泡沫铝填充钢管构件阻尼性能的试验研究

泡 沫 铝 填 充 钢 管 构 件 阻 尼 性 能 的 试 验 研 究 3邵 国 鑫 1 , 屠 永 清 1 , 沈 洪 2(11 北 京 航 空 航 天 大 学 , 北 京 100083 ; 21 北 京 城 建 设 计 研 究 总 院 , 北 京 100037)摘 要 : 针 对 泡 沫 铝 填 充 钢 管 试 件 ,采 用 锤 击 试 验 法 进 行 模 态 参 数 识 别 ,得 出 试 件 的 前 4 阶 模 态阻 尼 比 ,采 用 最 小 二 乘 法 确 定 构 件 的 比 例 阻 尼 系 数 ,与 空 钢 管 试 件 对 比 ,填 充 泡 沫 铝 的 钢 管 试 件 在 模态 阻 尼 比 和 比 例 阻 尼 系 数 上 都 有 显 著 的 提 高 。 其 中 ,填 充 开 孔 泡 沫 铝 的 钢 管 试 件 提 高 最 为 明 显 。关 键 词 : 泡 沫 铝 ; 参 数 识 别 ; 阻 尼 比 ; 比 例 阻 尼 系 数中 图 分 类 号 : 文 献 标 志 码 : A 文 章 编 号 :100320794 (2008) 0220049204 . 00083 ,2. 00037 ,of of of of by of of of of 引 言泡 沫 铝 是 近 年 来 发 展 起 来 的 一 种 新 型 功 能 材料 ,按 结 构 特 点 可 分 为 :具 有 开 孔 结 构 的 称 为 多 孔铝 ,具 有 闭 孔 结 构 的 称 为 胞 状 铝 。 泡 沫 铝 材 料 宏 观多 孔 ,组 织 极 不 均 匀 ,压 缩 应 力 - 应 变 曲 线 包 含 一 个很 长 的 平 稳 段 。 研 究 表 明 由 于 多 孔 效 应 的 作 用 ,泡沫 铝 具 有 比 其 基 体 材 料 本 身 高 得 多 的 阻 尼 性 能 ,是一 种 具 有 高 能 量 吸 收 特 征 的 轻 质 高 阻 尼 材 料 ,3 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 (50578005)因 而 在 减 振 方 面 具 有 重 要 的 应 用 潜 力 。 泡 沫 铝 的 阻尼 机 制 是 其 缺 陷 的 综 合 效 应 ,缺 陷 阻 尼 是 主 要 的 阻尼 机 制 。为 了 克 服 目 前 钢 管 结 构 阻 尼 较 低 、 吸 能 性 差 和易 屈 曲 的 缺 点 ,本 文 对 一 种 新 型 钢 管 组 合 结 构 构 件 泡 沫 铝 填 充 钢 管 构 件 的 阻 尼 性 能 进 行 了 试 验 研究 ,并 讨 论 了 阻 尼 参 数 随 钢 管 含 钢 率 和 填 充 材 料 的材 质 等 因 素 的 变 化 规 律 。1 模 态 参 数 识 别 方 法模 态 参 数 识 别 是 一 种 参 数 识 别 的 方 法 , 可 以 识网 络 预 测 控 制 器 的 最 优 控 制 向 量u 3 ( k) = u 3 ( k - 1) + 1,0 , ,0 u 3 ( k)5 系 统 仿 真采 用 系 统 进 行 仿 真 ,具 体 方 法 是 先 用 制 器 跟 踪 机 器 人 运 动 轨 迹 ,同 时 采 集 机 器 人运 动 方 程 的 数 据 ,训 练 神 经 网 络 ,一 旦 训 练 好 小 波 神经 网 络 即 用 神 经 网 络 预 测 控 制 器 代 替 制 器 。仿 真 结 果 表 明 ,系 统 可 以 准 确 跟 踪 机 器 人 运 动 轨 迹 ,具 有 较 强 的 容 错 能 力 ,可 以 达 到 满 意 的 效 果 。参 考 文 献 :1 , et of 94. 1994 (2) : 1 391 - 1 396.2 u , u. a J . 2002(39) :73 - 76.3 石 玉 秋 ,孙 炜 ,孙 洪 琳 . 