CN101101038B - 一种阻尼结构及复合材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及振动及噪声控制领域，尤其涉及一种增大普通构件自身阻尼的结构及应用该结构的复合材料。其是在构件本体表面连续或间隔地固定设置带有凹凸结构的连接体，连接体与带有相对应的凸凹结构的约束体相互配合，连接体与约束体之间设置阻尼材料。本发明通过在构件表面固定联结带有凹凸结构的连接体和约束体，显著扩大了阻尼材料与构件本体及约束体的接触和作用面积，增大了约束阻尼作用力对构件弯曲中性面以及弯曲轴线的作用力矩，从而大大增加构件的结构阻尼，可以有效的降低易振构件振动或发声的强度。

Description

一种阻尼结构及复合材料

技术领域

本发明涉及振动及噪声控制领域，尤其涉及一种增大普通构件自身阻尼的结构及应用该结构的复合材料。

背景技术

振动的影响和危害几乎无处不在，振动损害建筑物，影响精密仪器和设备的运行，振动及其激发的噪声还可以危害到人体的健康。交通工具、机器、电器上的薄壁构件如车轮、壳体、厢体、舱板格外容易振动，会在机器转动扰力、冲击扰力、气流水流流体扰力作用下发生振动，高频的振动还会产生噪声；桥梁、建筑、工程结构上的薄壁构件、大跨度构件、超长构件会在风载、人力载荷、交通载荷、地震载荷的激励下，发生大幅度的振动，这些构件统成为易振构件。事实上，易振都是相对的，只要激振扰力的频率接近构件的弯曲或扭转固有频率，构件就会发声共振，这时这个构件就是易振构件。

实践证明，提高构件的自身阻尼比可以有效的降低构件的振动强度。如2003年6月11日公开的专利号为02240002.8的专利提供了一种降低钢轨振动及噪声的方法，其具体实施方式是在构件(钢轨)两侧表面设置了至少一组约束板基本为平面的约束阻尼结构，通过附加的约束阻尼结构使构件整体的结构阻尼得到了提高，从而达到减轻构件振动强度及噪声的目的。在此类结构中，约束阻尼结构的阻尼基本与阻尼材料与构件及约束板之间的接触面积成正比，即与阻尼材料承受剪切变形的有效工作面积大致成正比。因此在上述结构中，由于采用平面约束板以及轨腰尺寸有限，阻尼材料的有效工作面积有限，约束阻尼结构提供的阻尼也有限，其能实现的减振降噪的作用是有限的。同理，一般易振构件如果采用约束板基本为平面的约束阻尼结构，也受构件表面积所限，不能达到理想的减振降噪效果。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种可以扩大阻尼材料承受剪切变形的有效工作面积，能够有效增大易振构件阻尼的结构，即一种约束阻尼结构。

本发明的另一个目的在于提供一种应用了上述结构，可以附加于易振构件上，从而有效增大易振构件阻尼的阻尼复合材料。

本发明的阻尼结构是这样实现的，在构件本体表面连续或间隔地固定设置带有凹凸结构的连接体，连接体与带有相对应的凸凹结构的约束体相互配合，连接体与约束体之间设置阻尼材料。

构件本体表面固定设置带有凸棱和凹槽的连接体，约束体的表面对应设置与其配合的凹槽和凸棱，连接体表面和约束体表面之间设置连续或间断的阻尼层，阻尼层中的阻尼材料为固体阻尼材料或液体阻尼材料。固体阻尼材料有改性沥青，高阻尼聚氨酯、高阻尼橡胶，软金属铅锡等；液体阻尼材料有为硅油和工作温度下成液态的改性阻尼沥青等，采用液体阻尼材料时，阻尼层周边要密封，中间可设保持阻尼层厚度的定距件。

