[研究与设计]阻尼复合结构阻尼性能的研究与优化①杨 雪 王源升 朱金华 余红伟(海军工程大学 武汉 430033) [关键词]复合结构;阻尼性能;优化;遗传算法[摘 要]制备了多层粘弹阻尼复合结构,研究了结构布置形式变化及各层厚度变化对多层粘弹阻尼复合结构阻尼性能的影响,并利用遗传算法对阻尼复合结构阻尼性能进行优化设计。
[中图分类号]O327;O345 [文献标识码]A [文章编号]100129855(2005)0320017203Research and opti m ization of com pounded dam p i ngstructure’s dam p i ng performanceYang Xue W ang Yuan sheng Zhu J inhua Yu Hongw eiKeywords:com pounded structu re;dam p ing p erfo rm ance;op ti m is m;inheritance algo rithmAbstract:W ith the m odel of a m u lti2layer viscoelastic com pounded dam p ing structu re,the p ap er studied the structu re arrangem en t tran sfo rm ing and influence of each layer th ickness change on dam p ing p erfo r2 m ance of m u lti2layer com pounded viscoelastic dam p ing structu re.T he inheritance algo rithm is app lied to m ake op ti m izati on design on com pounded dam p ing structu re’s dam p ing p erfo rm ance.1 前 言现代水声探测技术的发展,促使世界各国对舰艇的减振降噪进行了大量的研究工作,采用了各种技术手段,其中粘弹阻尼减振降噪技术是最有效的手段之一[1,2]。
粘弹阻尼减振降噪技术是利用聚合物在受交变应力(如振动)作用时,变形滞后于应力的变化,这种滞后将振动体的动能转化为热能而消耗掉,进而达到减振降噪的目的。
对这项技术来说,阻尼材料是核心。
又由于大多数粘弹性材料的弹性模量很低,它们不能直接成为工程中的结构材料,因此必须将它们粘附于需要作减振降噪处理的构件上,组成阻尼复合结构,才能发挥减振降噪的作用。
对于选定的粘弹性阻尼材料来讲,材料本身的损耗因子是确定的,为了寻求最佳的阻尼效果,敷设厚度和敷设方式就尤其重要了。
所以阻尼复合结构阻尼性能的研究和优化设计对于粘弹阻尼减振降噪技术来说是非常重要的。
阻尼复合结构的实质就是:将现有的性能较单一的各种阻尼材料进行简单的物理组合,使其变成能满足各种不同性能要求的阻尼结构形式,因此它是一种既经济又实用且能获得各种阻尼性能要求的有效措施。
实践证明[3],使用这种方法,能从有限种类的阻尼材料中,派生出各种不同阻尼性能的阻尼复合结构。
现有的复合结构的基本类型有自由阻尼和约束阻尼两种。
约束阻尼结构由于剪切损耗而具有更大的结构损耗,因而在噪声与振动控制工程中得到了越来越广泛的应用[4～7],但其缺点是材料比重较大、剪裁困难、工艺复杂且成本高而受到限制[8]。
本文将制备一类新型阻尼复合结构——多层粘弹阻尼复合结构(它既不同于一般的自由阻尼结构,也不同于传统的约束阻尼结构),并详①[收稿日期]2004-3-5[作者简介]杨 雪(1975-),女,汉族,湖北人,博士研究生,研究方向:阻尼材料及其复合结构的研究。
王源升(1960-),男,汉族,山东人,教授,研究方向:阻尼材料及其复合结构的研究。
朱金华(1961-),男,汉族,山东人,教授,研究方向:阻尼材料及其复合结构的研究。
余红伟(1967-),男,汉族,河南人,教授,研究方向:阻尼材料及其复合结构的研究。
细研究了结构布置形式变化及各层厚度变化对多层粘弹阻尼复合结构阻尼性能的影响。
2 试样的制备2.1 实验材料标准钢样150mm×10mm×1mm,除油、除锈;阻尼涂料PU21、PU22、PU23、PU24、PU25、PU26、PU272.2 阻尼复合结构的制备在无油、无锈的标准钢样上分别涂上多层阻尼材料PU21、PU22、PU23、PU24、PU25、PU26、PU27后,水平放置于烘箱内。
固化条件是:80℃10h, 120℃6h。
在室温下放置2周后测其阻尼性能。
在制备多层阻尼复合结构时,应注意:①保持各层的厚度均匀;②各层之间的粘接牢固;③试样的物理特性应该均匀。
根据以上要求制备了几种多层阻尼复合结构,基层(第一层)材料为标准钢样,其密度为7670kg m3,模量为1.91×1011Pa。
各阻尼层材料类型及厚度如表1所示。
