一種仿生層間過渡振動(dòng)能耗散結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于給機(jī)械結(jié)構(gòu)減振降噪的阻尼結(jié)構(gòu)，具體為一種仿生層間過渡振動(dòng)能耗散結(jié)構(gòu)，為橫截面為環(huán)形層狀結(jié)構(gòu)的管體，管體的里層為過渡緩沖層，中間層為仿生阻尼層，最外層為彈性約束層，其中彈性約束層所用材料的材料彈性模量取值范圍為7×1010～2.1×1011Pa，泊松比取值范圍為0.25～0.35，密度取值范圍為2500～7850kg/m3，仿生阻尼層所用材料的材料彈性模量取值范圍為1×105～1×107Pa，泊松比取值范圍為0.45～0.5，密度取值范圍為800～1400kg/m3，過渡緩沖層所用材料的材料彈性模量取值介于仿生阻尼層和彈性約束層之間，泊松比取值范圍為0.3～0.45，密度取值范圍為30～1200kg/m3，本發(fā)明可廣泛用于各類機(jī)械或結(jié)構(gòu)的減振降噪，尤其是應(yīng)用于一些薄殼結(jié)構(gòu)的曲面上，例如，鼓風(fēng)機(jī)外殼、各種管道、軸類零件、各類工程車輛等。
【專利說明】一種仿生層間過渡振動(dòng)能耗散結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于給機(jī)械結(jié)構(gòu)減振降噪的阻尼結(jié)構(gòu)，具體為一種仿生層間過渡振動(dòng) 能耗散結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002] 在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)減振降噪設(shè)計(jì)中，增加阻尼結(jié)構(gòu)是一種行之有效的方法。然而，同 一阻尼結(jié)構(gòu)又通常有兩種不同的形態(tài)：自由阻尼型結(jié)構(gòu)和約束阻尼型結(jié)構(gòu)，所謂自由阻尼 型結(jié)構(gòu)，是把一層具有大阻尼的粘彈性阻尼材料，通過一定方式，附著于需要做減振處理的 機(jī)械結(jié)構(gòu)上，這樣，當(dāng)機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，粘彈性阻尼材料就會(huì)受到交變的拉壓應(yīng)力和應(yīng)變， 從而將機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能進(jìn)行耗散；約束阻尼型結(jié)構(gòu)，是在上述自由阻尼型結(jié)構(gòu)的基 礎(chǔ)上，又添加了一層彈性約束層，這樣，機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，粘彈性阻尼材料同時(shí)承受拉壓變 形和剪切變形，因此，增加了約束阻尼型結(jié)構(gòu)的耗能效果。
[0003] 專利號(hào)為201110054805. 0的管道減振降噪方法及周期性阻尼結(jié)構(gòu)，其特征在于： 在管道外側(cè)按一定的間隔粘附多個(gè)阻尼片。該結(jié)構(gòu)在一定程度上能降低管道振動(dòng)及輻射噪 聲。但是，上述專利的管道減振阻尼結(jié)構(gòu)，為前面所述的自由阻尼型結(jié)構(gòu)，其在振動(dòng)能量耗 散的能力方面是有一定限制的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的阻尼結(jié)構(gòu)的能量耗散能力有限的問題，提供了一種仿生層 間過渡振動(dòng)能耗散結(jié)構(gòu)。
[0005] 本發(fā)明是采用如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種仿生層間過渡振動(dòng)能耗散結(jié)構(gòu)，為橫 截面為環(huán)形層狀結(jié)構(gòu)的管體，管體的里層為過渡緩沖層，中間層為仿生阻尼層，最外層為彈 性約束層，其中彈性約束層所用材料的材料彈性模量取值范圍為7X 101(l~2. 1 X 1011 Pa，泊 松比取值范圍為0. 25、. 35,密度取值范圍為250(T7850 kg/m3,仿生阻尼層所用材料的材 料彈性模量取值范圍為1 X 105~1 X 107 Pa，泊松比取值范圍為0. 45~0. 5,密度取值范圍為 80(T1400 kg/m3,過渡緩沖層所用材料的材料彈性模量取值介于仿生阻尼層所用材料的材 料彈性模量和彈性約束層所用材料的材料彈性模量之間，泊松比取值范圍為〇. 3、. 45,密 度取值范圍為30?1200 kg/m3。