本发明所述阻尼层在凸棱表面法向上的厚度一般要小于其它方向尺寸。凸棱的延伸方向垂直于构件的主要弯曲振形的弯曲轴线；当构件本体的振动主要为扭振时，凸棱的延伸方向垂直于构件本体的扭振轴线。为更好地实现减振降噪的效果，连接体表面的凸棱或/和约束体表面的凸棱内部还可以设置空腔，空腔内填装阻尼材料，也可以填装比重较高的材料或由其构成的散料。对于自身表面带有凸起的构件本体，其表面凸起可视为连接体，此时，连接体为构件本体自身的一部分。连接体可以是构件本体自身的一部分或与构件本体集成实现一体化。连接体与构件本体的连接方式可以为焊接、铆接、粘接、卡槽连接、扣件连接或紧固件连接。连接体、阻尼材料及约束体还可以设置多层。

本发明的阻尼复合材料是这样实现的，由带有凹凸结构的约束体和阻尼材料构成，阻尼材料连续或间断地设置于约束体上；所述阻尼复合材料由均带有凹凸结构的连接体和约束体通过阻尼材料复合而成，两者之间的凸凹结构相互配合，二者之间设置阻尼层，阻尼材料采用固体阻尼材料或液体阻尼材料；所述连接体表面的和约束体表面的凹凸结构优选地为凸棱和凹槽，连接体和约束体的凸棱内部设置有空腔，空腔内设置阻尼材料或比重较高的材料或由其构成的散料；约束体或连接体为板状、空心板状、间隔空心板状、管状、棒状、带肋线材或为带肋钢筋，诸如带凸起的钢板、角钢、圆钢、槽钢、工字钢、十字钢等，其上的凹凸结构可以是纵向的凸棱，也可以是横向的凸棱，还可以是螺旋状或分散排布的凸起。本阻尼复合材料表面可以是平面，也可以是与待处理的易振构件曲面相似的曲面。本阻尼复合材料也可单独应用。使用时，将此阻尼复合材料的阻尼材料一侧或连接体一侧固定地联结于待处理的易振构件表面，就可以增大待处理构件的阻尼。

在本发明的阻尼结构中，该约束体、阻尼层、连接体以及由其构成的阻尼复合材料不仅可以设置于构件的外表面，也可以将构件包围在复合材料内部(如阻尼复合材料为管状时)，甚至还可以设置于构件的内部(即内表面)，当设置于构件内部时，约束体位于阻尼层内部，约束层与构件直接接触或通过连接体与构件接触。当构件发生振动变形时，约束体与构件的变形量不同，强迫阻尼层发生剪切变形，消耗振动能量。

在本发明的阻尼结构中，约束体和连接体的刚度应大于阻尼材料的刚度。

本发明通过在构件表面固定联结带有凹凸结构的连接体和约束体，显著扩大了阻尼材料与构件本体及约束体的接触和作用面积，增大了约束阻尼作用力对构件弯曲中性面以及弯曲轴线的作用力矩，从而大大增加构件的结构阻尼，提高其阻尼比，因此应用本发明可以更有效的降低易振构件振动或发声的强度。本发明的阻尼复合材料，可应用于由各种金属和非金属、塑料、玻璃钢、木结构、混凝土结构等各种材料构成的易振构件，约束体和连接体也可以采用上述各种材料，适用性强，应用广泛，可用于交通工具、机器、电器和工程结构中的易振构件或易振部位，如钢轨、车轮、电器壳体、船舱、甲板、桥梁、球磨机筒体、汽车车身、飞机舱壁、机翼、叶片、隔声墙板、门板、楼板等构件上，且本发明易于生产和操作，使用后减振降噪效果明显，具有良好的经济效益、环保效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明结构的应用示意图之一。

