CN101830084B - 新型粉体冲击阻尼的蜂窝夹芯结构 - Google Patents
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Abstract
蜂窝夹芯复合材料结构由于其本身具有很高的比强度、比刚度以及结构功能可设计性，近年来在高速列车、航空、航天等领域有广泛地应用。虽然这种结构有一定的阻尼减振作用，但其损耗因子仍然偏低。本发明将蜂窝夹芯结构的制造技术与粉体冲击阻尼减振技术相结合，将粉体以一定填充比置于蜂窝夹芯结构的胞元中，利用上下蒙皮将粉体微颗粒密封在蜂窝夹芯结构中(具体见图1)，充分利用粉体在机械振动过程中的冲击、碰幢和摩擦来耗散该结构的振动能量，对结构共振峰起到抑制作用(具体见图2)，达到提高整体结构动态性能的目的。与传统的蜂窝夹芯复合材料结构相比，该新型结构具有应用范围广，不老化、不脱落，特别适合应用在环境较恶劣的航空、航天领域。
Description
技术领域
蜂窝夹芯复合结构(可以是纤维增强树脂基复合材料夹芯结构，也可以是金属基的复合夹芯结构)由于其本身具有很高的比强度、比刚度以及优良的阻尼特性，近年来在高速列车、航空、航天等领域得到了广泛地应用。由于该结构有一定的阻尼特性，控制了它的共振幅值提高了其疲劳寿命，使得空间飞行器的动态性能和使用性能得以改善，但其损耗因子仍然偏低，不能满足许多高科技领域的需要。本发明就是将蜂窝夹芯的制造技术与振动力学理论相结合，把微颗粒冲击阻尼技术运用到蜂窝夹芯的阻尼减振结构中，利用蜂窝芯本身的天然胞元孔洞(具体见图1)，将一定填充比的粉体置于夹芯板的蜂窝胞元孔中，利用夹芯结构的上下蒙皮将粉体颗粒密封在该胞元孔中。当该发明的结构在振动时，粉体之间就会冲击(也会与蜂窝胞壁板和蒙皮冲击)、碰幢和摩擦来耗散结构的振动能量，实现对结构共振峰的抑制作用(具体见图2)，达到提高整体结构动态性能的目的。该新型结构具有使用范围广、不老化、不脱落等优点，特别适合在环境比较恶劣的航空、航天领域应用，属于振动控制领域的研究内容。
背景技术
传统的阻尼结构包括自由阻尼结构、约束阻尼结构和阻尼插入结构等，都是利用粘弹性材料损耗因子大的特点，将其粘帖在需要减振结构的表面，以耗散结构的振动能量，实现减振降噪的目的。但这种阻尼材料本身性能受环境温度等因素的影响很大，特别是环境温度变化比较剧烈的太空，会使其性能极不稳定，加之容易老化、脱落，很快就丧失了原来粘弹性阻尼材料的功能，从而导致整个仪器设备不能正常运转。随着科学的发展，人们对高科技仪器和设备的动态性能和环境适应性的要求越来越高，传统的阻尼结构远远不能满足科技发展的要求。本发明将蜂窝夹芯制造技术与微颗粒粉体阻尼减振技术相结合，发挥粉体微颗粒阻尼技术对降低结构共振峰的作用，充分利用蜂窝芯板的胞元空间，将一定填充比的粉体置于蜂窝夹芯结构的胞元中，利用粉体在结构振动过程中的冲击、碰幢和摩擦等来耗散结构的振动能量，达到提高结构动态性能的目的。该结构简单、易行、可靠，特别适用在环境比较恶劣条件下(高寒、高温等环境)高速运转的仪器设备使用。
发明内容
发明原理：粉体微颗粒阻尼是20世纪九十年代提出的一种新型抗恶劣环境的阻尼技术。它通过在结构体中填充粉体微颗粒，利用微颗粒在结构振动时产生反冲击作用，可减小结构体的振动；同时还利用微颗粒在振动运动中产生碰幢、干摩擦，及其与器壁之间发生的能量转换、发热、粘滞剪切变形等，来吸收或耗散振动能量。其原理可用摇晃装有一定体积比钨微颗粒的瓶子来说明，具体如图3所示，与摇晃空瓶相比，装有钨粉的瓶子以同样大的速度和振幅晃动会遇到很大阻力。经测试表明：在梁的孔洞中以90％的填充率填充钨微颗粒，可在梁的一阶固有频率处振幅降低60倍以上，梁的阻尼比由原来的0.000148增加到0.109，提高了近三个数量级，而填充的钨粉只占梁重的5％左右，足见粉体微颗粒阻尼技术的有效性。