表1 阻尼复合结构各层材料类型及厚度(单位:mm)试样第二层第三层第四层A PU261.69PU271.34B PU262.60PU272.80C PU272.80PU262.60D PU251.67PU242.00PU221.87E PU242.00PU251.67PU221.87F PU242.20PU234.00PU222.40G PU234.00PU222.40PU242.203 实验结果及分析3.1 结构变化对阻尼复合结构阻尼性能的影响为了研究结构变化对阻尼复合结构阻尼性能的影响,我们分别制备了二层阻尼复合结构(如表1中的B、C试样所示)和三层阻尼复合结构(如表1中的D、E、F、G试样所示)。
由表1可知,试样B和C、D和E、F和G分别是由同厚度的同种阻尼材料制得的,它们只是结构不同。
试样B、C、D、E、F、G的振动阻尼性能如表2所示。
结果发现,B结构的损耗因子大于C结构的损耗因子,E结构的损耗因子大于D结构的损耗因子,F结构的损耗因子大于G结构的损耗因子。
我们从两方面解释以上现象:表2 阻尼复合结构前三阶固有频率及其损耗因子试样一阶二阶三阶频率损耗因子频率损耗因子频率损耗因子B172.90.045466.20.063932.20.078C174.70.016467.20.026931.60.048D187.20.048517.80.0571008.80.070E187.30.052517.90.0681009.70.096F179.30.102490.80.122951.80.126G172.30.066471.20.090909.00.115 31111 从阻尼材料模量方面解释D结构阻尼材料的布置形式是阻尼材料的模量从内到外交替变化,为便于讨论问题,把阻尼材料模量从小到大排列依次编号为1、2、3、…,则D结构的布置形式是312,而E结构的阻尼材料的布置形式是132。
当受到弯曲振动时,D、E结构中既有横向和纵向拉伸(或胀缩,tran sverse and longitudinal ex2 ten si on)损耗,又有剪切(shear)损耗。
又因为E结构最内层既受到最外层对它的约束剪切作用,又受到次外层对它的约束剪切作用,而D结构内层不受剪切损耗,只有次外层受到最外层的剪切损耗,所以E 的结构损耗因子略大于D的结构损耗因子。
对于B和C,B结构的阻尼材料的布置形式是12(对于这种由多层粘弹阻尼材料组成的具有约束作用的结构称为弱约束阻尼结构),而C结构阻尼材料的布置形式是21。
当受到弯曲振动时,B结构中既有横向和纵向拉伸损耗,又有剪切损耗,而C 结构中只有横向和纵向拉伸损耗,因此B结构的损耗因子大于C结构的损耗因子。
对于F和G结构,F结构阻尼材料的布置形式是213,G结构阻尼材料的布置形式是132。
当受到弯曲振动时,F和G结构中既有横向和纵向拉伸损耗,又有剪切损耗。
又因为F结构的最外层对次外层和内层都产生剪切损耗,而G结构中只有次外层对内层的剪切损耗,最外层不产生剪切损耗,所以F 结构的损耗因子大于G结构的损耗因子。
31112 从阻尼材料损耗因子解释B结构各层阻尼材料的损耗因子从内到外依次为0.042、0.57,而C结构各层阻尼材料的损耗因子从内到外依次为0.57、0.042,由于阻尼复合结构损耗因子对面层阻尼材料损耗因子的变化比较敏感,阻尼复合结构损耗因子随着面层阻尼材料损耗因子的增加而增加,所以B结构的损耗因子大于C结构的损耗因子。
对于D和E,F和G结构也可从这方面解释。
3.2 阻尼层厚度变化对阻尼复合结构阻尼性能的影响为研究阻尼层厚度变化对阻尼复合结构阻尼性能的影响,我们按表1制备了一组试样A 和B 。
结构A 和B 是由同种材料以不同的厚度制成的,其振动阻尼特性如表3所示。
表3 阻尼复合结构前三阶固有频率及其损耗因子试样一阶二阶三阶频率损耗因子频率损耗因子频率损耗因子A 190.20.0095524.90.0161025.80.021B 172.90.045466.20.063932.20.078 从表3中可以发现,阻尼复合结构损耗因子随着阻尼层厚度的增加而增加。
出现以上结果的原因在于:当结构A 和B 受到弯曲振动时,A 和B 中都存在拉伸损耗和剪切损耗,又因为拉伸损耗随着阻尼层厚度的增加而增加,所以B 结构的损耗因子大于A 结构的损耗因子。
4 阻尼复合结构阻尼性能的优化阻尼复合结构的阻尼性能与阻尼材料本身的性能、结构的布置形式及厚度有关,因此,对于阻尼复合结构要想达到理想的减振降噪效果,首先必须致力于阻尼材料配方的研究,其次必须致力于阻尼复合结构的研究和优化设计。
利用遗传算法,在材料及总厚度一定的条件下,优化两层粘弹阻尼复合结构各层的厚度,使其阻尼性能达到最佳。
4.1 遗传算法简介遗传算法[9](Genetic A lgo rithm )是一种有效解决最优化问题的方法。
它最先是由John Ho lland 于1975年提出的基于达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的一种具有高度并行性、随机性和自适应优化算法。
它的思想源于生物遗传学和适者生存的自然规律,是具有“生存+检测”的迭代过程的搜索算法。
与传统搜索算法不同,遗传算法从一组随机产生的称为“种群”的初始解开始搜索过程,种群中的每个个体是问题的一个解,称为“染色体”,这些染色体在后续迭代中不断进化,称为遗传。
在每一代中用“适值”来测量染色体的好坏,生成的下一代染色体称为后代,后代是由前一代染色体通过交叉或者变异运算形成的。
在新一代形成过程中,根据适度的大小选择部分后代,淘汰部分后代,从而保持种群大小是常数。