图2为本发明结构的应用示意图之二。

图3为本发明结构的应用示意图之三。

图4为本发明结构的应用示意图之四。

图5为本发明结构的应用示意图之五。

图6为本发明结构的应用示意图之六。

图7为本发明结构的应用示意图之七。

图8为本发明结构的应用示意图之八。

图9为本发明结构的应用示意图之九。

图10为本发明结构的应用示意图之十。

图11为本发明结构的应用示意图之十一。

图12为本发明阻尼复合材料的结构示意图之一。

图13为本发明阻尼复合材料的结构示意图之二。

图14为本发明阻尼复合材料的结构示意图之三。

图15为本发明阻尼复合材料的结构示意图之四。

图16为本发明阻尼复合材料的结构示意图之五。

图17为本发明阻尼复合材料的结构示意图之六。

图18为本发明阻尼复合材料的结构示意图之七。

图19为本发明阻尼复合材料的结构示意图之八。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，构件本体1为机器的板状易振机壳壳体，其主要振形为弯曲振动，弯曲轴线为X轴，在构件本体1上利用粘结剂固定设置连接体2，连接体2上间隔的设置有凸棱3，凸棱3与约束体4上的凸棱5相互配合，所述凸棱的延伸方向为Y轴方向(垂直于X轴方向)。连接体2与约束体4内表面之间的设置连续的阻尼层6，阻尼层的材料为硫化而成的高阻尼橡胶。上述结构在构件本体表面可以连续地设置，也可以间隔地设置。

当构件本体受激发生振动时，其绕X轴发生弯曲变形，此时阻尼材料因为约束体和构件本体的变形不同而承受强迫剪切，产生与两者相对变形相反方向的阻尼力，消耗振动能量，由于连接体和约束体表面均带有凸棱，显著扩大了阻尼材料与连接体及约束体的接触和作用面积，增大了约束阻尼作用力对构件本体弯曲中性面的作用力矩，从而大大增加构件本体的结构阻尼，提高其阻尼比，因此在振动过程中，阻尼材料可以更加充分的吸收消耗构件本体的振动能量，从而有效的降低构件本体振动或发声的强度。

所述阻尼层在凸棱表面法向上的厚度要小于其它方向尺寸，凸棱的延伸方向垂直于构件的主要弯曲振形的弯曲轴线。连接体2与构件本体的固定方式可根据具体材料不同选用焊接、铆接、粘接、卡槽连接、扣件连接或紧固件连接等连接方法，本实施例中仅以粘接的固定方法为例进行说明。

在实际应用中，连接体和约束体均为铸钢制成，连接体和约束体上的凸棱的截面形状可以是梯形、矩形、三角形等规则形状，也可以是各种非规则形状，本例仅以梯形凸棱为例进行说明。所述的阻尼材料可以是固体阻尼，也可以是液体阻尼，当采用液体阻尼材料时，应注意在端面处进行密封(图中未示出)。

需要指出的是，当构件本体面积较大时，常会出现在X轴方向和Y轴方向同时发生振动弯曲变形的现象，基于上述实施例所述原理，可在图1所示结构基础上增设第二层约束阻尼结构，其凸棱的延伸方向与第一层的凸棱方向垂直，就可以有效控制其弯曲轴线为Y轴的振动变形。

实施例2

如图2所示，与实施例1不同之处在于所述的连接体2被简化为多根独立的凸棱，并间隔地焊接固定在构件本体1表面与约束体4上的凸棱5交错配合。此时，构件本体1及连接体2的外侧表面与约束体4内表面之间的设置阻尼层6，阻尼层中设置固体阻尼材料高阻尼聚氨酯，其实施顺序是双组分阻尼材料混合拌匀后先将其涂刷到约束体的凹凸表面，然后将约束板与构件压合，阻尼材料固化后形成阻尼层。

实施例3

如图3所示，作为实施例1所述结构的一种延伸，对于自身表面一体化铸造有凸棱7的构件本体1，其表面凸棱7可视为连接体。利用构件本体自身的表面凸棱7与约束体4上的凸棱5配合，此时，构件本体表面与约束体内侧表面之间设置阻尼层6，阻尼层中设置固体阻尼材料改性阻尼沥青。

