博士论文答辩会.ppt

1、哈尔滨工业大学,博士学位论文答辩会,金属橡胶干摩擦阻尼机理及应用研究,金属橡胶,金属橡胶(Metal Rubber, MR)，是一种弹性多孔材料，是用一定的工艺方法，将一定质量的处于拉伸状态的金属丝螺旋卷排放在模具中，然后用冷冲压或者碾制的方法成型的。,论文的主要研究内容,绪论 金属橡胶构件成型工艺及物理特性 金属橡胶干摩擦阻尼的形成及描述 基于小波变换的干摩擦阻尼识别 金属橡胶干摩擦阻尼影响因素的研究 金属橡胶干摩擦系统动态性能分析,绪 论,课题的来源及研究的意义 金属橡胶技术的应用 阻尼机理及干摩擦阻尼的研究 金属橡胶干摩擦阻尼隔振系统的研究 小波分析在阻尼系统的识别,课题来源及研究的意义

2、,国家自然科学基金资助项目“金属橡胶构件应用基础研究”（批准号：50075017） 我国航空航天工业及国防的需求及俄罗斯在关键技术上的封锁 对关键工艺及应用理论进行研究，生产金属橡胶产品以替代进口,金属橡胶技术的应用,金属橡胶材料制备方法发明的定量关系图,金属橡胶阻尼构件在航空发动机中的应用I,压缩机调整方向装置中的阻尼叶片,发动机转子阻尼支承,压力信号发生器隔振系统,仪表板隔振系统,金属橡胶阻尼构件在航空发动机中的应用II,其它具有干摩擦阻尼特性的全金属减振构件,阻尼机理及干摩擦阻尼的研究,1 阻尼的定义：能量随时间或距离的耗散。,2 阻尼的分类：,3 干摩擦阻尼系统的研究,摩擦力模型,Sg

3、n模型,迟滞弹簧模型,主要求解方法,精确求解法,谐波平衡法：,时间积分法,金属橡胶干摩擦阻尼隔振系统的研究,小波分析在阻尼识别中的应用,识别：采用某种数学结构并定义某些策略将输入和输出信息进行综合整理产生一个连续的模型，即为识别的过程。 阻尼识别的发展历程： Den Hartog 对数衰减法 小波分析方法,金属橡胶构件成型工艺及物理特性,成型专用设备：螺旋卷成型机,成型专用设备： 螺旋卷定螺距拉伸机原理图,工艺难题 1：密度沿着压力方向的不同,解决方案： a.采用双向压制 b.在压制过程中施加振动载荷,工艺难题 2： 轴向尺寸较大构件的制作,解决方案： 组合构件,相对变形与相对密度,形状因子,

4、金属橡胶干摩擦阻尼的形成及描述,干摩擦阻尼的描述,双线性迟滞振子模型,三次线性迟滞系统,迟滞恢复力,金属橡胶构件迟滞回线的特性,刚度：,能量耗散特性：,金属橡胶单个构件及隔振器的迟滞回线：,金属橡胶隔振器的刚度及能量耗散系数：,描述金属橡胶构件力学行为的物理模型,端部接触悬臂梁模型,角锥模型,金属橡胶构件物理作用模型,金属橡胶构件内部接触点,宏观滑移与微观滑移： 接触表面之间的滑移； 接触区部分接触点之间的相对滑移 接触点状态的分类：三类接触点 没有剪切作用的接触点； 存在剪切作用但没有滑移的接触点； 发生相对滑移的作用点。,Masing模型及坐标变换,设 为最初加载曲线，任意卸载(或加载点)

5、为 , 在任意点卸载或加载的曲线方程为,Masing模型在金属橡胶迟滞回线获取中的应用,金属橡胶构件迟滞回线,金属橡胶隔振器的迟滞回线,简化物理模型,基于Masing模型的坐标变换,基于Masing模型的坐标变换结果得到金属橡胶弹性阻尼构件变形与恢复力的非线性关系,坐标变换结果与实验研究结果的比较,基于小波变换的干摩擦阻尼系统识别,识别是基于已知的系统的输入和输出的观测数据，通过建立数学模型来找出系统的特征或特性。 金属橡胶阻尼构件具非线性刚度特性，这将影响到构件的固有频率；在应用中，构件的干摩擦阻尼特性将受到外界各种因素的影响，因此准确识别构件的阻尼特性将具有重要的实用价值，而采用小波分析可

6、以提高阻尼特性的识别精度。,应用小波变换提取信号包络的的意义,包络分析是目前参数识别中的有效方法，其目的是得到调制信号，获取包络线，从而分析时频域特征以达到参数识别的要求。 常用的包络分析方法：倒频谱分析、Hilbert变换等。傅里叶变换不能适用于非稳态信号的分析，不能做时域的局部分析；Hilbert变换不具有时频局部化特性，且抑制噪声的能力较弱。,应用小波变换提取信号包络的的意义,对任意信号，其小波变换可表示为它与小波函数的内积： 本文采用的是Morlet小波。 Morlet小波是由高斯函数经过余弦函数复调制而生成的，在时域和频域都具有良好的局部化特性，因而其应用领域很广。,小波变换及Mor

