弹性-粘弹性-弹性复合结构的非线性动力学特性及阻尼机理研究

The vibration of thin-walled components has a great influence on the stability of mechanical systems, especially high-speed heavy-load rotor systems. How to reduce the vibration of thin-walled components is a problem that must be solved to ensure the safety of the system. Elastic-viscoelastic-elastic composite (EVEC) structure is an efficient vibration suppression technology which can be applied to a variety of environments. It is particularly suitable for vibration suppression of thin-walled components. The project is presented for the vibration suppression of thin-walled components. The typical EVEC beam / plate structure are used as the research object. The non-linear constitutive relation of the voicoelastic material is introduced into the dynamic model of the EVEC structure and the dimensionality is reduced. A set of models with high precision, high efficiency and reliability is proposed to study its non-linear dynamic characteristics and damping mechanism. The modal analysis and response analysis of the EVEC structure are carried out. The effects of different material parameters, geometric parameters and boundary conditions on the non-linear dynamic properties are investigated. The experimental study of EVEC beam / plate structure is carried out. The theoretical model is validated and the applicability of the shear, compression and composite damping models is determined quantitatively, and the damping mechanism is revealed. The results of the project can provide a more reliable theoretical basis for selection, optimization and design of EVEC structure in engineering.

薄壁构件的振动对机械系统，特别是高速重载转子系统的稳定性有很大影响，如何抑制其振动是保证系统安全工作亟待解决的问题。弹性-粘弹性-弹性复合(Elastic-viscoelastic-elastic composite，以下简称“EVEC”)结构是一种高效的减振技术，特别适用于薄壁构件的振动抑制。本项目面向薄壁构件振动抑制的需求，以典型的EVEC梁/板结构为研究对象，将粘弹性材料随频率和温度变化的非线性本构关系引入到EVEC结构的有限元动力学模型中并进行降阶处理，建立一套高精度、高效率和可靠性好的模型来研究其非线性动力学特性和阻尼机理。对EVEC结构进行模态分析和响应分析，揭示不同的材料参数、几何参数和边界条件对其非线性动力学特性的影响规律，并结合实验对其阻尼机理进行深入研究，在量化上确定剪切、压缩和复合阻尼的适用范围，为其在工程上的选择、优化和设计提供更加可靠的理论依据。

弹性-粘弹性-弹性复合(Elastic-viscoelastic-elastic composite，以下简称“EVEC”)结构既有良好的阻尼性能又有优异的综合力学性能，广泛用于薄壁构件振动抑制。本项目面向薄壁构件振动抑制的需求，以典型的EVEC梁/板结构为研究对象，完成了以下研究工作：(1)提出了粘弹性材料频率依赖本构模型参数确定及引入到复合结构有限元动力学方程中并进行降维处理的方法；(2)分别基于不同的耗能假设，建立了EVEC梁剪切、压缩和复合有限元模型；(3)分别基于经典板理论和层合理论建立了EVEC板结构的28自由度和20自由度模型；(4)对EVEC结构进行模态分析和响应分析，揭示不同的材料参数、几何参数和边界条件对其非线性动力学特性的影响规律；(5)结合理论仿真和实验对其阻尼机理进行深入研究，在量化上确定剪切、压缩和复合阻尼的适用范围，为其在工程上的选择、优化和设计提供更加可靠的理论依据。并在此基础上对后续研究工作进行了一些有益探索。主要包括以下几个方面：（1）以三种不同边界条件下的压电柔性梁为研究对象，基于小变形假设和 Hamilton 原理，建立了其有限元动力学模型，并对其进行了验证，通过数值仿真探究了压电片位置、厚度对控制效果的影响。（2）基于压电材料的层合理论和本构方程建立了压电夹层板结构的主动控制动力学方程并进行了验证。对夹层板结构的参数化研究结果表明应用不同的边界条件和压电贴片的位置对固有频率有很大的影响。（3）对主动约束阻尼梁和板结构进行了有限元建模和振动控制研究。研究表明，控制器的最优反馈增益可以有效地平衡控制影响和控制成本。压电层和粘弹性层越接近固定端，系统控制效果越好，控制成本越小。降阶模型对不同的激励信号具有良好的控制效果。