[0006] 自然界的動(dòng)植物經(jīng)過漫長(zhǎng)的進(jìn)化和優(yōu)勝劣汰的選擇，已經(jīng)具有很好的力學(xué)特性， 為機(jī)械結(jié)構(gòu)的緩沖設(shè)計(jì)提供了一定的參考，對(duì)馬蹄特有的"角質(zhì)層/皮下層/彈性纖維脂肪 層"組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究其優(yōu)越的承重、耐磨、抗沖擊性能。根據(jù)馬蹄角質(zhì)層對(duì)馬蹄起到 包裹、保護(hù)作用的原理，在本發(fā)明的仿生層間過渡振動(dòng)能耗散結(jié)構(gòu)中，可采用一種類馬蹄角 質(zhì)層結(jié)構(gòu)的彈性約束層，以增加需要保護(hù)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的抗沖擊、耐磨性能；分析彈性纖維脂 肪層對(duì)振動(dòng)能高耗能的特性，在仿生層間過渡振動(dòng)能耗散結(jié)構(gòu)中設(shè)置了具有高振動(dòng)能量耗 散率的仿生阻尼層，以模仿實(shí)現(xiàn)彈性纖維脂肪層的類似功能；模仿皮下層所具有的彈性緩 沖功能，設(shè)置了過渡緩沖層結(jié)構(gòu)，類似于杠桿放大作用，可增加仿生阻尼層的剪切變形，同 時(shí)，過渡緩沖層還具有類似彈簧的作用，能夠儲(chǔ)存瞬時(shí)沖擊能；特別地在仿生層間過渡振動(dòng) 能耗散結(jié)構(gòu)中增加了過渡緩沖層，大幅度增大仿生阻尼層的剪切變形效果，增大仿生層間 過渡振動(dòng)能耗散結(jié)構(gòu)的損耗因子值，從而達(dá)到預(yù)期的減振效果；同時(shí)對(duì)各層所用材料進(jìn)行 了優(yōu)選，保證了耗能的效果。
[0007] 上述的一種仿生層間過渡振動(dòng)能耗散結(jié)構(gòu)，仿生阻尼層的靠里層加入了片狀或顆 粒狀石墨，石墨可以增加仿生阻尼層內(nèi)部摩擦，限制其內(nèi)部長(zhǎng)分子鏈的活動(dòng)，加大了對(duì)外界 振動(dòng)能量的轉(zhuǎn)化。
[0008] 上述的一種仿生層間過渡振動(dòng)能耗散結(jié)構(gòu)，仿生阻尼層的靠外層加入金屬繞絲和 金屬顆粒，金屬繞絲可以為直徑范圍為〇. 2~lmm的鋁絲、鋁箔材料絲、鋼絲、銅絲等，金屬顆 ?？梢詾锳1203、SiC、Fe、鋼顆粒、Cu顆粒等，該仿生層間過渡振動(dòng)能耗散結(jié)構(gòu)中設(shè)有過渡緩 沖層，過渡緩沖層增加了仿生阻尼層的剪切變形效果，仿生阻尼層由振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為的熱能 也增加，所以為了滿足熱強(qiáng)度的要求，在仿生阻尼層的靠外層中加入金屬繞絲和顆粒復(fù)合 材料，有助于熱能的耗散。
[0009] 上述的一種仿生層間過渡振動(dòng)能耗散結(jié)構(gòu)，管體在圓周方向等分為3-8段，每段 之間的間斷距離為3-5mm;多段間隔后，整個(gè)結(jié)構(gòu)的耗能為仿生阻尼層的剪切變形的耗能 和間斷處部分材料的拉伸應(yīng)變耗能之和，故有更好的減振作用。
[0010] 上述的一種仿生層間過渡振動(dòng)能耗散結(jié)構(gòu)，過渡緩沖層所用材料的材料彈性模量 與仿生阻尼層所用材料的材料彈性模量之比不小于10,過渡緩沖層與仿生阻尼層厚度之比 不小于1. 5,為了保證過渡緩沖層具有一定的剪切剛度，從而能夠把基礎(chǔ)層的剪切變形傳遞 到仿生阻尼層，而不是其本身吸收了基礎(chǔ)層的剪切變形；同時(shí)，能夠保證對(duì)該仿生層間過渡 振動(dòng)能耗散結(jié)構(gòu)的彎曲剛度不會(huì)有很大的影響。
[0011] 上述的一種仿生層間過渡振動(dòng)能耗散結(jié)構(gòu)，彈性約束層所用材料為金屬基復(fù)合材 料，以金屬為基體，并添加石墨纖維等為增強(qiáng)體，以增加需要保護(hù)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的抗沖擊、耐 磨性能。