基 于 小 波 神 经 网 络 的 机 器 人 视 觉 伺 服 系统 研 究 J 算 机 信 息 ,2007 ,23(7 - 2) :214 - 216.4 日 大 熊 繁 . 机 器 人 控 制 M 英 ,译 . 北 京 :科 学 出 版 社 ,2002.5 王 耀 南 . 机 器 人 智 能 控 制 M :科 学 出 版 社 , 简 介 : 从 兰 美 (1968 - ) ,女 ,山 东 临 沂 人 ,临 沂 师 范 学 院 副教 授 ,硕 士 ,主 要 研 究 方 向 为 智 能 控 制 ,电 话 : 0539 - 3022328 , 电 子信 箱 : 126. 日 期 :200720822594第 29 卷 第 2 期2008 年 2 月 煤 矿 机 械 2008别 出 结 构 的 固 有 频 率 、 振 型 和 阻 尼 比 等 参 数 。 结 构模 态 试 验 是 通 过 某 种 激 励 方 法 ,使 结 构 产 生 振 动 ,提取 激 励 输 入 和 结 构 响 应 输 出 的 时 域 或 频 域 数 据 ,用这 些 数 据 作 为 信 息 载 体 识 别 结 构 的 固 有 动 态 特 性 。测 量 数 据 最 常 见 的 是 频 率 响 应 函 数 ( ,经 过 参数 识 别 获 得 模 态 参 数 ,是 模 态 参 数 识 别 方 法 中 成 熟的 频 域 识 别 方 法 。本 文 研 究 的 构 件 由 2 种 材 料 组 合 而 成 ,属 于 无限 自 由 度 体 系 。 由 于 工 程 中 主 要 关 注 低 频 特 性 ,故研 究 时 可 简 化 为 多 自 由 度 体 系 ,试 验 中 仅 识 别 其 前4 阶 模 态 参 数 。多 自 由 度 系 统 的 振 动 方 程 M X + C X + K X = P (1)式 中 M 质 量 矩 阵 ; C 阻 尼 矩 阵 ; K 刚 度 矩 阵 ; X 位 移 向 量 ; X 速 度 向 量 ; X 加 速 度 向 量 ; P 外 载 荷 向 量 。通 过 模 态 变 换 ,可 以 得 到 频 率 响 应 函 数 与 模 态参 数 之 间 的 关 系 = 1 k )+ 3k ) (2) k = k + j 3) k = - k j - 2k (4)式 中 响 应 (或 输 出 ) 自 由 度 i 对 参 考(或 输 入 ) 自 由 度 j 的 频 率 响 应 函数 ;N 在 关 心 的 频 段 内 对 结 构 动 态 响 应有 贡 献 的 振 动 模 态 的 阶 数 ; 第 k 阶 模 态 的 残 余 值 ;3 表 示 共 轭 复 数 ; k 第 k 阶 模 态 的 极 值 ; k 第 k 阶 模 态 的 阻 尼 系 数 ; 第 k 阶 模 态 的 阻 尼 自 然 频 率 ; 第 k 阶 模 态 的 无 阻 尼 自 然 频 率 ; k 第 k 阶 模 态 的 阻 尼 比 。残 余 值 可 以 分 解 为 3 项 的 乘 积 5)式 中 第 k 阶 模 态 响 应 自 由 度 i 的 振 型 系 数 ; 第 k 阶 模 态 参 考 自 由 度 j 振 型 系 数 ; 模 态 振 型 的 缩 放 比 例 常 数 。模 态 振 型 是 实 数 时 12 )式 中 第 k 阶 模 态 的 模 态 质 量 。2 比 例 阻 尼 系 数 的 确 定阻 尼 的 机 理 非 常 复 杂 ,它 既 包 括 结 构 本 身 的 阻尼 ,又 包 括 周 围 介 质 与 结 构 的 相 互 作 用 ,还 与 介 质 的黏 性 、 结 构 的 黏 性 、 内 摩 擦 损 耗 等 有 关 。 通 常 ,式 (1) 中结 构 阻 尼 矩 阵 C 不 能 像 质 量 矩 阵 M 和 刚 度 矩 阵 K 那 样 可 由 单 元 体 的 阻 尼 矩 阵 形 成 。 