CN108162509A - 一种主动温控变阻尼夹层结构及变阻尼控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种主动温控变阻尼夹层结构及变阻尼控制方法，所述结构包括夹层结构和主动温控系统；所述夹层结构包括上下表层材料和芯材，所述芯材为高分子材料；所述主动温控系统包括加热设备、温度传感器、数据采集与控制模块以及连接网络，加热设备和温度传感器通过连接网络与数据采集与控制模块连接；所述加热设备与夹层结构的芯材紧贴，用于给芯材加热；所述温度传感器布置在芯材上，用于将芯材的温度传递给数据采集与控制模块。该夹层结构通过主动升温控制高分子材料的温度位于Tg附近的一个温度区间内，使其提高了夹层结构的损耗因子，进而提高了夹层结构的阻尼系数，并同时保证了夹层结构的刚度要求。

Description

一种主动温控变阻尼夹层结构及变阻尼控制方法
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种主动温控变阻尼夹层结构及变阻尼控制方法。
背景技术
对于结构的减振降噪而言，传统的解决方案是外敷具有较大结构阻尼的阻尼材料来增强结构的减振降噪性。但是这种外敷的阻尼材料不能为结构提供强度刚度，因此在应用上受到很多限制。而在结构上广泛应用的夹层结构更多的是一种结构型复合材料，并未考虑减振降噪的功能。为此设想将高分子材料与夹层结构结合起来，使之既具有满足结构要求的强度刚度，同时具有较好的减振降噪性。但是这种夹层为高分子材料的结构形式存在以下缺点：
(1)夹层结构使用温度的宽域和高分子材料的高损耗因子的窄带特性存在着矛盾。夹层结构的适用环境是多样的，且其外界温度是多变的，而保持高分子材料处于高损耗因子时的温度是在其玻璃态转变温度Tg附近的一个较小范围内。正常使用环境下难以发挥出高分子材料的高阻尼特性。
(2)结构的阻尼和刚度存在着矛盾。为了发挥高分子聚合物的性能，需要升高高分子材料的温度。高分子材料随着温度的升高，其损耗因子不断增加，结构的阻尼将会增加；但随着温度增加，高分子材料的杨氏模量不断减小，将会导致结构的刚度减小，结构的刚度和阻尼不能同时取得最大值。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种主动温控变阻尼夹层结构及变阻尼控制方法，该夹层结构通过主动升温控制高分子材料的温度位于Tg附近的一个温度区间内，使其提高了夹层结构的损耗因子，进而提高了夹层结构的阻尼系数，并同时保证了夹层结构的刚度要求。
本发明充分利用了高分子聚合物材料的Tg左侧窄带特性，并综合考虑了夹层结构弯曲刚度与芯材模量的非线性相关性，通过主动温控装置将夹层结构的温度始终控制在位于Tg左侧附近的一个温度区间内，这样既提高了夹层结构的减阻降噪性能，又满足了刚度要求。
为此，本发明采用了以下技术方案：
一种主动温控变阻尼夹层结构，包括夹层结构和主动温控系统，所述夹层结构包括上下表层材料和芯材，所述芯材为高分子材料；所述主动温控系统包括加热设备、温度传感器、数据采集与控制模块以及连接网络，加热设备和温度传感器通过连接网络与数据采集与控制模块连接；所述加热设备与夹层结构的芯材紧贴，用于给芯材加热；所述温度传感器布置在芯材上，用于将芯材的温度传递给数据采集与控制模块。
进一步地，所述夹层结构的上下表层材料为钢材或复合材料层合板，芯材为具有粘弹特性的高分子材料，包括聚氨酯、浮力材料等。
进一步地，所述芯材的损耗因子和弹性模量均随温度变化而变化。
进一步地，所述芯材存在一个玻璃态转变温度Tg，所述夹层结构的工作温度必须低于Tg；在温度达到Tg前，所述芯材的损耗因子随温度增加而增加，并在温度到达Tg处时达到最大值；所述夹层结构满足一定的温度控制要求，该控制温度位于工作温度与Tg之间的温度区间。
进一步地，所述芯材的弹性模量随温度增加而下降，存在一个满足结构临界弯曲刚度条件要求的刚度要求温度；所述夹层结构的控制温度低于该刚度要求温度。
作为一种优选方式，所述夹层结构的上下表层材料采用胶粘剂粘贴在所述芯材的外表面；所述加热设备采用胶粘剂粘贴在所述芯材的内表面。
