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镁合金动力学特性实验研究:阻尼性能与随机振动分析
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更新于2024-07-02
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云计算-镁合金动力学参数特性实验分析及数值计算方法研究,着重于镁合金在航空航天等领域的关键应用。该论文首先概述了镁合金因其轻质、高强度和高刚度特性,尤其是在减震降噪方面的优势,这使得对其动力学参数特性进行深入研究具有重要意义。研究的核心内容包括以下几个方面: 1. 实验方法:论文通过拉伸法和排水法测量了特定型号镁合金的静态参数,如弹性模量、密度和泊松比,同时利用动态热机械分析仪(DMA)研究了阻尼参数如何随工作环境和外部载荷变化。强迫共振法被用来考察材料尺寸对阻尼性能的影响,实验数据与数值模拟结果进行了对比验证。 2. 动力学分析:作者探讨了恒定阻尼与可变阻尼在动力学系统中的区别,提出了基于虚拟激励的随机动力学数值分析方法。这种方法允许阻尼作为时间的函数,通过ABAQUS软件模拟了镁合金工程支座在不同激励条件下的动态响应,如正弦和随机振动,强调了阻尼变化对响应性能的影响。 3. 疲劳性能评估:针对镁合金和铝合金支座的疲劳性能进行了对比研究,结合材料的S-N曲线和随机振动加速度功率谱密度函数(PSD),利用ABAQUS和MSC.Fatigue软件,分析了结构中裂纹起始的可能性以及结构的疲劳寿命预测。 4. 关键词总结:论文的关键词涵盖了镁合金、阻尼性能、随机振动、虚拟激励法以及疲劳性能,表明了研究内容的焦点集中在镁合金材料在复杂工况下的动态行为和耐久性优化。 这项研究不仅提供了镁合金动力学参数的实验证据,还开发了适用于工程实际的数值分析工具,对于提升镁合金在航空航天领域中的应用性能具有实际价值。
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1 绪论
4
合金类阻尼材料的阻尼性能会受到各种因素的影响,比如合金材料的各种
元素的含量、环境温度、热处理方法等。
在元素含量影响的方面,
Sugimoto
[19]
等人探究了镍(
Ni
)元素的添加对于纯
镁阻尼性能的影响,发现在纯镁中添加少量 Ni 之后,合金的阻尼性能相对于纯
镁有所提高,加入
0.1%-0.2%
的
Ni
元素时,对合金的阻尼性能的提高最为有效。
Wan
[20]
等人探究了钙(
Ca
)元素的添加对于镁合金阻尼性能的影响,发现
Ca
元
素的添加会在一定程度上降低镁合金的阻尼性能。Liao
[21]
等人在纯镁中加入硅
元素,发现在高温条件下,硅元素含量的增加可以增加镁合金的阻尼性能。陈
宇
[22]
等人探究了锡(
Sn
)元素含量对于
Mg-Sn
合金的影响,指出了随着
Sn
元素
含量增加,合金阻尼性能有减小的趋势。孔志刚
[23]
等人揭示了锆(Zr)元素含
量对于镁锆合金阻尼性能的影响,合金中的
Zr
含量(质量分数)低于
0.1 %
时,
合金的阻尼性能随着
Zr
元素含量的升高而下降,而当合金的
Zr
含量在
0.1%
~
0.45%之间时,合金的阻尼性能随着 Zr 含量的提高而提高。Jun
[24]
对于 Mg-Zn-Al
多相镁合金中
Zn/Al
不同比例对合金阻尼性能的影响展开了研究,根据其实验
结 果 可 以 发 现 ,
Mg–8%Zn–2%Al
和
Mg–6%Zn–4%Al
的 阻 尼 性 能 优 于
Mg–9%Al–1%Zn 的阻尼性能,这是由于如果 Zn 和 Al 的比例不同则合金中杂
质原子的密度也会不同,参照
G-L
位错理论,合金材料中扎钉点的距离和长度