当构件1或约束体4为金属材料时，其表面的连接体凸棱可以通过铸造、机加工或锻造成形；当构件1或约束体4为铝、铝镁合金、热塑材料时，凸棱可以挤出成形或注射成形；当构件1或约束体4为混凝土结构时，凸棱可以浇筑。例如当构件本体1为一桥梁箱梁的底板时，约束体4可为混凝土预制件，其上表面带有均匀分布的棱状凹凸，凸棱的延伸方向沿桥梁纵轴线，在凹凸棱表面涂有工作温度下呈固态的改性高阻尼沥青阻尼层，沥青中掺有纤维短丝，表面粘有纤维，以便混凝土和阻尼层牢固联结，施工时涂有阻尼层的约束体作为丢失模板，混凝土浇筑完毕固化后在构件本体上形成与约束体棱状凹凸相对应的凸凹。当桥梁受车辆动载激发产生振动时，具有更高阻尼比的桥梁底板的振动能量就会被阻尼吸收，振动幅度和噪声大为降低。

与实施例1相比，本实施例的不同之处之一在于所述的连接体2与构件1为一体化成型，施工简单，连接体与构件本体结合牢固。

实施例4

如图4所示，构件本体1为一发电机底座，在构件本体1表面设置与构件本体牢固联结的连接体2，连接体2上带有凸棱3、凸棱9和凹槽8，约束体4的内表面对应设置与其配合的凸棱5、凹槽10和凸棱11，连接体外表面和约束体内表面之间的间隙构成阻尼腔室，阻尼腔室中设置阻尼材料6。其中，阻尼材料6为液体阻尼材料硅油，因此在端面处设置密封件15对阻尼腔室进行封闭，为了保证阻尼层的厚度不变，在阻尼腔室中还设置有定距件16。

实施例5

如图5所示，本实施例中构件本体1为桥梁底板，与实施例1的不同之处在于凸棱3及凸棱5的中部设有空腔，在上述空腔内装填砂子12。利用这种方法可以有效增大构件本体的自身重量，较高的质量可以提供惯性阻抗，砂子颗粒之间的摩擦又可以提供阻尼，从而进一步提高构件本体的抗振能力。实际应用中，空腔内还可以设置阻尼材料或其它比重较高的非阻尼材料或其构成的散料，如铅、铁矿砂、废细铁丸等，也可以实现同样的效果。

实施例6

连接体和约束体除采用型材外，还可以利用板材通过冲压或折弯等方式获得，如图6所示，构件本体1为火车厢体，将板材裁剪后折弯加工成带有凸台的连接体2和约束体4，在连接体和约束体之间的空隙内设置阻尼材料6，并将上述结构固定设置在构件本体1表面，可以有效地增大车厢底板阻尼，减轻运行过程中的振动和噪声。

实施例7

如图7所示，本实施例与实施例6的不同之处在于，在连接体2的折弯部分与构件本体1表面构成的腔室内填装铁矿砂12。当然，此处也可以选用阻尼材料或其它比重较高的材料或其构成的散料。

实施例8

如图8所示，对于振动较大的船舶甲板一类构件本体1，利用带有凸棱的连接体2和约束体4在构件本体1外部设置多层阻尼材料6，这样构件本体1的结构阻尼将会得到进一步的提高，有利于更快吸收振动能量，使构件本体的振动强度迅速减弱。如将两层的凸棱方向按相互垂直的方式排布，则可以抑制整个甲板平面的振动弯曲。

实施例9

在设置多层阻尼材料时，为简化操作工艺并节约联结材料，如图9所示可以将位于中部的约束体和连接体集成为一体，成为新的中间约束体14，也可以实现同样的效果。

实施例10

本发明阻尼结构的约束体还可以置于构件本体内部。如图10所示，利用带肋钢筋作为约束体4，其肋部即可等同于约束体的凸棱5，在带肋钢筋的外部设置固体阻尼材料6和连接体2，并将上述结构置于混凝土构成的构件本体1中，这样构件本体1的自身结构阻尼就得到了提高。所述固体阻尼材料6为改性固定沥青。

