減振降噪復(fù)合材料性能預(yù)測與微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).pdf

1、結(jié)構(gòu)振動(dòng)和噪聲控制在國防工業(yè)和民用生活中具有十分重要的意義。利用粘彈性材料的阻尼特性實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量的耗散以抑制振動(dòng)和利用彈性波帶隙材料對(duì)特定頻段波的阻隔特性實(shí)現(xiàn)隔振和降噪，是兩種減振降噪的有效方法。為了提高粘彈性阻尼材料和彈性波帶隙材料的減振降噪性能，需要合理地設(shè)計(jì)材料的微結(jié)構(gòu)以增大阻尼、調(diào)整帶隙頻段以實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)的有效隔斷。材料宏觀性質(zhì)對(duì)微結(jié)構(gòu)構(gòu)型依賴關(guān)系的建立是實(shí)現(xiàn)材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。因此，需要構(gòu)建具有周期性微結(jié)構(gòu)的材料的等效性能

2、快速預(yù)測方法。另外，研究發(fā)現(xiàn)一些負(fù)泊松比材料（如手性材料、內(nèi)六邊形格柵材料等）具有很好的帶隙特性，因此可通過設(shè)計(jì)負(fù)泊松比材料的微結(jié)構(gòu)進(jìn)而設(shè)計(jì)具有帶隙性質(zhì)的材料。本文研究了可用于減振降噪的復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與等效性能快速預(yù)測方法。研究建立粘彈性復(fù)合材料等效性能預(yù)測的均勻化方法，以實(shí)現(xiàn)阻尼性能與材料微結(jié)構(gòu)之間依賴關(guān)系的快速建立；研究負(fù)泊松比材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并分析其負(fù)泊松比特性以及帶隙性能。具體研究內(nèi)容和成果如下：
　　(1)預(yù)測周期性

3、粘彈性復(fù)合材料等效復(fù)模量的均勻化方法的新實(shí)現(xiàn)方法。本文提出了一種基于商業(yè)有限元軟件的周期性粘彈性復(fù)合材料等效復(fù)模量預(yù)測的均勻化方法的新實(shí)現(xiàn)方法（NIAH-VE），為了能夠預(yù)測任意粘彈性材料的等效性能，本文建立了諧響應(yīng)分析模型，并提出了一種共節(jié)點(diǎn)的雙層單元技術(shù)。利用新實(shí)現(xiàn)方法可以對(duì)頻域下顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的等效復(fù)模量進(jìn)行快速預(yù)測，通過損耗模量和存儲(chǔ)模量可以計(jì)算出粘彈性材料的阻尼比，與文獻(xiàn)對(duì)比，證明該方法對(duì)于二維和三維粘彈性

4、材料等效粘彈性性能預(yù)測的有效性。另外，假設(shè)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料滿足標(biāo)準(zhǔn)三元件固體模型，利用最小二乘法對(duì)頻域下材料的等效復(fù)模量進(jìn)行曲線擬合，得到時(shí)域下的儲(chǔ)存模量'11G隨時(shí)間的變化情況。
　　(2)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料粘彈性性能分析。由多種單材料復(fù)合而成的復(fù)合材料常具有較單一材料更優(yōu)異的整體力學(xué)性能。本文利用推導(dǎo)的預(yù)測粘彈性材料的等效復(fù)模量的均勻化方法的新實(shí)現(xiàn)方法，基于彈性材料和粘彈性材料的組合，研究了特定頻率下內(nèi)嵌型和外包型兩種兩相顆粒增

5、強(qiáng)復(fù)合材料的粘彈性性能，分析了其顆粒相的幾何參數(shù)（體分比、形狀和排布形式）對(duì)復(fù)合材料的剛度和粘彈性性能的影響，發(fā)現(xiàn)顆粒體分比對(duì)復(fù)合之后材料的阻尼比影響起主要作用，其次是形狀，最后是排布形式。復(fù)合材料的等效復(fù)模量和阻尼比與顆粒體分比的關(guān)系是非線性的。此外，本文還研究了全頻率范圍內(nèi)，顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的阻尼比與基材料阻尼比的關(guān)系，以及粘彈性模型的三參數(shù)對(duì)材料阻尼比的影響，研究發(fā)現(xiàn)如果兩種基材料在某一頻率下阻尼比相同，當(dāng)基材料用量一定時(shí)，則由二

6、者任意復(fù)合而成的材料阻尼比與基材料相同，與復(fù)合材料的幾何拓?fù)湫问綗o關(guān)。
　　(3)預(yù)測周期性粘彈性板結(jié)構(gòu)等效復(fù)剛度的均勻化方法的新實(shí)現(xiàn)方法。板殼結(jié)構(gòu)往往具有一定的隔聲隔振性能，由粘彈性材料制備而成的粘彈性板結(jié)構(gòu)則具有更好的減振降噪能力。實(shí)現(xiàn)對(duì)粘彈性板結(jié)構(gòu)阻尼性能的快速預(yù)測有助于不同粘彈性板結(jié)構(gòu)的減振降噪性能的比較和最優(yōu)選擇。本文提出了一種基于商業(yè)有限元軟件的周期性粘彈性板結(jié)構(gòu)等效復(fù)剛度預(yù)測的均勻化方法的新實(shí)現(xiàn)方法（NIAH-VEP

7、），為了能夠預(yù)測任意粘彈性板結(jié)構(gòu)的等效性能，該部分同樣建立了諧響應(yīng)分析模型以及雙層單元技術(shù)以求解復(fù)數(shù)形式的特征位移場。利用該方法對(duì)均勻各向同性板結(jié)構(gòu)和桁架格柵夾芯夾層板的等效粘彈性性能進(jìn)行預(yù)測，計(jì)算了不同板結(jié)構(gòu)的等效復(fù)剛度，并與文獻(xiàn)中進(jìn)行對(duì)比，證明該方法對(duì)于板結(jié)構(gòu)粘彈性性能預(yù)測的正確性和有效性。該方法的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在，對(duì)于具有復(fù)雜微結(jié)構(gòu)形式的板結(jié)構(gòu)，新實(shí)現(xiàn)方法能夠同時(shí)使用商業(yè)軟件中的梁、板、實(shí)體等多種單元，大大提高計(jì)算效率。
　　(4

8、)新型負(fù)泊松比材料設(shè)計(jì)及帶隙性質(zhì)分析。負(fù)泊松比材料中的手性材料以及周期性內(nèi)凹六邊形材料常具有很好的帶隙特性。本文提出了一種二維新型負(fù)泊松比材料，其特點(diǎn)是一種含周期性異形孔的低孔隙率材料。利用預(yù)測周期性彈性材料等效性質(zhì)的均勻化新實(shí)現(xiàn)方法，計(jì)算了三種典型低孔隙率材料的等效泊松比，并與基于有限元方法得到的有限尺寸的低孔隙率結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)等效泊松比進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)提出的新型含異形孔的低孔隙率材料具有可調(diào)負(fù)泊松比性質(zhì)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了低孔隙率負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)