M2052高阻尼合金在結(jié)構(gòu)件減振中的應(yīng)用研究

王乃亮，冀璞光，殷福星，祁丹丹，郄彥輝

（1.河北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300130；2.河北工業(yè)大學(xué)能源裝備材料技術(shù)研究院，天津300130；3.天津市材料層狀復(fù)合與界面控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300130；4.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300130）

M2052高阻尼合金在結(jié)構(gòu)件減振中的應(yīng)用研究

王乃亮1，2，3，冀璞光2，3，殷福星1，2，3，祁丹丹1，2，3，郄彥輝4

（1.河北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300130；2.河北工業(yè)大學(xué)能源裝備材料技術(shù)研究院，天津300130；3.天津市材料層狀復(fù)合與界面控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300130；4.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300130）

利用動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀（DMA）、有限元分析軟件Patran&Nastran和振動(dòng)測(cè)試設(shè)備（DH5981），研究了M2052合金的阻尼性能及應(yīng)用在支撐底座中的減振性能.振動(dòng)測(cè)試結(jié)果與有限元分析結(jié)果比較吻合.結(jié)果表明：在頻率響應(yīng)分析中，M2052的應(yīng)用能夠有效降低振動(dòng)，明顯減小振動(dòng)源產(chǎn)生的振動(dòng)經(jīng)支撐底座的傳遞；在瞬態(tài)響應(yīng)分析中，通過振動(dòng)衰減曲線對(duì)比看出，阻尼合金應(yīng)用到工字型支座能更快的耗散振動(dòng)能量，在一定范圍內(nèi)阻尼合金的應(yīng)變?cè)酱螅枘嵝阅茉胶?，所以S型支座能提供更大的減振性能；同時(shí)，通過力錘敲擊實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了M2052合金在結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用能有效降低機(jī)械振動(dòng)，且應(yīng)變?cè)酱笾ё臏p振效果越好.

DMA；M2052；有限元分析；支撐底座；減振性能

0 引言

1948年，Zener[1]發(fā)現(xiàn)Mn-12Cu合金經(jīng)925℃時(shí)效后水冷，在室溫附近有很高的阻尼性能，并指出該內(nèi)耗是由于{110}孿晶面的應(yīng)力感生運(yùn)動(dòng)引起的.自此開啟了對(duì)Mn-Cu合金阻尼機(jī)理的研究及高阻尼Mn-Cu合金的開發(fā).方正春[2]等開發(fā)了2310合金（Mn-39Cu-4Al-3Fe-2Ni-2Zn），該合金具有強(qiáng)度高、焊接性能好的特點(diǎn)，阻尼性能滿足船舶螺旋槳用的要求，能有效降低螺旋槳的振動(dòng)和噪聲，尤其能消除螺旋槳的唱音.隨后，王麗萍、郭二軍[3]等研發(fā)了ZMnD-1J合金（Mn-43Cu-5Zn-2Al），該合金具有良好的阻尼性能和力學(xué)性能.殷福星[4]等研發(fā)的實(shí)用M2052合金（Mn-20Cu-5Ni-2Fe）在不降低阻尼性能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了合金強(qiáng)度的進(jìn)一步提升，并對(duì)于Mn-Cu合金的微觀組織變化、合金成分設(shè)計(jì)以及熱處理工藝方面的研究取得了很多研究成果[5-6].目前在對(duì)各種阻尼合金的研究中，對(duì)Mn-Cu合金的阻尼機(jī)制研究較多，但對(duì)其工程應(yīng)用研究較少[7].隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，振動(dòng)和噪聲問題越來越突出，研究阻尼合金的工程應(yīng)用成為必然要求.張慶慶等[8]對(duì)于空間相機(jī)支撐組件的振動(dòng)特性研究表明，使用阻尼合金作為支撐組件的部分零件，可使空間相機(jī)的振動(dòng)幅值降低15%以上.

本文選用了工程中典型的振動(dòng)源支撐底座作為研究對(duì)象.因?yàn)橹T如電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等的振動(dòng)都是經(jīng)由支撐底座將振動(dòng)傳遞到連接結(jié)構(gòu)從而產(chǎn)生整體振動(dòng)和噪聲的.鑒于此，結(jié)合有限元分析和振動(dòng)測(cè)試手段，研究了M2052合金應(yīng)用于支撐底座的減振效果.并為阻尼合金在結(jié)構(gòu)件減振中的應(yīng)用研究提供借鑒.

1 實(shí)驗(yàn)材料與性能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)用M2052合金以電解錳（99.90%）、電解銅（99.93%）、工業(yè)純鐵、電解鎳（N2鎳板）為原料在VIM-100NIM真空熔煉爐內(nèi)熔煉，名義組分為Mn-20Cu-5Ni-2Fe（原子分?jǐn)?shù)，%）.澆鑄錠模采用金屬型，頂部加保溫冒口.鑄錠切除冒口，車掉表面氧化皮，經(jīng)開坯，熱軋成板材和線材.