的差异,将会导致阻尼性能的差异。
在温度变化和热处理方式的方面,林波
[25]
等人使用倒扭摆法等手段研究了
温度和应变振幅对于 M2052 型合金(组分为 Mn-20Cu-5Ni-2Fe)阻尼性能的影
响。胡小石
[26]
等人使用 DMA 探究温度对于 AZ91D 型镁合金阻尼性能的影响,
发现了
AZ91D
镁合金的阻尼性能随温度的升高而提高。马春江
[27]
等人研究了
Mg-Li-Al
合金的力学性能和阻尼性能,发现了
Mg-Li-Al
合金的阻尼性能随着锂
元素含量的提高和温度的提高而明显提升。顾明俊
[28]
等人探究了热处理对
Fe-Cr-Mo
合金阻尼性能的影响,发现水冷后的合金内耗较小,炉冷后的合金内
耗较大。王敬丰
[29]
等人研究了热处理对
Mn-Cu
合金微观组织和阻尼性能的影响。
于文浩
[30]
等人研究了热处理温度和热处理时间对 Mg-6Zn-3Cu-0.6Zr 合金阻尼性
能的影响。Cui
[31]
等人系统研究了退火对预变形镁合金阻尼能力的影响,发现对
预压缩 AZ31 型镁合金进行较短时间的退火处理后,合金的阻尼能力得到了提
升,在经过较长时间退火处理后,其阻尼能力发生了下降。
万方数据
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1 绪论
5
1.3 考虑阻尼因素的结构动力学分析方法
1.3.1
常见阻尼理论模型
目前常见的阻尼理论模型有粘滞阻尼理论、滞变阻尼理论、库伦阻尼理论
[32]
。
(
1
)粘滞阻尼理论
粘滞阻尼理论是目前常见的阻尼理论之一。在粘滞阻尼理论中,阻尼力的
大小和变形速度成正比,也就是
d
F CX
。在粘滞阻尼理论中通常采用阻尼比
表征阻尼的大小。对于单自由度系统其运动方程为:
mx cx kx f t
(1.1)
其中,m、c、k 分别为质量、阻尼系数和刚度,
f t
为外加激振力。
阻尼比被定义为:
0
2
cr
c c
C m
(1.2)
其中,
cr
C
为临界阻尼系数,
0
为系统的固有频率。
依据阻尼比的大小可以将粘滞阻尼系统分为三种情况讨论:
当
1
时,被称为小阻尼,小阻尼系统的自由振动是衰减振动,体系的振
幅会随着时间增加而逐步衰减,直至恢复平衡状态。
当
1
时,被称为临界阻尼,临界阻尼为运动系统不会出现振动现象的最
小的阻尼值。系统在产生扰动之后会返回平衡位置,但不会发生往复运动。
当
1
时,被称为过阻尼,表示运动系统不会出现振动现象,此种情况在
现实情况下很少发生。
由于粘滞阻尼理论在数学处理方面的简便性,目前学术界常常采用粘滞阻
尼来替代实际的微观状态下的阻尼耗能机理。
(
2
)滞变阻尼理论
滞变阻尼理论也被称为复阻尼理论,在粘滞阻尼理论中,动力学系统的阻
尼力与弹性恢复力成反比,与变形速度的方向保持一致。对于单自由度系统,
滞变阻尼理论的阻尼力可以表示为:
d
F i kx
(1.3)
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1 绪论
6
其中,
表示损耗因子,
2
1i
。此模型的单自由度方程为:
1mx k i f t
(1.4)
当此单自由度体系受到频率为
的简谐激励时,一个振动周期的耗能为:
2
0
=πW kX
(1.5)
滞变阻尼理论一般在简谐振动体系内使用。
(
3
)库伦阻尼理论
库伦阻尼理论也被称为干摩擦阻尼理论,库伦阻尼理论的主要内容是:阻
尼力与界面压力成正比关系,其方向与接触面相对运动速度的方向相反。其表
达式如下:
sgn
d N
F F x
(1.6)
其中,
在此处指的是阻尼系数,
N
F
在此处指的是界面压力。
库伦阻尼模型的对应的单自由度系统运动学方程为:
sgnmx x kx f t
(1.7)
此时一个振动周期内消耗的能量为:
0
4W FX
(1.8)