进一步地，所述加热设备为加热膜；所述芯材分为上下两部分，所述加热膜位于上下芯材之间。
进一步地，所述加热膜采用胶粘剂粘贴在上下芯材之间，加热膜的加热功率可以调节；所述胶粘剂在温度达到所述芯材的Tg时不会失效。
进一步地，所述温度传感器均布在所述芯材上下表面的对应位置处，并将相应位置处的温度值传递给数据采集与控制模块。
一种主动温控变阻尼夹层结构的变阻尼控制方法，所述数据采集与控制模块根据温度传感器传递过来的芯材温度，判断当前温度下高分子材料的阻尼特性，当需要提高芯材的阻尼时，启动加热设备对芯材加热，加热到需要的温度时停止加热，并始终确保所述芯材处于控制温度区间内，使所述芯材在具有较大损耗因子的同时，弹性模量满足结构弯曲刚度要求。。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明所提供的一种主动温控变阻尼夹层结构，具有较好的减振降噪特性，对结构的振动控制作用明显。
(2)本发明在保证夹层结构具有较高的减振降噪性能的同时，还避免了芯材温度过高带来的弹性模量大幅降低的问题，保证了结构刚度的要求。
附图说明
图1是本发明所提供的一种主动温控变阻尼夹层结构的基本组成结构图。
图2是本发明实施例所提供的一种主动温控变阻尼夹层结构的组成结构图。
图3是高分子材料损耗因子以及杨氏模量与温度的关系曲线。
图4是本发明实施例所提供的一种主动温控变阻尼夹层结构在不同温度时以及等效刚度梁的模态与导纳图。
附图标记说明：1、夹层结构；2、主动温控系统；3、上下表层材料；4、芯材；5、加热设备；6、温度传感器；7、数据采集与控制模块；8、连接网络。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明提供了一种主动温控变阻尼夹层结构，包括夹层结构1和主动温控系统2；所述夹层结构1包括上下表层材料3和芯材4，所述芯材4为高分子材料；所述主动温控系统2包括加热设备5、温度传感器6、数据采集与控制模块7以及连接网络8，加热设备5和温度传感器6通过连接网络8与数据采集与控制模块7连接；所述加热设备5与夹层结构1的芯材4紧贴，用于给芯材4加热；所述温度传感器6布置在芯材4上，用于将芯材4的温度传递给数据采集与控制模块7。
如图2所示，作为一种具体的方案，所述夹层结构1的上下表层材料3为钢材或复合材料层合板，芯材4为具有粘弹特性的高分子材料，包括聚氨酯、浮力材料等。
如图3所示，所述芯材4的损耗因子和弹性模量均随温度变化而变化。所述芯材4存在一个玻璃态转变温度Tg，所述夹层结构1的工作温度必须低于Tg；在温度达到Tg前，所述芯材4的损耗因子随温度增加而增加，并在温度到达Tg处时达到最大值；所述夹层结构1满足一定的温度控制要求，该控制温度位于工作温度与Tg之间的温度区间。
所述芯材4的弹性模量随温度增加而下降，存在一个满足结构临界弯曲刚度条件要求的刚度要求温度；所述夹层结构1的控制温度低于该刚度要求温度。
作为一种优选方式，所述夹层结构1的上下表层材料3采用胶粘剂粘贴在所述芯材4的外表面；所述加热设备5采用胶粘剂粘贴在所述芯材4的内表面。
作为一种具体方案，所述加热设备5为加热膜；所述芯材4分为上下两部分，所述加热膜位于上下芯材之间。所述加热膜采用胶粘剂粘贴在上下芯材之间，加热膜的加热功率可以调节；所述胶粘剂在温度达到所述芯材的Tg时不会失效。所述温度传感器6均布在所述芯材4上下表面的对应位置处，并将相应位置处的温度值传递给数据采集与控制模块7。
本发明还提供了一种主动温控变阻尼夹层结构的变阻尼控制方法，所述数据采集与控制模块7根据温度传感器6传递过来的芯材4温度，判断当前温度下高分子材料的阻尼特性，当需要提高芯材4的阻尼时，启动加热设备5对芯材4加热，加热到需要的温度时停止加热，并将所述芯材4温度控制在低于Tg一定值的温度区间，使所述芯材4在具有较大损耗因子的同时弹性模量满足刚度要求。
实施例
