金属丝多孔材料高频振动能量传播机理及其结构系统响应分析方法

The flexible plate and shell structures of aerospace vehicles will vibrate randomly in high frequency and micro amplitude under the excitation of high speed unstable airflow, causing high/very-high cycle fatigue and noise problems. It exhibits obvious wave propagation properties when the flexible structures vibrate in high frequency. The high frequency stress wave will undergo reflection, transmission and dissipation and attenuate a lot during propagating in the complex inner structures of metal wire porous material. This phenomenon can be utilized for the high frequency vibration reduction. In this project, the metal rubber (MR), a kind of widely used metal wire porous material, are studied to analyze the wave propagation inner the material and on the interface between MR and continuous solid medium. Thus the mechanical model are established about the high frequency vibration power propagation and attenuation in metal wire porous material. Then the MR is applied in high frequency vibration reduction, and the Energy Finite Element Method (EFEM) are modified to simulate the high frequency vibration of flexible structures with MR working as vibration isolation components. Finally, experiments are conducted to verify the accuracy of the mechanical model and the vibration simulation method. Based on the combination of mechanical and experimental investigations, the designing theory and method are established about the high frequency vibration reduction with metal wire porous material.

航空航天飞行器的柔性结构在高速不稳定气流激励下，极易出现具有微振幅特征的高频随机振动，造成高频/超高频疲劳破坏、噪声污染等危害。柔性结构在高频振动时，表现出显著的波传播特征，高频振动波在经过金属丝多孔材料的复杂内部结构时，发生反射、透射、耗散，产生明显衰减，利用该特征可将金属丝多孔材料应用于结构高频振动抑制。本项目以一种广泛应用的金属丝多孔材料——金属橡胶为研究对象，通过试验测得金属橡胶内部组织空间结构，从细观结构出发，研究高频振动波在金属橡胶内部及其与连续固体接触界面处的传播过程，建立高频振动能量在金属橡胶内的传播衰减机理模型。并将其应用于柔性结构高频振动抑制，构建金属橡胶材料的能量单元，建立带有金属橡胶的结构系统高频振动响应能量有限元分析方法。最后，通过试验验证所建立的机理模型和高频振动响应分析方法的精度。理论与试验相结合，建立金属丝多孔材料应用于结构高频随机振动抑制的设计理论与方法。

针对航空航天飞行器结构系统中普遍存在的柔性结构高频振动失效问题，现有振动抑制手段无法有效解决。本项目提出将一种应用广泛的金属丝多孔材料——金属橡胶应用到结构系统高频振动抑制，从高频振动能量在金属橡胶内的传播机理与带有金属橡胶的结构系统高频振动响应分析两个方面开展研究工作，理论与试验相结合，建立金属橡胶应用于结构高频振动抑制的设计理论与方法。. 针对金属橡胶内部组织的高频振动波传播特性，采用CT扫描测试与骨架提取方法建立了金属橡胶边界层和单元体的应力波传播机理模型，基于波有限元法提出了金属橡胶高频振动响应分析方法，得到了设计参数对响应特性的影响规律。针对带有金属橡胶的结构系统的高频振动能量传播机理，采用力学特性等效方法建立了金属橡胶内部组织、金属橡胶与连接固体介质界面以及复杂非保守耦合结构系统的能量有限元模型，揭示了高振振动能量在结构系统中的传播机理，为金属橡胶应用到高频振动响应抑制奠定了理论基础。针对金属橡胶高频隔振性能开展了一系列的试验研究，验证了金属橡胶具备优秀的振动隔离性能以及高频振动传播特性分析方法的准确性。. 本项目首次提出通过细观结构观测方法建立数字化的金属橡胶模型，通过波有限元方法揭示了金属橡胶高频振动能量的传播机理，所提出的振动响应分析方法为金属橡胶应用到结构系统的高频动力特性准确预测提供了理论与数据支撑，从机理与试验两个方面系统性的验证了金属橡胶高频隔振的有效性。本项目圆满完成了项目计划书中的全部内容，达到预期目标。项目研究工作发表文章4篇（均标注本基金项目资助），包括SCI文章3篇、EI文章1篇，并培养博士研究生1人，硕士研究生7人。