2022年2022年金属阻尼性能测试方法的现状与发展_郑成琪 .pdf

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1、第 19 卷第 2 期2004 年 6 月实验力学JOU RNAL OF EXP ERIMEN TAL MECHA N ICSVol. 19N o. 2Jun. 2004文章编号 : 1001-4888( 2004) 02-0248- 09金属阻尼性能测试方法的现状与发展X郑成琪 , 程晓农( 江苏大学 , 镇江 212013)摘要 : 阻尼金属正成为减振降噪的首选方案之一, 而阻尼性能测试结果可比性差已经成为制约高阻尼金属材料发展的一个“瓶颈”问题。由于自由衰减速率, 共振峰宽度和应力-应变相位差都能够反映金属材料的阻尼性能高低, 阻尼测试方法较多。本文论述了表征金属材料阻尼性能的物理量 ,

2、 并分析了由于设备, 测试方法和试验参数不同可能引入的系统误差。介绍了弯曲共振装置 , 扭摆仪和 DMT A 动态热机械分析仪等三种主要测试设备的原理和特点。文中还对测试设备和方法存在的系统误差, 阻尼性能参数之间的换算以及金属材料阻尼性能的综合评价等若干问题进行了探讨 , 并对进一步完善和规范金属阻尼性能测试方法提出了建议。关键词 : 金属材料 ;阻尼性能 ; 测试方法与设备中图分类号 : TB535. 1文献标识码: A振动不仅造成材料或结构的疲劳破坏, 影响机器设备运行的平稳性, 精度 ,灵敏度和寿命 , 而地震造成的灾害更是令人触目惊心。振动产生的噪声, 是最重要的环境污染之一。减少振

3、动和噪声是二十一世纪最重要的科研课题之一。阻尼金属具有力学性能好, 减振能力较高 , 抗振频率范围宽等优点, 可以直接作为结构材料使用, 正成为减振降噪的首选方案之一 1, 2, 11。然而高阻尼金属材料的阻尼性能不仅取决材料本身, 而且与材料的服役条件密切相关, 测试方法、设备和试验参数的不同会导致阻尼性能测试结果存在很大的偏差。影响金属材料阻尼性能的环境因素包括: 应力应变振幅和频率,试样几何尺寸, 静态应力 , 温度, 试样夹持方式 ( 即夹持点的结合面阻尼造成的系统误差) 等等。目前 ,虽然有美国标准ASTM E 756-83, 我国也制定了相关标准 , 但事实上并没有成为科研和生产上

4、严格执行的规范 38, 因此非常有必要对金属材料阻尼性能指标 , 测试方法和设备作一个全面地阐述, 对各种测试方法和设备可能存在问题和系统误差进行评估 , 以利于阻尼性能测试设备和评价指标的标准化 9, 10, 解决阻尼性能测试这一制约高阻尼金属材料研究的“瓶颈” 问题。1阻尼性能的表征1. 1比阻尼能力SDC材料阻尼是指材料耗散外加机械能的能力, 因此可以用振荡系统在一个应力循环内所消耗应变能的百分数来定义阻尼。SDC =$WW( 1)$W 表示一个加载和卸载循环所吸收的能量( 转变成热能 ), W 表示加载时施加的能量。X收稿日期 :2003-05-14;修订日期 : 2003-11-26

5、作者简介 :郑成琪 ( 1971-) , 男, 江苏大学材料学院博士研究生, 目前从事功能材料研究。E-mail: zhengcqujs. edu. cn名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 9 页 - - - - - - - - - 1. 2对数衰减率D和阻尼比F如图 1, 线性阻尼自由振动的振幅满足 2, 12:A = A0e-2PFf nt( 2)其中t表示时间 ,A0表示初始振幅 ,A表示t时刻的振幅 ,F表示阻尼比 ,fn: 共振频率。对 ( 1) 式