由 于 阻 尼 通 常比 惯 性 与 刚 度 的 影 响 小 ,所 以 简 化 近 似 表 示 C 也 是合 理 的 。 常 采 用 例 阻 尼 矩 阵 表 示 C = M + K (7)式 中 、 比 例 阻 尼 系 数 。目 前 确 定 尼 比 例 系 数 的 方 法 主 要 有3 种 :(1) 由 对 应 于 2 个 不 等 振 动 频 率 的 给 定 阻 尼 比来 确 定 ,即 =2 i j - 2i j - i i j (8)(2) 由 试 验 确 定 前 q 阶 的 频 率 和 阻 尼 比 ,任 选 2阶 按 式 (8) 可 得 到 一 组 和 ,这 样 可 得 到 q ( q 2 组 和 ,将 所 有 得 到 的 和 取 平 均 作 为 结 构动 力 响 应 的 相 应 数 值 。(3) 根 据 文 献 5 ,由 最 小 二 乘 法 (未 考 虑 权 值的 影 响 ,按 相 等 权 值 ) 导 出 的 公 式 确 定 比 例 阻 尼 系数 ,即 =2 1( i ) 1 2i - n 1( i i ) 1(1i ) 1 2i - 2 1(1i ) 1 i i - n 1( i ) 1(1i ) 1 2i - )3 试 验 概 述3. 1 试 件 激 励 方 式 的 选 取非 固 定 式 激 励 系 统 最 重 要 的 优 点 : (1)不 给 结 构附 加 任 何 质 量 ,不 会 影 响 动 力 特 性 ; (2) 设 置 使 用 简便 。 最 常 见 的 就 是 力 锤 激 励 法 。 对 于 采 用 悬 挂 方 式模 拟 自 由 状 态 的 小 型 试 件 进 行 模 态 参 数 识 别 ,采 取单 点 拾 振 、 多 点 移 步 激 励 的 锤 击 试 验 法 最 适 合 ,结 果完 全 满 足 需 要 。3. 2 试 验 仪 器 设 备江 苏 联 能 电 子 技 术 有 限 公 司 (生 产的 冲 击 锤 和 传 感 器 , 比 利 时 生 产05 泡 沫 铝 填 充 钢 管 构 件 阻 尼 性 能 的 试 验 研 究 邵 国 鑫 ,等 第 29 卷 第 2 期 的 全 数 字 化 振 动 控 制 系 统 、 分 析 软 件 通 道 数 据 采 集 器 图 1) 。图 1 试 验 示 意 图11 力 锤 21 加 速 度 传 感 器3. 3 试 验 构 件 的 尺 寸 及 材 料试 验 构 件 钢 管 采 用 牌 号 为 接 方 钢 管 。构 件 长 度 均 为 480 截 面 边 长 为 30 钢 管 壁 厚为 112 214 材 性 试 验 数 据 见 表 1。表 1 钢 管 材 性 数 据钢 管 壁 厚 性 模 量 松 比 密 度 31. 2 220 000 0. 3 7. 852. 4 220 000 0. 3 7. 85方 钢 管 内 部 填 充 3 种 泡 沫 铝 材 料 ,分 别 为 2 种 闭孔 泡 沫 铝 硅 合 金 和 1 种 开 孔 泡 沫 纯 铝 。 为 了 与 纯 钢管 试 件 对 比 分 析 ,还 有 一 组 空 钢 管 试 件 。 试 件 共 8根 ,编 号 详 见 表 2。 填 充 材 料 的 材 料 特 性 参 数 见 表 3。泡 沫 铝 材 料 填 充 过 程 均 采 取 成 品 泡 沫 铝 经 线 切 割 加工 后 ,用 橡 胶 锤 轻 轻 敲 击 紧 密 填 入 方 钢 管 的 方 式 。表 2 各 试 件 的 前 4 阶 模 态 阻 尼 比 及 固 有 频 率试 验编 号钢 管 内 部填 充 材 料钢 管 壁 厚 阶固 有 频 率 尼 比 P%第 2 阶固 有 频 率 尼 比 P%第 3 阶固 有 频 率 尼 比 P%第 4 阶固 有 频 率 尼 比 P% 孔 1 1. 2 755. 68 0. 99 1 919. 04 0. 45 3 132. 