[0012] 本發(fā)明的仿生層間過渡振動(dòng)能耗散結(jié)構(gòu)，可廣泛用于各類機(jī)械或結(jié)構(gòu)的減振降 噪，尤其是應(yīng)用于一些薄殼結(jié)構(gòu)的曲面上，例如，鼓風(fēng)機(jī)外殼、各種管道、軸類零件、各類工 程車輛等。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014] 圖2為圖1的橫截面圖。
[0015] 圖3為加入過渡緩沖層的振動(dòng)能耗散結(jié)構(gòu)和未加入過渡緩沖層的振動(dòng)能耗散結(jié) 構(gòu)的結(jié)構(gòu)損耗因子對(duì)比圖。
[0016] 圖4為驅(qū)動(dòng)鏈輪的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017] 圖5為實(shí)施例二的實(shí)施示意圖。
[0018] 圖中：1-過渡緩沖層，2-仿生阻尼層，3-彈性約束層，4-要保護(hù)的機(jī)械構(gòu)件。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 實(shí)施例一，履帶式行走系中"四輪(驅(qū)動(dòng)鏈輪、托鏈輪、張緊輪和支重輪)"在行走運(yùn) 動(dòng)中經(jīng)常與履帶板之間發(fā)生碰撞沖擊，是履帶式行走系中的主振動(dòng)源，其中的驅(qū)動(dòng)鏈輪在 傳遞動(dòng)力的同時(shí)還受到來自工作裝置和地面的強(qiáng)大振動(dòng)與沖擊。對(duì)大型、特大型工程機(jī)械 而言，其工作載荷大，當(dāng)直接剝離表土、巖石等進(jìn)行作業(yè)時(shí)，設(shè)備尾部劇烈的沖擊載荷直接 作用到驅(qū)動(dòng)鏈輪上；另外當(dāng)工程機(jī)械遇到需要翻越堅(jiān)硬突出的障礙物時(shí)，由于設(shè)備落地時(shí) 形成的振動(dòng)沖擊同樣會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈輪產(chǎn)生脈沖載荷，因此對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈輪實(shí)施減振技術(shù)就顯得十 分重要及必要。
[0020] 圖4為一種組合式驅(qū)動(dòng)鏈輪示意圖。從中可以看出，對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈輪現(xiàn)存的整體式 結(jié)構(gòu)進(jìn)行了拆分，演變?yōu)橛煞蛛x的內(nèi)、外齒盤組合而成。每個(gè)內(nèi)齒盤的外圍輪緣處突出十 個(gè)"大拇指"狀圓筒，圓筒直徑92mm，本發(fā)明的仿生層間過渡振動(dòng)能耗散結(jié)構(gòu)正好套在突 出的十個(gè)圓筒上，該結(jié)構(gòu)的過渡緩沖層厚13mm，所用材料為樹脂玻璃，材料彈性模量取為 4. 59X109Pa，泊松比為0. 35,密度為1200kg/m3 ;仿生阻尼層厚5. 5mm，所用材料為3M公司 的ISD-112,材料彈性模量取為2. 67X106Pa，泊松比為0. 49,密度為999kg/m3 ;在其靠里層 添加顆粒狀石墨，靠外層添加直徑為1_的不銹鋼絲和鋼顆粒，彈性約束層厚8_，所用材 料為鐵基復(fù)合材料，材料彈性模量取為1. 2X10nPa，泊松比為0. 25,密度為7550kg/m3.在 圓周方向等分為3段，每段之間的間斷距離為3_。安裝時(shí)用壓力機(jī)把該仿生層間過渡振動(dòng) 能耗散結(jié)構(gòu)壓到內(nèi)齒盤上，然后把裝有仿生層間過渡振動(dòng)能耗散結(jié)構(gòu)的內(nèi)齒盤再嵌入外齒 盤中。此圓柱狀層間過渡振動(dòng)能耗散結(jié)構(gòu)為一種對(duì)稱阻尼結(jié)構(gòu)，這樣設(shè)計(jì)的好處在于，不論 工程機(jī)械前進(jìn)或后退，該耗能結(jié)構(gòu)均可把作用在其行走系上的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成阻尼層材料的 內(nèi)摩擦能，并且以熱能形式散逸掉，故在一定程度上可以降低車輛工作時(shí)的振動(dòng)級(jí)別。