6、进行变换可以得到两个表征自由振动振幅衰减速度的物理量: 对数衰减率D和阻尼比FD=2PF = ln( Ai/Ai+ 1) =1nln( A0/ An)( 3)A0是初始应变 ( 或位移 ) 振幅,An是n个周期后的振幅。1. 3品质因子Q 和内耗 Q-1其物理意义是共振峰尖锐( 或平坦 ) 程度的量度。图2 是经过归一化处理的幅频响应曲线 11, 12。Q-1=1Q=fh-fl3 fn( 4)(fh-fl)为共振峰峰高一半处的频带宽度,fn为n阶共振频率 , 通常测试的是一阶共振峰。1. 4复数模量和损耗因子tanU根据材料在远低于系统共振频率的简谐激励作用下的响应来度量阻尼能力, 如图 3

7、所示 4。 在外加正弦波交变应力作用下E (t) =E0sinXt( 5)R ( t) = R0sin( Xt +U) = R0sinXtcos U+R0cosXtsinU( 6)图 3周期性载荷作用下的应力-应变关系Fig. 3Str ess-strain relation as excited by periodical force由 此可见 , 应 力由两 个部分组成: 与应 变同相的, 幅值 为R0cos U用于 弹性 形变 ; 与 应变 相差P/2的, 幅值为 R0sinU , 是用于克服内摩擦阻力的。于是有两种不同意义的模量E =R0E0cosU( 7)E =R0E0sinU( 8

8、)E 称为储能模量 ,E称为耗能模量。损耗因子tanU=EE( 9)1. 5派生出的阻尼参数由于高阻尼金属的阻尼特性随测试应力的不同而变化,为了提高阻尼测试结果的可比性, 于是提出两个新的阻尼性能参数: Loss Index 2, 13和 Intrinsic damping capacity 2 , 14( 本征阻尼 ) 。Loss Index 的物理意义是 ,表面应力振幅为拉伸屈服强度( 定义为 0. 2% 应变对应的应力) 的十分之一时测定的SDC。 但是当试样尺寸变化或变形模式不同时,即使表面应变或应力振幅相同, 由于内应力不同, 所测的Loss In-249第 2 期郑成琪等: 金属阻

9、尼 性能测试方法的现状与发展名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 9 页 - - - - - - - - - dex 之间仍然没有可比性。为了得到一个与试样尺寸及变形模式等外在因素完全无关, 仅仅表示材料内部性质的物理量, 人们提出了Intrinsic damping capacity( 本征阻尼 ) , 其物理意义是, 根据被测试样内部的实际应力 / 应变分布 , 计算出一个内耗与应变关系的函数Q-1( E ), 而依据该函数就可以求出各种实际受力状态下试样或

10、零件的阻尼, 称 Q-1(E) 为本征阻尼。 笔者以为本征阻尼的概念并不完善, 实际上也没有得到推广应用 , 因为阻尼不仅与应变相关而且与应变速率和温度有关。一般情况下 , 金属材料的阻尼性能与力学性能成反比, 高阻尼功能结构材料要求既有较高阻尼性能( 比阻尼能力SDC)又有良好的力学性能( 抗拉强度 Rb) ,因此 , 有人引入综合性能指标A直观地反映出材料力学和阻尼两方面综合性能的优劣。A= SDC Rb( 10)2阻尼性能参数及测试原理按照加载方式可以分为 14, 15: 次共振法 , 共振法和波传播法( 一般不常用 ) 。2. 1次共振法施加一个频率远低于被测量系统共振频率且振幅恒定的

11、交变载荷, 此时被测量系统响应( 即应变 )的频率与外加载荷( 即应力 ) 的频率相同但落后一个相位角(U), 试样的内耗值按照式( 9)计算。该方法的优点是应力恒定 , 有利于研究阻尼与振幅和频率的关系, 缺点是测量频率不能过高。2. 2共振法要求外加频率约等于被测量系统共振频率, 所以称之为共振法。优点是测试精度较高, 但是只有改变试样尺寸才能改变共振频率, 因此不利于研究阻尼与频率的关系。此时有三种不同的测量方法。1) 自由衰减法自由衰减法所依据的原理是, 在撤去外加交变应力而让系统以共振频率自由振动时, 系统的振动将由于机械能量的损耗而衰减。通过测量振幅时域信号, 按照式 (2) 就可