72 1. 55 3 445. 35 1. 46 孔 1 2. 4 784. 44 1. 28 1 966. 95 3. 61 2 335. 34 0. 43 3 879. 71 0. 33 孔 2 1. 2 730. 01 1. 15 2 181. 03 0. 49 2 968. 98 2. 20 3 601. 12 1. 11 孔 2 2. 4 828. 64 1. 34 2 174. 05 1. 46 3 974. 28 0. 76 5 505. 6 1. 42 孔 1. 2 812. 79 3. 97 2 028. 57 3. 11 2 634. 06 1. 47 3 132. 93 1. 40 孔 2. 4 810. 06 2. 65 2 165. 17 2. 30 2 777. 90 1. 16 3 029. 47 1. 77 钢 管 1. 2 850. 71 0. 41 2 144. 51 0. 43 2 723. 59 0. 55 3 392. 14 0. 51 钢 管 2. 4 854. 78 0. 41 2 212. 53 0. 35 4 037. 51 0. 61 5 515. 02 0. 52表 3 泡 沫 铝 材 料 特 性 参 数填 充材 料 名 称 生 产 厂 家 发 泡 方 法密 度 3相 对密 度 孔 隙 率平 均 孔 径泡 沫 铝 硅合 金 1合 肥 中 科 院物 理 研 究 所 熔 体 发 泡 法 0. 48 0. 18 0. 82 2 3闭 孔泡 沫 铝 硅合 金 2沈 阳 东 大 先 进 材 料发 展 有 限 公 司 熔 体 发 泡 法 0. 66 0. 24 0. 76 3 4开 孔泡 沫 铝合 肥 中 科 院物 理 研 究 所 渗 流 铸 造 法 0. 90 0. 33 0. 67 1 23. 4 施 加 激 励 时 边 界 条 件 的 说 明由 于 构 件 在 y、 z 方 向 (截 面 ) 尺 寸 和 x 方 向 (沿构 件 轴 向 方 向 )相 差 较 大 ,可 以 简 化 为 杆 件 ,所 以 只在 x 方 向 顺 序 布 置 若 干 敲 击 点 。 构 件 两 端 采 用 橡皮 筋 悬 挂 方 式 ,近 似 模 拟 水 平 方 向 自 由 ,锤 击 方 向 为水 平 方 向 。4 试 验 数 据 结 果 及 分 析4. 1 各 试 件 的 固 有 频 率 及 其 对 应 模 态 阻 尼 比通 过 表 2 可 以 看 出 :3 种 泡 沫 铝 填 充 方 钢 管 试件 第 1 阶 固 有 频 率 ,相 对 于 空 钢 管 试 件 均 有 不 同 程度 降 低 ;第 1 阶 阻 尼 比 均 有 不 同 程 度 的 提 高 ,其 中 最小 增 幅 141. 5 % (试 件 ,最 大 增 幅 868. 3 % (试 件。 开 孔 泡 沫 铝 填 充 钢 管 试 件 相 对 于 空 钢 管 试 件 ,各 阶 阻 尼 比 增 幅 均 十 分 显 著 。4. 2 比 例 阻 尼 系 数根 据 式 (9)确 定 比 例 阻 尼 系 数 和 值 ,见 表 4。表 4 比 例 阻 尼 系 数 和 试 验编 号比 例 阻 尼系 数 比 空 钢 管试 件 提 高 P%比 例 阻 尼 系 数 P( E - 6)比 空 钢 管试 件 提 高 P%. 62 73. 8 7. 54 160. 67. 88 388. 3 3. 85 89. 71. 99 141. 7 7. 42 156. 71. 61 278. 5 4. 19 106. 45. 47 1 220. 0 4. 37 51. 29. 89 598. 6 6. 95 242. 4. 96 - 2. 89 . 71 - 2. 