新型粉体冲击阻尼的蜂窝夹芯结构就是应用粉体微颗粒阻尼减振技术发明设计的一种高阻尼蜂窝夹芯结构，本发明的具体内容：在制作蜂窝夹芯结构的板梁壳时，把预先制造好的粉体灌入夹芯板的部分蜂窝胞元中(具体见图4)，然后和上下蒙皮(或复合材料预浸料)一起固化完成加工，填放的位置要根据原结构(即未加粉体微颗粒的蜂窝夹芯结构)在各种工况下的响应或传统模态来决定。对于一般作弯曲振动的板梁壳，最好放置在各种工况下响应振幅比较大的蜂窝胞元孔中，对于传统模态最好放在低阶振幅比较大的位置(最好使用前者)。放粉体的蜂窝胞元不要太多，但要选择振幅较大的部位，这就要求在制造之前设计填放微颗粒粉体的蜂窝胞元的位置。填放的粉体微颗粒材质可以是钨粉、铁粉等，还可以是其它一些抗氧化、不生锈的材料制成的粉体。总的来说，密度大的材质在相同的振动频率和振幅情况下，反冲的能量会大一些，然而密度过大的粉体会增加整个结构的重量，所以设计时要根据具体情况，灵活选择。为了提高蜂窝夹芯结构的使用寿命，夹芯的材质一般由铝箔制成，最好不用芳纶纸，虽然相同几何结构的芳纶纸蜂窝比铝箔的轻，但考虑长期与微颗粒粉体之间进行干摩擦和冲击，会减少其使用寿命。当这样制成的新型粉体冲击阻尼蜂窝夹芯结构的板壳梁在振动时，由于粉体微颗粒的相对运动与结构的振动速度方向不完全一致，对振动结构有反冲、碰撞和干摩擦等作用将在很大程度上消耗了整体结构的振动能量，阻碍了整体结构的振动，达到从根本上减少结构振动幅值的目的。该粉体微颗粒阻尼蜂窝夹芯结构能很好地抑制蜂窝夹芯结构的振动，尤其是低频结构的振动。具有实用性、可靠性、经济性等优点，推广前景非常广泛。
附图说明
图1蜂窝夹芯板的胞元阵列；
图2粉体微颗粒阻尼技术对结构共振峰的抑制作用；
图3粉体微颗粒阻尼原理演示图；
图4常见蜂窝夹芯结构。
具体实施方式
本发明基于粉体振动冲击阻尼理论，并利用蜂窝夹芯板梁壳的结构特点，通过粉体微颗粒冲击和干摩擦来消耗蜂窝夹芯结构振动能量等方式实现大阻尼性能。本发明的实施主要分三部分，一是确定粉体微颗粒在蜂窝夹芯结构内部的填充位置，即利用蜂窝夹芯胞元的自然结构特点，将粉体微颗粒填放在该位置的蜂窝夹芯胞元中，既不占用结构多余的空间，又能提高整个结构的阻尼；二是粉体微颗粒材质、几何参数的选用；三是确定新型结构的制作工艺。从而使本发明得以实施，达到较好的阻尼减振效果。
1.新型粉体冲击阻尼蜂窝夹芯结构的设计
在新型粉体冲击阻尼的蜂窝夹芯结构板梁壳设计期间，要事先确定粉体微颗粒的填放位置。如何确定这个最佳填放粉体微颗粒的蜂窝胞元位置，这是本发明实施要解决的首要问题。也就是说所确定填放粉体的位置，既要能达到填放的粉体量较少(附加质量少，移频量小)，还能消耗整个结构较多的振动能量。根据粉体微颗粒耗散振动能量的原理，它们应当填充在蜂窝夹芯工件在各种工况下的响应较大或传统模态振幅比较大的位置，而不能填放在不振动的或节点的位置。为了便于求得该振幅较大位置，这里提出四种比较简单的方法，分别为：软件计算响应法、软件分析模态法、实验测试响应法和实验模态分析法。这四种方法都要求基于原有未加粉体微颗粒蜂窝夹芯构件的几何模型，对于软件计算响应法就是应用可靠的有限元力学分析软件研究未加粉体微颗粒的蜂窝夹芯构件，分析它们在各种工况和工作边界条件下的响应，计算出结构的较大位移响应部位；对于软件分析模态法，就是要用模态分析理论和分析软件来研究未加粉体微颗粒蜂窝夹芯构件在工作边界条件下的模态，找出其低阶模态振幅比较大的部位；实验测试响应法就是应用位移传感器测量在各种工况和工作边界条件下的响应，研究响应变化规律，找出较大位移响应部位；而实验模态分析法就是应用实验模态分析理论，通过测量分析工件在工作边界条件下低阶模态的位移峰值，确定其振幅的较大部位。在这四种方法里，其中软件计算响应法和实验测试响应法适用于结构和工矿条件比较简单的工件；而软件分析模态法和实验模态分析法则适用于结构和工矿条件比较复杂的工件，当然为了提高分析的可靠性和准确性，也可多种方法结合使用，由于软件计算响应法和实验测试响应法比较接近实际使用工矿，这里推荐尽量使用这两方法。到此，本发明设计的新型粉体冲击阻尼的蜂窝夹芯结构，就可以确定粉体的装填位置。一般说来，依据原有蜂窝夹芯工件几何模型，再新设计制作添加粉体微颗粒蜂窝夹芯工件，对原复合材料夹芯工件的强度、刚度和稳定性不会因为添加了少许粉体微颗粒而产生大的影响，这就保证该种实施方法的安全性和可靠性。