12、以求出对数衰减率。该方法测量装置简单 ,精度较高 , 但是测量的阻尼值必须在能够产生驻波的范围以内, 对于小阻尼的测量, 由于衰减波的衰减时间长 , 可得到精确的测量值 11。缺点是在同一装置上变化频率较不容易,另外高阶振动对测试精度有较大影响, 有人 14利用快速Fourier 变换 , 将时域信号转换成频域信号, 然后用共振峰宽来计算阻尼以提高测试精度。用滤波器过滤掉高阶振动是另一选择。2) 功率补偿法功率补偿法的原理是, 撤去外加交变应力使系统处于自由振动状态以后, 每一个振动周期施加一次恰到好处的外力 , 以补偿衰减的能量使试样振幅维持恒定。这样, 外力在一个周期内所做的功正好是衰减的

13、能量 $W, 设试样振幅对应的振动能为W, 按照式 ( 1)计算 SDC。这种方法可以比较方便地研究阻尼与振幅的关系。3) 共振波形法共振波形法所依据的原理是, 在外加交变应力的频率与系统的共振频率相等时,系统的振动振幅最大, 而当外加应力的频率偏离系统的共振频率时, 系统的振动振幅减小。 因此 , 当把系统振动振幅作为外加频率的函数时, 在共振频率处将出现一个共振峰, 此共振峰的半宽度与内耗或阻尼本领成正比, 按照式( 4)计算。该方法测量精度很高,缺点是不利于研究阻尼与振幅的关系。除了上述常用阻尼性能测试方法,还有动态拉伸法, 模态法 , 复刚度法 7等。另外 ,按照试验夹持方式可分为 :

14、单悬臂、双悬臂、三点弯曲等。按照试样振动模式可分为: 扭振、 弯曲振动、轴向振动等。3阻尼性能测试设备3. 1弯曲共振装置弯曲共振装置主要包括悬臂梁共振装置 2, 4, 16, 17和自由梁共振装置 2, 8, 9, 12, 在金属材料阻尼性能测试中经常被采用。自由梁共振测试系统如图4, 主要包括试样夹持系统, 激励系统和接收系统三部分, 由信号发生器激励电磁换能器对试样施加简谐激振力, 然后由检测传感器拾振, 经信号放大器送入记录和250实验力学( 2004 年) 第 19 卷名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名

15、师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 9 页 - - - - - - - - - 分析仪器进行数据处理, 计算阻尼性能指标。 激励换能器和检测换能器一般采用非接触式速度型电磁换能器 , 当 Q-1 0. 1 时, 振幅较小时也可以使用电容型位移换能器。悬臂梁共振装置的系统误差主要来源于试样与基座的结合面阻尼 17, 为减小结合面附加阻尼, 可以根据试样刚度调整夹持力或改进试样形状 14, 17。从理论上说 , 自由梁弯曲共振装置可以基本上消除外加因素干扰, 具有很高的测试精度。自由梁试样夹持方式和振动模式 12如图 5 所示。两个端点的振动同相, 而且与中点的振动正好反相。一

16、般情况 a= 6mm。试样长度与试样厚度之比越大, 同样的输入信号,激发的输出振幅越大, 因此试样长度的选择一般可根据试样重量和厚度(直径 )来确定。 但是在实际使用过程中仍存在一些问题 9, 27, 黎大志认为自由梁的安装很不容易, 很可能产生较大的附加阻尼, 在他的试验中 , 自由梁的测试结果甚至比悬臂梁高出数倍。其主要原因是试样的平行度,表面粗糙度甚至内部缺陷都会使节点位置发生偏移。3. 2扭摆仪扭摆仪 6, 18, 19, 28由我国科学家葛庭燧发明, 最初主要应用于通过测定各类固体材料机械振动能吸收谱, 研究固体结构相变和缺陷弛豫运动的内部形成机制和变化规律, 并且取得了丰硕的成果