03 表 4 可 以 看 出 :(1)闭 孔 泡 沫 铝 硅 合 金 1、 2 和 开 孔 泡 沫 铝 填 充钢 管 试 件 ,相 对 于 空 方 钢 管 试 件 ,比 例 阻 尼 系 数 值 有 相 当 大 的 提 高 ,其 中 最 小 提 高 了 73. 8 % (试 件,最 大 提 高 了 1 220. 0 %(试 件 ; 值 也 有 相 当大 的 提 高 ,其 中 最 小 提 高 了 51. 2 % (试 件 ,最 大提 高 了 242. 4 %(试 件 。 可 见 开 孔 泡 沫 铝 填 充 的钢 管 试 件 ,比 例 阻 尼 系 数 提 高 程 度 最 大 ,这 点 与 泡 沫铝 中 开 孔 泡 沫 铝 阻 尼 系 数 大 于 闭 孔 泡 沫 铝 阻 尼 系 数15第 29 卷 第 2 期 泡 沫 铝 填 充 钢 管 构 件 阻 尼 性 能 的 试 验 研 究 邵 国 鑫 ,等 问 题 探 讨 采 煤 机 截 齿 齿 体 耐 磨 性 对 比 分 析马 壮 , 牛 晓 南(辽 宁 工 程 技 术 大 学 , 辽 宁 阜 新 123000)摘 要 : 采 煤 机 截 齿 齿 体 耐 磨 性 直 接 影 响 截 齿 使 用 寿 命 ,采 用 自 制 的 散 体 磨 料 振 动 磨 损 试 验机 与 普 遍 使 用 的 固 定 磨 料 磨 损 试 验 机 ,对 国 内 外 几 个 厂 家 截 齿 齿 体 耐 磨 性 进 行 对 比 分 析 。 试 验 发现 ,在 散 体 磨 料 振 动 磨 损 试 验 条 件 下 ,硬 度 不 再 成 为 磨 损 量 的 主 导 因 素 ,材 料 的 综 合 性 能 成 为 材 料耐 磨 性 的 主 要 影 响 因 素 。关 键 词 : 截 齿 ; 耐 磨 性 ; 散 体 磨 料 ; 振 动 磨 损中 图 分 类 号 : 文 献 标 志 码 : A 文 章 编 号 :100320794 (2008) 0220052203 23000 , of of is by of 引 言 截 齿 是 采 煤 过 程 中 大 量 使 用 的 易 耗 件 ,齿 体 磨的 结 论 相 吻 合 。(2)在 构 件 截 面 外 围 尺 寸 确 定 的 情 况 下 (均 为30 30 ,闭 孔 泡 沫 铝 硅 合 金 1、 2 填 充 钢 管 试件 以 及 空 钢 管 试 件 ,随 着 含 钢 率 的 增 大 , 值 相 应 增大 , 值 相 应 减 小 ;开 孔 泡 沫 铝 填 充 钢 管 试 件 ,随 着含 钢 率 的 增 大 , 值 相 应 减 小 , 值 相 应 增 大 。(3)闭 孔 泡 沫 铝 硅 合 金 1、 2 填 充 钢 管 构 件 (编 号S - 1、 2、 3、 4) ,在 含 钢 率 相 同 的 情 况 下 ,随 着 孔 径 的增 大 (孔 隙 率 相 应 减 小 ) ,第 1 阶 阻 尼 比 均 增 大 ;含 钢率 小 的 (编 号 S - 1、 3) ,比 例 阻 尼 系 数 值 增 大 (增幅 39. 10 %) , 值 有 小 幅 减 小 (减 幅 1. 62 %) ;含 钢 率大 的 (编 号 S - 2、 4) ,比 例 阻 尼 系 数 值 减 小 (减 幅29. 01 %) , 值 增 大 (增 幅 8. 83 %) 。4. 3 构 件 的 阻 尼 类 型试 验 中 ,3 种 泡 沫 铝 材 料 均 采 用 经 线 切 割 加 工后 再 用 橡 胶 锤 轻 敲 击 填 入 钢 管 的 方 式 。 钢 管 内 表 面轻 微 生 锈 ,焊 接 方 钢 管 的 内 壁 也 不 是 十 分 平 整 ,泡 沫铝 材 料 与 钢 管 之 间 金 属 与 金 属 的 接 触 不 是 十 分 完全 。 所 以 上 述 构 件 的 阻 尼 作 用 机 制 既 有 材 料 本 身 的阻 尼 ,也 有 界 面 摩 擦 阻 尼 。空 钢 管 构 件 的 阻 尼 作 用 机 制 主 要 是 材 料 本 身