在实际应用中，根据使用情况还可以省去在混凝土和阻尼材料之间设置的连接体，也可以实现同样的效果。作为额外不承受静载荷的钢筋，本实施例所述阻尼复合钢筋在使用时与普通钢筋一样置入钢筋网板内，施工方法相同。

实施例11

本发明阻尼结构还可以是筒状的，如图11所示，将约束体4设置为内部带有凸棱5的筒状结构，在其内表面设置一层阻尼材料6，阻尼材料为软金属锡，然后在上述结构内部灌入混凝土，混凝土凝固后即构成的构件本体1。当构件本体1发生振动变形时，约束体4与构件本体1的变形量不同，强迫阻尼材料6发生剪切变形，消耗振动能量。

应用中，在构体本体1与阻尼材料之间设置连接体也可以达到同样的效果。为了加强构件本体强度，施工时，在构件本体内部还可以设置由普通钢筋及实施例10中所述的阻尼复合钢筋共同做成的骨架(图中未示出)。为了加强阻尼层与混凝土层的联接强度，可在沥青中掺入纤维并部分伸出表面(图中未示出)，以便与混凝土牢固联结。

以上公布了本发明一种增大易振构件阻尼的结构的几个具体应用实例，同理，对于构件本体的振动发声主要来自扭曲的情况时，使连接体凸棱和约束体凸棱的延伸方向垂直于构件本体的主要扭曲方向的扭转轴线即可。

实施例12

如图12所示，本发明的阻尼复合材料，由带有凸棱3的连接体2和带有凸棱5的约束体4及二者之间设置的阻尼材料6粘结贴合而成。加工时应注意，所述阻尼材料在凸棱表面法向上的厚度要小于其它方向尺寸。

根据连接体和约束体的材料不同以及阻尼材料的形态不同，连接体、约束体除了又阻尼材料联结成一体外，在边缘和中间若干距离还可采用其它联结方式牢固联接，例如焊接、铆接、卡槽连接、扣件连接或紧固件连接等多种连接方法。当阻尼材料为液态阻尼时，需将本发明构件的端部进行密封(图中未示出)。

在使用时，根据工程应用对象的不同，将本发明阻尼复合板适当加工后利用焊接、铆接、卡槽连接、粘接、扣件连接或紧固件连接等方法固定设置在易振构件的表面，就可以扩大约束阻尼作用力对易振构件弯曲中性面的作用力矩，从而大大增加易振构件的结构阻尼，提高其阻尼比，因此当易振构件发生振动时，阻尼材料可以更加充分的吸收振动能量，从而有效的降低易振构件振动或发声的强度。如应用于磨煤机、设备机壳等带有较大平面的易振构件时，可以将本发明构件裁切成相应尺寸的平面板材或组合后直接固定在易振构件上；应用于灯杆、桅杆、车轮等带有曲面的易振构件时，可以将本发明阻尼复合板卷曲成相应的片状、管状或环状进而固定在易振构件上，都可以起到十分明显的效果。此外，本发明阻尼复合板在易振构件表面的设置可以是连续的，也可以是间断的。

在实际应用中，连接体和约束体上的凸起的截面形状可以是梯形、矩形等规则形状，也可以是直线或/和圆弧组成的非规则形状。

实施例13

如图13所示本发明阻尼复合材料，以带肋钢筋为约束体4，其肋部即可等同于约束体的凸棱5，通过阻尼材料6将约束体4与连接体2复合联结成一体，凸棱5与连接体上的凸棱3相配合。

实施例14

如图14所示的本发明阻尼复合材料，由连接体2、约束体4及两者之间的阻尼材料6组合而成，与实施例12不同之处在于连接体2上除设置凸棱3外还设置凸棱9，凸棱3上还设置有凹槽8，相应的，约束体4上设置凸棱5和凸棱11，凸棱5上设置凹槽10。这样可以进一步增大连接体及约束体与阻尼材料发生接触和作用的有效工作面积，增大构件的阻尼比。