17、19。高阻尼金属材料的研究兴起以后, 扭摆仪成为国内测量金属材料阻尼特性的主要手段 20, 21。图 6扭摆仪原理图Fig. 6Schematic diagram of tor sion pendulum扭摆仪的结构如图6 所示, 主要工作部分由样品、 夹头和惯性体(平衡杆加平衡锤) 组成 , 试样的一端夹具固定 , 另一端通过夹具与能够自由转动的惯性体相连。施加外力使惯性体扭转一个角度时, 释放外力后 ,由于试样的弹性回复力使惯性体开始按一定周期作扭转自由振动。由于试样内部的内摩擦作用, 振动受到阻尼衰减, 振幅随时间延长而减小, 由振幅、频率测量装置测出振幅变化及振动周期T。 由于试验是在

18、真空中进行的, 所以振幅的衰减是试样的力学损耗所致。 根据 ( 3) 式计算出振幅的对数衰减率 D, 再由 (11) 和( 12) 式计算试样的动态剪切模量G =IK T2(4P2-D2)( 11)G =4PI DK T2( 12)式中 , G 为储能剪切模量, G 为耗能剪切模量。I 为振动体系的转动惯量; K 为试样几何尺寸决定的常数;T为振动周期。由于对数衰减率很少超过1,G 可近似用下式计算G =4P2IK T2( 13)251第 2 期郑成琪等: 金属阻尼 性能测试方法的现状与发展名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - -

19、 - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 9 页 - - - - - - - - - 将式 ( 17) 和式( 16) 相除可得损耗因子tanUtanU=GG=DP( 14)扭摆仪的特点是, 结构比 DM TA 简单 , 测试方法多样 , 可以按照自由衰减法和强迫次共振法进行测量, 但是由于扭摆仪的工作部分增加了一个惯性体, 所以关于扭摆仪的测试精度问题引发了诸多讨论。朱贤方 29等曾经从理论上推导出自由衰减法测量线性内耗的准确公式, 但是没有区分试样内耗和振动系统内耗。 水嘉鹏 30, 31和李晓光 32等都肯定 : 无论在自由衰减法还是强迫次共振法测量模式下, 测

20、试结果反映的都是振动系统的内耗值, 而不是试样的内耗值。 李晓光探讨了自由衰减模式下振动系统内耗与试样内耗的关系 , 并且给出了计算公式。水嘉鹏根据试样的力学模型, 推导出在强迫次共振模式下试样内耗与系统内耗之间的关系公式, 而实际上试验之前确定试样的力学模型和力学性质是比较困难的, 但是当测量频率远小于振动系统的共振频率和试样的内耗很小时, 振动系统的内耗值可以近似等于试样的内耗值。水嘉鹏认为在自由衰减模式,不能得到试样内耗与系统内耗关系的表达式, 这与李晓光的观点相左。孙宗琦 33等还提出了用自由衰减法测非线性内耗的计算方法, 并且认为扭摆仪上使用强迫次共振法不适于测量低内耗试样。总之,扭

21、摆仪的测试精度问题需要更充分的试验结果来论证。3. 3DM TA 动态热机械分析仪DM TA 动态热机械分析仪( 或 DMA , 动态机械分析仪) 是强迫次共振型动态力学性能测量仪器, 主要用于研究高分子材料的动态力学行为 22, 23, 也有人用于金属, 如: 美国密苏里大学 5,日本国立材料研究所 3, 24, 上海交通大学 25, 东南大学等。图 7动态热机械分析仪示意图Fig. 7Schematic diagram for dynamicmechanical thermal analyzers图 7 是DMT A的示意图 34, 22, 试样两端经过夹具、连杆分别与驱动器、 应力传感器