其耗能只与位移和摩擦力有关。
以上各种阻尼模型理论,都有各自的局限性,在应用时需要根据具体情况
选取。
1.3.2 阻尼因素对于动力学响应分析的影响
Liu [33]
等通过对半主动控制系统中阻尼器的力学行为进行研究,提出在实
际应用中分析变化阻尼是一个比较困难的工作。李小军
[34]
等以某核电场结构的
地震响应为例,研究了阻尼矩阵选取对于结构动力学响应的影响,指出了阻尼
参数的选取将会对结构的动力学响应产生较大影响。刘岚
[35]
等探究了考虑阻尼
材料频变特性的附加阻尼结构的动力学分析方法。王元丰
[36]
等探究了材料阻尼
对于钢混框架结构的动力学响应的影响,分析了使用不同类型阻尼的钢混框架
结构的结构动力学响应。孙作玉
[37]
提出了一种变阻尼半主动遗传控制算法。梁
沙河
[38]
等对一种变阻尼粘滞阻尼器在多自由度体系下的减振效果进行了时程分
析。Hyun
[39]
基于实验统计方法探究了生物金属束材阀门的变化阻尼动力学振动
响应问题。
Andre
[40]
等针对小阻尼变分动力学系统求解的一种方法提出了异议,
同时也阐述了阻尼变化问题在动力学系统求解中存在的问题。
Zuo
[41]
解决了风振
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1 绪论
7
中阻尼与结构振型耦合变化的问题,将其作为非线性系统进行分析。
对于动力学响应分析,尤其是在随机工况下服役的高性能材料结构的动力
学响应分析,动力学系统的阻尼变化意味着响应与传统的恒定阻尼的计算结果
会有所不同,会在一定程度上影响结构评估和结构优化设计工作的开展。一般
而言恒定阻尼系统具有线性随机振动的特征,使用现有的求解方法已经较为成
熟,但考虑阻尼变化的系统则转化为非线性随机系统,阻尼变化规律的非线性
可能进一步导致高阶非线性,这将给问题的求解带来较大的困难。
1.4
随机振动的虚拟激励法研究现状
随机振动是指无法使用确定函数描述其运动规律,需要使用概率、统计方
法描述其特征的一种振动(如地震、海浪、喷气噪声等),是结构动力学和概
率论、统计学的交叉学科。关于随机振动的研究最早可追溯到
1905
年
Einstein
对布朗运动开展的研究;在
1958
年美国麻省理工学院举办的一次国际学术会议
中,随机振动的数学理论、随机振动模拟实验、结构处于随机激励下的响应等
问题得到了讨论,这也是随机振动作为一门学科的开端。随后国内外学者对于
随机振动的可靠性、数据处理、实验技术以及工程应用等问题进行了大量的研
究工作
[42-49]
。
其中多自由度结构问题的计算效率一直制约着随机振动学科在实际工程中
的应用,在使用传统的随机振动计算方法
CQC
(
complete quadratic combination
,
完全二次结合)法分析随机振动问题时由于振型的耦合项影响,计算量十分庞
大;而使用
SRSS
(
square root of the sum of squares
,平方和开平方)方法时,由
于忽略振型耦合项,可以在一定程度上提高计算效率,但是计算精度会受到较
大影响,只适用于参振频率稀疏分布,且各阶阻尼比都很小的结构。为了解决
随机振动计算效率和精确度的问题,大连理工大学的林家浩教授
[11]
提出了虚拟激
励法,虚拟激励法是一种对于
CQC
法的改进算法,通过构造虚拟激励把求解平
稳随机振动问题转化为求解简谐振动问题,大大提高了随机动力学响应的计算
效率。随后林家浩教授又运用虚拟激励法分析了非平稳随机振动以及非线性随
机振动问题
[50-53]
。这一系列工作使得随机振动分析在建筑结构抗震、车辆工程、
航空航天工程等工程领域的实际应用取得了突破。
(
1
)建筑结构抗震领域
万方数据
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