7、let小波：,Morlet小波是复小波，它由实部和虚部两部分组成： 信号的连续小波变换为：,小波变换及Morlet小波：,对Morlet小波，有 代入Morlet小波表达式，写为实部和虚部的形式,由包络检波技术中的信号解调原理可知，若两信号的幅值相同而相位差为90，则可通过解调的办法得到小波系数中的包络分量 上式中的小波系数的实部和虚部可以直接在时间域中用前面公式的卷积分公式进行计算。将计算得到的实部和虚部代入上式，就可以求出小波系数中的包络分量。,基于Morlet小波变换的阻尼估计实例,金属橡胶 隔振器,信号采集装置,数据采集 及处理系统,实验装置：,原始激励信号及自由响应,原始信号的Hil

8、bert变换结果,原始信号的一阶衰减包络与完全衰减包络,金属橡胶干摩擦阻尼影响因素研究,二维静载荷对干摩擦阻尼的影响,二维动态载荷对干摩擦阻尼的影响,金属橡胶材料的各向异性,二维载荷的相关性,管路支承结构中的金属橡胶隔振器,二维静载荷对干摩擦阻尼的影响,金属橡胶干摩擦隔振器的照片,实验装置原理图及照片,静载荷对干摩擦阻尼的影响实验结果,二维动载荷对干摩擦阻尼的影响,三种不同的加载过程,表5-1 不同剪切载荷作用下阻尼特性的比较 Table.5-1 Comparison of damping characteristics with different shear forces,二维动载荷对干摩

9、擦阻尼的影响实验结果,二维动载荷的相关性,二维加载过程示意图,二维载荷的相关性分析,金属橡胶的各向异性,各向异性：是指材料在不同方向上具有不同的性能。 不均匀性：是指材料的性能与部位有关。 各向异性可以根据其形成原因与特征，区别为结构各向异性和组织各向异性。,金属橡胶构件在剪切载荷作用下的相对刚度,金属橡胶隔振器用于发动机管路支承,影响因素之一：相对变形量,相对变形量：1 3.57% 2 14.2% 3 35.7%,影响因素之二：不同成型密度,相对密度：1 0.20 20.24 30.28 4 32 50.36,影响因素之三：不同的成型工艺,成型工艺：1金属丝任意铺设 2金属丝间为45 3金属

10、丝之间为90 ,影响因素之四：不同激励水平,输入加速度：11g 22g 34g,金属橡胶干摩擦系统动态性能分析,具有干摩擦阻尼特性的钢丝绳隔振器,文献115引入双线性泛函本构关系，并认为无记忆恢复力中含有很强的三次非线性成分。由此确定出具有系统运动微分方程：,频率与干摩擦阻尼的相关性研究实验装置,在多因素激振时，单自由度干摩擦隔振系统的运动微分方程可为如下形式：,主要研究成果,1研制了螺旋卷定螺距拉伸装置，实现了利用机械设备改变金属螺旋卷螺距，提高了金属橡胶构件性能的稳定性。建立了制备工艺主要参数之间的关系，提出利用形状因子来分析金属橡胶构件的物理性能。 2从微观滑动和宏观滑动出发，以金属橡胶

11、构件内部接触点理论为基础，揭示了金属橡胶构件产生的干摩擦非线性阻尼的本质；引入Masing模型，提出一种金属橡胶构件实验建模方法。 3将小波变换应用于金属橡胶干摩擦非线性系统的阻尼识别，提出了一种基于Morlet小波变换的阻尼识别方法。研究结果表明，Morlet小波变换精度高于Hilbert变换这一常规的识别方法。 4首次开展了二维载荷作用及不同加载过程等因素对金属橡胶隔振器阻尼性能影响的研究，研制了专用实验装置，提出了二维载荷作用时金属橡胶构件阻尼性能分析方法。研究了金属橡胶构件的各向异性，掌握了诸多影响因素对阻尼性能的影响；对航空发动机管路支承用金属橡胶隔振器的设计和应用进行了实验研究。,

12、论文的研究得到了俄专家的指点和帮助,具有自动切断功能的螺旋卷成型机,HIT-MRD-1型金属橡胶减振垫（用于管路支承结构的隔振，可支承管径为632mm）,HIT-MRD-5型金属橡胶隔振器（可承受空间载荷，用于仪表板的隔振）,HIT-MRD-6型金属橡胶隔振器,已经发表的学术论文：,敖宏瑞, 姜洪源, 王树国等. 金属橡胶弹性阻尼元件各向异性特性的研究. 材料工程. 2003 (已录用) 敖宏瑞, 夏宇宏, 姜洪源. 二维载荷作用对金属橡胶干摩擦阻尼性能的影响. 机械设计与制造. 2002, 5: 72-74 敖宏瑞, 姜洪源, 夏宇宏. 金属橡胶阻尼元件减振性能的试验研究. 机械工程师. 2

13、001, 2: 40-42 敖宏瑞, 姜洪源, 夏宇宏. 支承发动机管路用金属橡胶阻尼器的隔振性能研究. 机械设计. 2003, 2 (已录用) 姜洪源, 敖宏瑞, 夏宇宏. 金属橡胶隔振器干摩擦阻尼特性的研究. 机械设计. 2002, 11: 17-19 姜洪源, 敖宏瑞, 夏宇宏. 试验建模方法在金属橡胶隔振系统分析中的应用. 实验力学. 2002, 9: 363-368 姜洪源 敖宏瑞 夏宇宏. 金属橡胶成型工艺研究及其应用. 机械设计与制造. 2001, 2: 85-86 姜洪源, 敖宏瑞, 夏宇宏. 金属橡胶隔振系统动态性能分析. 机械工程师. 2003, 2: 34-37,已申请的专利： 1发明专利 “金属橡胶材料制备