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复杂条件下粘弹阻尼材料本构关系研究及阻尼结构的优化设计

林松  
【摘要】: 本文针对ZN-17和ZN-33粘弹阻尼材料在复杂条件(宽温、宽频和宽动态位移)下对其力学变形行为(动力阻尼特性和蠕变特性)进行较系统深入的实验研究和其本构表征研究;对三种阻尼结构(约束阻尼板结构、T型阻尼器结构和复合阻尼结构)进行了优化设计分析,并研制开发阻尼结构优化设计平台软件。 本文的研究内容包括: (1)对ZN-17和ZN-33粘弹阻尼材料进行了宽温、宽频和宽动态位移条件下的动态扫描实验,讨论了温度、频率和动态位移对材料动力阻尼特性的影响。基于动态实验结果,采用非线性最小二乘法,得到了含温度、频率、动态位移三参量的材料损耗因子及储能模量拟合表达式,并通过误差分析确定表达式的有效性。 (2)采用几种经典粘弹性模型—标准机械模型(标准线性固体模型、Burgers模型)和分数导数RT模型对上述两种材料复模量的频率响应曲线的预言能力进行了评估。评估结果表明标准机械模型不能描述材料的动力阻尼特性,分数导数RT模型只能较好地反映材料动力行为的频率特性。基于RT模型,提出了修正的M-RT模型,通过与实验结果的比较表明该模型能同时较好地描述材料在宽温、宽频和宽动态位移下的动力阻尼特性。 (3)对上述两种材料进行了不同温度、不同应力下的蠕变实验。采用经典粘弹性本构模型(标准线性固体模型、Burgers模型)对材料蠕变行为的预言能力进行了评估。预言评估表明:线性粘弹模型可近似描述ZN-33材料在实验工况下蠕变变形特性,但不能描述ZN-17材料的蠕变特性,因为该材料的蠕变应变表现出强的非线性应力相关性。 (4)针对ZN-17材料蠕变行为具有非线性应力相关性的特点,本文既采用了时间-应力等效原理进行等效线性化处理的描述方法,又提出了一个非线性蠕变本构模型。提出的非线性蠕变本构模型,能较全面地描述材料的非线性蠕变特性。 (5)在阻尼结构(约束阻尼板结构、T型阻尼器结构和复合阻尼结构)振动实验的基础上,建立了含参变量的有限元模型,应用NASTRAN程序对结构进行不同几何参数、不同材料参数下的仿真计算。通过非线性拟合,建立了结构谐振频率和结构损耗因子含几何参量、材料参量的拟合表达式。基于灵敏度理论,提出了一套优化设计方法,并成功应用于阻尼结构的优化设计。 (6)对提出的优化设计方法,采用Delphi软件开发了阻尼结构优化设计平台软件,该软件可对三种阻尼结构进行快速、有效地优化设计。


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