22、和位移检测器相连接, 试样在恒定的预张力下由驱动器施加一固定频率的正弦伸缩振动,应力传感器和位移传感器分别检测到同样振动频率的正弦应力和正弦应变信号( 如图 3) ,经过信号处理器的比较得出应变滞后于应力的相位差角U, 根据式 ( 7)(9) 计算出储能弹性 模 量E , 耗 能 弹 性 模 量E 和 损 耗 因 子tanU 。DM TA 的最大优点是有多种形变模式可供选择, 包括拉伸 , 压缩 , 剪切 , 单/ 双悬臂梁和三点弯曲等, 可以根据被测材料的弹性模量和试样形式灵活选择, 适用于金属材料的主要是单/ 双悬臂梁和三点弯曲模式。由于应力应变相位差角U是实测量 , 总体而言试验重复性较

23、好, 但是由于影响动态力学试验结果的因素很多 , 如形变模式、振动频率、波形、应变水平、静/ 动载荷之比、温度、 升/ 降温方式与速率、 试样尺寸、夹持力大小以及被测材料本身的性能等, 如此多的因素组合在一起, 很难从理论上对不同模式不同条件下的试验结果进行换算。实际上任何一种测试方法都存在上述问题,DMTA的优势在于其作为一种相对较为成熟的商品化测试设备,有较好的配套软件可以进行复杂的校正运算, 使测试值尽可能接近真实值。4存在的问题及研究展望4. 1DM TA 用于金属材料性能测试的规范问题目前大多数实验室仍然用自行研制的设备进行金属阻尼性能测试, 上海交通大学和华侨大学虽然曾经出售过极少

24、量的扭摆仪,但是远远没有达到商品化程度, 而且现在已经停产。 这与 20 世纪五六十年代高聚物动态力学性能测试状况相似, 七十年代以后随着美国杜邦公司和流变公司等推出一系列商业化 DM TA 测试仪器以及相关ISO 和 AST M 测试标准的出台, 高聚物的动态力学性能测试获得了飞速发展 , 现在已经成为高聚物研究最重要的测试手段之一。由高聚物动态力学性能测试技术的发展, 我们252实验力学( 2004 年) 第 19 卷名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 9

25、 页 - - - - - - - - - 可以预见选择商品化仪器也是金属阻尼性能测试技术发展的必然趋势。虽然目前 DMT A 的设计仍主要面向 高聚 物及其 复合材 料, 但 是其适 用的模 量范围 已经达 到 1000GPa, 最 大动载 荷甚至 可以达 到2500kN 35, 完全能够适应金属阻尼性能测试要求, 而 DMT A 功能强大的附带软件对分析金属阻尼特性会带来极大的方便, 这是自制设备难以做到的。近些年美国密苏里大学 5, 日本国立材料研究所 3, 24, 上海交通大学 25等研究单位已经将DM TA用于金属阻尼性能测试。93 年颁布实施的GB/T13665- 92 包括扭摆法和

26、弯曲共振法, 唯独没有强迫次共振法, 虽然该标准对规范金属阻尼测试起到了一定的积极作用, 但是由于缺乏商品化设备实际并没有起到很好的规范作用,笔者认为 : 以DMT A作为标准设备建立金属阻尼性能测试的强迫次共振法标准是推动阻尼测试规范化的重要手段。4. 2阻尼性能参数的换算问题阻尼性能测试的特点是不同的测试方法采用不同的性能参数, 所以阻尼性能参数之间的换算是一个重要的基础问题, 当阻尼较小时Q- 1= 1/ Q =2F=DP=tanU=SDC2P( 15)但是 , 当阻尼较大时 ( Q-1 10- 2) 则有两种观点: 一种见于国外文献, 精确表达式为 14Q-1=DP1 -D2P+( 1