[0021] 仿生層間過渡振動(dòng)能耗散結(jié)構(gòu)在工程機(jī)械的驅(qū)動(dòng)鏈輪應(yīng)用后的有益效果為：1)因 工程機(jī)械作業(yè)工況變化多端，且十分惡劣，工程機(jī)械上的大多數(shù)套狀(管、環(huán)）結(jié)構(gòu)又屬易損 件，使用壽命約為200(T3000h，更換頻繁，在這些套狀結(jié)構(gòu)上安裝上此仿生層間過渡振動(dòng) 能耗散結(jié)構(gòu)后，使用壽命可達(dá)10 00(T12000h;2)提高了工程機(jī)械司機(jī)的駕駛舒適性，在 座椅處所測(cè)的振動(dòng)水平降低8% ;3)提高了工程機(jī)械作業(yè)生產(chǎn)率達(dá)12%。
[0022] 實(shí)施例二：將仿生層間過渡振動(dòng)能耗散結(jié)構(gòu)應(yīng)用到某輪式工程車輛懸掛結(jié)構(gòu) 中，該輪式工程車輛的一個(gè)輪胎質(zhì)量11^=451^，輪式工程車輛的車體及工作裝置總質(zhì)量 m2=1200kg，輪胎的剛度k1=2. 6X105N/m，車輪的結(jié)構(gòu)損耗因子neO. 05,仿生層間過渡 振動(dòng)能耗散結(jié)構(gòu)的剛度匕=3.5\10%/!11，仿生層間過渡振動(dòng)能耗散結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)損耗因子 n2=〇. 14,該結(jié)構(gòu)過渡緩沖層所用材料為美國(guó)聲涂料公司生產(chǎn)的DYAD609,材料彈性模量 取為2. 9X108Pa，泊松比為0. 3,密度為1200kg/m3,厚度為3mm，仿生阻尼層所用材料為 一種彈性凝膠，材料彈性模量取為6.IX106Pa，泊松比為0. 499,密度為1130kg/m3,厚 度為1. 2mm，彈性約束層所用材料是由鋼和石墨纖維制成的復(fù)合材料，材料彈性模量取為 2. 0X10nPa，泊松比為0.33,密度為7850kg/m3,厚度為1.0mm。在圓周方向等分為6段， 每段之間的間斷距離為3mm。在兩種不同的路面條件下（1.野外崎嶇不平地面；2.農(nóng)村耕 地類路面）進(jìn)行仿真分析。
[0023] 下表為第一種路面條件下，安裝仿生層間過渡振動(dòng)能耗散結(jié)構(gòu)前后的車體質(zhì)心對(duì) 路面輸入的加速度響應(yīng)的均方根值對(duì)比。（加速度單位：m/s2)

【權(quán)利要求】
1. 一種仿生層間過渡振動(dòng)能耗散結(jié)構(gòu)，其特征在于為橫截面為環(huán)形層狀結(jié)構(gòu)的管體， 管體的里層為過渡緩沖層（1)，中間層為仿生阻尼層（2)，最外層為彈性約束層（3)，其中彈 性約束層（3)所用材料的材料彈性模量取值范圍為7X 101(l~2. 1 X 1011 Pa，泊松比取值范圍 為0. 25、. 35,密度取值范圍為250(T7850 kg/m3,仿生阻尼層（2)所用材料的材料彈性模量 取值范圍為1X 1〇5?1 X 1〇7 Pa，泊松比取值范圍為0. 45、. 5,密度取值范圍為80(Tl400 kg/ m3,過渡緩沖層（1)所用材料的材料彈性模量取值介于仿生阻尼層所用材料的材料彈性模 量和彈性約束層所用材料的材料彈性模量之間，泊松比取值范圍為0. 3、. 45,密度取值范 圍為 30?1200 kg/m3。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生層間過渡振動(dòng)能耗散結(jié)構(gòu)，其特征在于仿生阻尼層 (2)的靠里層加入了片狀或顆粒狀石墨。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種仿生層間過渡振動(dòng)能耗散結(jié)構(gòu)，其特征在于仿生阻 尼層（2)的靠外層加入金屬繞絲和金屬顆粒。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種仿生層間過渡振動(dòng)能耗散結(jié)構(gòu)，其特征在于管體在 圓周方向等分為3-8段，每段之間的間隔為3-5mm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種仿生層間過渡振動(dòng)能耗散結(jié)構(gòu)，其特征在于過渡緩 沖層（1)所用材料的材料彈性模量與仿生阻尼層所用材料的材料彈性模量之比不小于10， 過渡緩沖層與仿生阻尼層厚度之比不小于1. 5。
【文檔編號(hào)】F16F15/02GK104265828SQ201410483212
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月22日
【發(fā)明者】燕碧娟, 孫大剛, 王軍, 宋勇, 孫寶 申請(qǐng)人:太原科技大學(xué)