2.粉体微颗粒冲击阻尼蜂窝夹芯结构的填充物
一般填充的微颗粒体粒度直径小于1mm，填放区每个蜂窝胞元孔的填充率在90％-95％，填放的粉体微颗粒材质可以是沙粒、铁粉、钨粉等，应根据工作环境合理选取，特别注意不能填充易与夹芯或蒙皮形成电化学反应而产生腐蚀的金属粉体。根据阻尼减振理论，在其它条件相同，填充不同种类的粉体颗粒，获得的减振效果是不同的，颗粒的密度越大，效果越好。在微颗粒材质的选择上，如果新型粉体微颗粒冲击阻尼的蜂窝夹芯工件是在太空中使用的话，本发明推荐使用沙粒作填充物比较适宜，该材料既能有效控制振动，又经济耐用。
3.粉体微颗粒冲击阻尼蜂窝夹芯结构的制作
在确定了蜂窝夹芯结构较大振幅部位，选择了合适粉体微颗粒作为填充物后，就要考虑如何完成制作的问题。根据所设计结构的几何要求，先将制作好尺寸的下蒙皮(或预浸料)放在蜂窝夹芯板的下面，然后依照分析出的振幅较大位置，将一定质量和粒度的粉体填充到夹芯板蜂窝胞元的孔中。一般要根据重量要求，确定一个填充的阈值，振幅大于该阈值的位置就是填充的最佳位置，填充时每个蜂窝胞元要按照选定的填充比来填充，不能太少，也不能溢出，否则会影响整体结构的粘结强度和阻尼效果。然后将上蒙皮(或预浸料)安放在填好的粉体微颗粒蜂窝夹芯板上，按照热压工艺要求，在热压灌中完成整个工件的固化制作工艺。这样制作出来的蜂窝夹芯构件既利用了蜂窝胞元结构中的孔洞，又提高了整体结构的阻尼性能，在高科技领域非常有使用价值。
Claims (1)
1.新型粉体冲击阻尼的蜂窝夹芯结构，其特征是，利用蜂窝夹芯本身的胞元孔，通过研究分析原有结构振动时的较大振幅位置，将粉体填充到该位置的胞元孔中，然后利用上下蒙皮将其封闭，在热压灌中实现整个结构的固化，完成新型粉体冲击阻尼蜂窝夹芯结构的制作，夹芯的材质为铝箔；所述填充的粉体微颗粒是不能填充易与夹芯或蒙皮形成电化学反应而产生腐蚀的金属粉体，所述填充的粉体微颗粒的直径小于1mm，材质为沙粒或铁粉或钨粉，填充率在90~95%；对于制作蜂窝夹芯结构作弯曲振动的板梁壳，粉体填充到振动时的较大振幅位置；对于传统结构，粉体填充到低阶模态振幅较大位置；在制作粉体冲击阻尼蜂窝夹芯结构时，先将铝箔制成的蜂窝夹芯放于下蒙皮之上，再按给定填入质量和阈值确定放置粉体微颗粒的蜂窝胞元孔位置和数量，将粉体装入该位置，最后盖上蜂窝夹芯结构的上蒙皮，通过热压工艺完成制作过程。
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Owner name: QINGDAO TECHNOLOGICAL UNIVERSITY Free format text: FORMER OWNER: LIANG SEN Effective date: 20111031 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20111031 Address after: 266033 Fushun Road, Sifang District, Shandong, China, No. 11, No. Applicant after: Qingdao University of Technology Address before: 256 box 11, 266033 Fushun Road, Sifang District, Shandong, Qingdao Applicant before: Liang Sen |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130703 Termination date: 20181110 |