27、6)根据式 (16) , 当 Q- 1= 10-2时, (15) 式的误差约0. 5% ,当 Q- 1= 10-1时 , ( 15) 式的误差 5% 左右。另一观点由朱贤方 29和水嘉鹏 31等提出Q-1=12P(1 -e2D)( 17)根据 (17) 式, 当 Q- 1= 510-3时 , (15) 式的误差达到1% , 当 Q- 1= 10-1时, ( 15) 式的误差在50% 以上。两种论点在这一基础问题上存在这么大的偏差, 迫切需要澄清。4. 3测试精度问题由于阻尼性能测试在很多应用领域是利用其相对性而非绝对值( 如高聚物玻璃化转变温度测量和内耗研究 ) , 在这一类研究中, 阻尼性能

28、绝对值已退居次要地位,ASTM动态力学试验标准方法 36在首章就说明 : “ 由于可能的仪器柔度, 所产生的数据旨在表示相对的而非绝对的性能”, 但是对高阻尼金属材料的研究而言 , 无疑更重视绝对值, 然而迄今关于金属材料阻尼测试精度问题的文献报导很少。影响阻尼测试精度的主要因素包括三个方面:试样尺寸 , 试验参数和设备误差。上文定性分析了测试设备误差, 实际上与设备误差相比, 合适的试样和合理的试验参数对试验结果的影响更不容忽视。金属材料的性能特点是大模量和小阻尼,为了准确测量应变, 理论上应该用长而薄的试样,但是试样越薄 , 夹持误差越大。另外不同金属材料的弹性模量差别很大, 铝合金E70

29、GPa, 钢材E200GPa,模量对测试结果的影响也有进一步探讨的必要。4. 4阻尼测试结果分析问题由于金属材料阻尼与温度、应变振幅和频率密切相关, 即使是同一材料在不同的测试条件下, 阻尼测试结果甚至可以相差一到两个数量级,为了提高试验数据的可比性, 一方面要求阻尼测量结果应该提供详细的测试条件数据, 而不应该仅仅说明试验装置参数; 另一方面为全面评价材料的阻尼性能并且根据服役条件合理选用阻尼金属, 应该提供阻尼参数的温度谱, 频率谱和振幅谱。优良的阻尼性能可以定性地描述为宽温域、 宽频带和高阻尼。值得一提的是 , 在对阻尼测试数据进行分析的时候, 应该把面向工程应用的阻尼研究与理论性的内耗

30、研究区别开来。内耗研究的目标是揭示固体结构相变和缺陷驰豫运动规律,内耗谱是研究手段, 而阻尼研究的目标就是提高材料的阻尼性能(内耗 ) , 研究驰豫运动规律是为了提出改进阻尼性能的措施。以晶界阻尼的为例来说明二者的区别, 以低频内耗 - 温度谱研究研究晶界驰豫运动规律是固体内耗研究的重要内容 , 但是晶界阻尼在通常的工程应用条件下并不能很好地用于减振, 因为晶界阻尼出现在低频( 约 1Hz) 高温 (约 0. 5Tmelt) , 不符合工程服役条件, 而晶界阻尼显然也不作为提高工程材料阻尼的措施,因而不属于阻尼材料研究的主要内容。研究金属材料阻尼应该更关注室温附近的阻尼性能, 研究重点不253

31、第 2 期郑成琪等: 金属阻尼 性能测试方法的现状与发展名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 9 页 - - - - - - - - - 应该是高温内耗峰。5结语总之 ,阻尼性能测试是发展高阻尼金属材料的关键技术。由于高阻尼金属材料的研究是一门相对较为年轻的学科 , 而影响阻尼这一动态力学性能参数的因素又很多, 阻尼测试结果的可比性差的问题迄今仍然没有得到很好解决。本文综述了金属阻尼性能测试的原理和设备, 对存在的问题进行了探讨并提出了作者的观点。参考文献 :

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