的提高对减振的作用，也要考虑刚度降低带来的结构件模态频率的变化，进而可利用这个特性，巧妙设计结构，既可避开共振频率，又可降低共振峰值，从而实现功能材料结构化，而从根本上有效的抑制结构件的振动和辐射的噪声.

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[责任编辑 田丰]

Research of M2052 high damping alloy applied in the vibration reduction of structural component

WANG Nailiang1，2，3，JI Puguang2，3，YIN Fuxing1，2，3，QI Dandan1，2，3，QIE Yanhui4

（1.School of Materials Science and Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China;2.Research Institute for Equipment Materials,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China;3.Tianjin Key Laboratory of Materials Laminating Fabrication and Interface Control Technology,Tianjin 300130,China;4.School of Mechanical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China）

Dynamic thermal mechanical analyzer(DMA),finite element analysis software Patran&Nastran and vibration testing equipment(DH5981)were used to study the damping properties of M2052 alloy and the vibration damping performance applied in the support pedestals.The vibration test result was consistent with that of finite element analysis.The frequency response analysis showed that the application of M2052 can effectively reduce the vibration of the support pedestals,and the transmission of vibration produced by the vibration source was significantly reduced by the support pedestals.In transient response analysis,by comparing the vibration attenuation curve,it can support faster vibration energy dissipation when damping alloy is applied to the I-shaped support pedestal.Within a certain range,the strain is larger, the performance of damping is better,thus S-shaped support pedestals can provide greater vibration reduction performance.At the same time,the force hammer percussion experiments has verified that the application of M2052 alloy in the structures can effectively reduce the mechanical vibration,and the strain is larger,the vibration damping effect of support pedestals is greater.

DMA;M2052;finite element analysis;support foundation;damping performance

TG145

A

1007-2373（2017）03-0088-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.03.016

2017-02-23

王乃亮（1984-），男，硕士研究生.通讯作者：冀璞光（1984-），男，助理研究员，博士，jipuguang@mail.ru.