一种主动温控变阻尼夹层结构，上下表层采用钢加工制作，尺寸规格为500mm×50mm×1mm的钢板，芯材采用高分子材料制作，规格为500mm×50mm×8mm，该高分子材料的材料特性如图3所示。钢质表层和芯材采用环氧树脂进行粘合，其使用温度区间为-40℃～260℃。加热装置采用带有温度探测装置的聚酰亚胺加热膜，采用环氧树脂将加热装置粘合于两块芯材板的中间，然后采用真空成型工艺使夹层结构之间的粘合紧密。
为实现主动温控，采用加热膜对芯材进行加热，结合温控装置可设定其温度，加热膜及温控装置参数如下：电源电压：110-240VAC；温度探头：NTC，1条，2米长；温度显示范围：-20-300℃，精度±1℃；控温温度范围：-20-280℃，出厂值：100℃；继电器触点容量：30A/240VAC；工作环境温度：-10-60℃。
为了达到主动温控效果，保证芯材整体受热均匀，将16mm厚的芯材分为2×8mm的两部分，两部分的中间贴加热膜，同时保证整个芯材加热均匀。为保证表层与芯材之间，芯材与加热膜之间保持紧密连接，选用环氧树脂进行粘接。
对上述主动温控变阻尼夹层结构在不同温度下的力学特性进行测试，并和与之刚度等效的等效刚度梁的结果进行对比，所得模态与导纳图如图4所示。
从图4可以看出，在保持刚度基本等同的前提下，随着温度的提高，本发明所提供的一种主动温控变阻尼夹层结构的振动控制特性得到了明显提高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种主动温控变阻尼夹层结构，包括夹层结构和主动温控系统，其特征在于：所述夹层结构包括上下表层材料和芯材，所述芯材为高分子材料；所述主动温控系统包括加热设备、温度传感器、数据采集与控制模块以及连接网络，加热设备和温度传感器通过连接网络与数据采集与控制模块连接；所述加热设备与夹层结构的芯材紧贴，用于给芯材加热；所述温度传感器布置在芯材上，用于将芯材的温度传递给数据采集与控制模块。
2.根据权利要求1所述的一种主动温控变阻尼夹层结构，其特征在于：所述夹层结构的上下表层材料为钢材或复合材料层合板，芯材为具有粘弹特性的高分子材料，包括聚氨酯、浮力材料等。
3.根据权利要求2所述的一种主动温控变阻尼夹层结构，其特征在于：所述芯材的损耗因子和弹性模量均随温度变化而变化。
4.根据权利要求3所述的一种主动温控变阻尼夹层结构，其特征在于：所述芯材存在一个玻璃态转变温度Tg，所述夹层结构的工作温度必须低于Tg；在温度达到Tg前，所述芯材的损耗因子随温度增加而增加，并在温度到达Tg处时达到最大值；所述夹层结构满足一定的温度控制要求，该控制温度位于工作温度与Tg之间的温度区间。
5.根据权利要求4所述的一种主动温控变阻尼夹层结构，其特征在于：所述芯材的弹性模量随温度增加而下降，存在一个满足结构临界弯曲刚度条件要求的刚度要求温度；所述夹层结构的控制温度低于该刚度要求温度。
6.根据权利要求1至5任一项所述的一种主动温控变阻尼夹层结构，其特征在于：所述夹层结构的上下表层材料采用胶粘剂粘贴在所述芯材的外表面；所述加热设备采用胶粘剂粘贴在所述芯材的内表面。
7.根据权利要求6所述的一种主动温控变阻尼夹层结构，其特征在于：所述加热设备为加热膜；所述芯材分为上下两部分，所述加热膜位于上下芯材之间。
8.根据权利要求7所述的一种主动温控变阻尼夹层结构，其特征在于：所述加热膜采用胶粘剂粘贴在上下芯材之间，加热膜的加热功率可以调节；所述胶粘剂在温度达到所述芯材的Tg时不会失效。
9.根据权利要求8所述的一种主动温控变阻尼夹层结构，其特征在于：所述温度传感器均布在所述芯材上下表面的对应位置处，并将相应位置处的温度值传递给数据采集与控制模块。
10.根据权利要求1至9任一项所述的一种主动温控变阻尼夹层结构的变阻尼控制方法，其特征在于：所述数据采集与控制模块根据温度传感器传递过来的芯材温度，判断当前温度下高分子材料的阻尼特性，当需要提高芯材的阻尼时，启动加热设备对芯材加热，加热到需要的温度时停止加热，并始终确保所述芯材处于控制温度区间内，使所述芯材在具有较大损耗因子的同时，弹性模量满足结构弯曲刚度要求。
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