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

1、結(jié)構(gòu)振動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現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動能量的耗散以抑制振動和利用彈性波帶隙材料對特定頻段波的阻隔特性實現(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)計材料的微結(jié)構(gòu)以增大阻尼、調(diào)整帶隙頻段以實現(xiàn)對振動的有效隔斷。材料宏觀性質(zhì)對微結(jié)構(gòu)構(gòu)型依賴關(guān)系的建立是實現(xiàn)材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(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)計負(fù)泊松比材料的微結(jié)構(gòu)進而設(shè)計具有帶隙性質(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，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)點的雙層單元技術(shù)。利用新實現(xiàn)方法可以對頻域下顆粒增強復(fù)合材料和纖維增強復(fù)合材料的等效復(fù)模量進行快速預(yù)測，通過損耗模量和存儲模量可以計算出粘彈性材料的阻尼比，與文獻對比，證明該方法對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，利用最小二乘法對頻域下材料的等效復(fù)模量進行曲線擬合，得到時域下的儲存模量'11G隨時間的變化情況。
　　(2)顆粒增強復(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，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。實現(xiàn)對粘彈性板結(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行預(yù)測，計算了不同板結(jié)構(gòu)的等效復(fù)剛度，并與文獻中進行對比，證明該方法對于板結(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)點體現(xiàn)在，對于具有復(fù)雜微結(jié)構(gòu)形式的板結(jié)構(gòu)，新實現(xiàn)方法能夠同時使用商業(yè)軟件中的梁、板、實體等多種單元，大大提高計算效率。
　　(4

8、)新型負(fù)泊松比材料設(shè)計及帶隙性質(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)的均勻化新實現(xiàn)方法，計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)等效泊松比進行對比，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)，通過實驗驗證了低孔隙率負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)