实施例15

如图15所示的本发明阻尼复合板，连接体2和约束体3均由铝合金型材构成，与实施例12的不同之处在于连接体2和约束体3的凸棱内部带有空腔，空腔内填装有砂子12。实际应用中，空腔内还可以设置其它比重较高的材料或其构成的散料，如铅、铁矿砂、废细铁丸等，也可以实现同样的效果。

本实施例的刚度大，阻尼高，表面平整美观，隔音效果好，可以作为高档隔声门的骨架、音乐厅的隔声板，或与石膏板等叠合使用。

实施例16

如图16所示的本发明阻尼复合板，其连接体2和约束体3利用钢板折弯或冲压而成，带有凹凸棱，连接体和约束体之间设置阻尼材料6。与挤出型材相比，造价更低。

实施例17

如图17所示的本发明阻尼复合板，其在实施例16所述构件的基础上通过增设面板13，其分别与连接体2和约束体4通过电阻焊牢固联接，使连接体2和约束体4的折弯部与夹板表面形成腔室，在腔室内设置铁矿砂12，可以更好的起到减振的效果。如果在腔室内填发泡材料，可以消除高频噪声。当然，此处也可以选用其它比重较高的材料或其构成的散料。本实施例的阻尼复合板刚度大，承载能力高，不易变形，且表面平整美观。

实施例18

如图18所示的本发明阻尼复合板，其由约束体3和阻尼层6组成，约束体3利用钢板折弯或冲压而成，带有凹凸棱，阻尼层在其表面连续设置，为固体阻尼材料高阻尼改性沥青板，沥青中掺有纤维并部分伸出表面(图中未示出)，以便与混凝土牢固联结。本复合阻尼板可以作为丢失模板，在混凝土施工时直接浇筑到易振构件表面，混凝土浇筑完毕固化后在构件本体上形成与约束体棱状凹凸相对应凸凹。为联接牢固，约束体上可以在边缘和中间若干间距上设置锚固栓或锚固筋(图中未示出)。

实施例19

如图19所示的本发明阻尼复合板，通过设置两侧均带有凸起的中间约束体14，在连接体2和约束体4之间可以设置超过一层的阻尼材料6。

实际上，只要将本发明阻尼复合材料的阻尼层表面或连接体表面与待处理的构件本体表面牢固联结，就可以实现本发明的阻尼结构，达到提高构件阻尼及减振降噪的目的。

本发明的一种阻尼结构及阻尼复合材料，简便实用，易于生产和安装，其增大构件结构阻尼的效果明显，减振降噪效果好，经济与环保效应俱佳，可以广泛应用于交通、电力、制造、建筑等各种领域。

Claims (6)

1.一种阻尼结构，其特征在于易振构件本体表面连续或间隔的固定设置带有凸棱和凹槽的连接体，约束体的表面对应设置与连接体配合的凹槽和凸棱，连接体表面和约束体表面之间设置连续或间隔的阻尼层，阻尼层中的阻尼材料为固体阻尼材料或液体阻尼材料，凸棱的延伸方向垂直于构件本体的主要弯曲变形的弯曲轴线或扭振轴线。

2.根据权利要求1所述的阻尼结构，其特征在于阻尼层在凸棱表面法向上的厚度要小于其它方向尺寸。

3.根据权利要求1所述的阻尼结构，其特征在于连接体表面的凸棱或/和约束体表面的凸棱内部设置有空腔，空腔内设置阻尼材料或比重较高的材料。

4.根据权利要求1所述的阻尼结构，其特征在于连接体为易振构件本体自身的一部分或与易振构件本体集成实现一体化。

5.根据权利要求1所述的阻尼结构，其特征在于连接体与易振构件本体的连接方式为焊接、铆接、粘接、卡槽连接、扣件连接或紧固件连接。

6.根据权利要求1所述的阻尼结构，其特征在于连接体、阻尼材料及约束体设置多层。

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