切取DMA試樣（60 mm×10 mm×1 mm片材），金相試樣及顯微硬度試樣（10 mm×10 mm×10 mm），拉伸試樣尺寸為φ5.試樣熱處理工藝為在820℃保溫1 h固溶處理，然后進(jìn)行450℃保溫10 h的時(shí)效處理.合金的阻尼性能的測(cè)試在TA Q800動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀上進(jìn)行，測(cè)試頻率分別為0.1 Hz、1 Hz、10 Hz，應(yīng)變振幅為2.5×10-4.金相試樣經(jīng)電解拋光制得，電解液成分為磷酸、甘油、乙醇，體積比為1∶1∶2，微觀組織采用MR2000型倒置金相顯微鏡觀察，并進(jìn)行顯微硬度測(cè)試.拉伸試驗(yàn)在島津AGS-X-50 KN拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn).

1.1 M2052合金的顯微組織

圖1為M2052合金的金相圖.經(jīng)均勻化和熱軋?zhí)幚恚T造組織破碎并發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，形成細(xì)小等軸晶粒.合金經(jīng)450℃時(shí)效處理，單一的γ相發(fā)生調(diào)幅分解，形成結(jié)構(gòu)相同而成分不同的納米級(jí)富錳區(qū)和富銅區(qū)，使合金的馬氏體相變點(diǎn)Ms提高，在隨后的降溫過程，發(fā)生馬氏體相變，形成馬氏體孿晶.由圖可見，合金經(jīng)固溶+時(shí)效處理，晶粒內(nèi)形成大量孿晶結(jié)構(gòu)，在交變應(yīng)力的作用下，通過孿晶界面的移動(dòng)和再取向來消耗振動(dòng)能量，從而形成M2052合金的高阻尼性能[9].

圖1 時(shí)效處理后M2052合金相圖Fig.1 Phase diagram of M2052 alloy after aging treatment

1.2 M2052合金的阻尼性能

圖2為軋制態(tài)M2052在熱處理前后阻尼性能tanδ和儲(chǔ)能模量對(duì)比曲線.由圖可知，固溶+時(shí)效處理后，室溫附近合金的阻尼性能明顯提高，tanδ達(dá)到0.032.已有研究表明，馬氏體相變伴隨著模量的軟化，模量極小值對(duì)應(yīng)的溫度就是馬氏體相變開始溫度[10-11]，由圖2可以看出，熱處理后，相轉(zhuǎn)變點(diǎn)Ms由20℃提高到80℃，合金降溫后獲得更多的馬氏體孿晶.高溫的馬氏體相變峰和低溫的孿晶弛豫峰耦合，在室溫附近形成寬化的阻尼峰.所以，通過熱處理能顯著提高M(jìn)2052合金的阻尼性能，達(dá)到工程應(yīng)用的要求.

圖2 熱處理前后M2052合金阻尼性能和儲(chǔ)能模量隨溫度的變化Fig.2 Changes of damping performance and storage modulus ofM2052 alloy before and after heating treatment

1.3 M2052合金的力學(xué)性能

表1對(duì)比了阻尼合金M2052和結(jié)構(gòu)鋼Q235的力學(xué)性能，阻尼合金經(jīng)過固溶+時(shí)效的熱處理工藝，阻尼性能得到明顯提高的同時(shí)，力學(xué)性能也有所增強(qiáng)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到638 MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到337 MPa，斷后延伸率達(dá)到34%，具有良好的綜合力學(xué)性能，很好的滿足工程應(yīng)用的要求.

表1 M2052與Q235力學(xué)性能對(duì)比Tab.1 Mechanical property of M2052 and Q235

2 支撐底座應(yīng)用阻尼合金的有限元分析

2.1 支撐底座及對(duì)比結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

如圖3所示，孿晶型阻尼合金的阻尼性能隨著應(yīng)變振幅的增加而得到不斷提高，達(dá)到一定的應(yīng)變值后，對(duì)數(shù)衰減率不再隨應(yīng)變的增加而改變而達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，這是由Mn-Cu基阻尼合金的阻尼機(jī)制所決定的.

圖3 不同溫度下M2052合金阻尼性能隨扭轉(zhuǎn)應(yīng)變振幅的變化[12]Fig.3 Vibration of damping capacity of M2052 alloy with torsional strain amplitude at different temperature

工字型支撐底座為常見支座結(jié)構(gòu)，有限元模型如圖4所示.基于Mn-Cu基阻尼合金阻尼性能在一定范圍內(nèi)隨著應(yīng)變振幅的增加而增大的特性，本實(shí)驗(yàn)借鑒于阻尼減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了S型結(jié)構(gòu)的支撐底座，來研究通過結(jié)構(gòu)變化能否提高阻尼合金的阻尼性能，S型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示.在S型支座模態(tài)分析中可得S型支座可在局部凹面結(jié)構(gòu)處提高結(jié)構(gòu)的應(yīng)變振幅，理論上可以提高阻尼合金的阻尼性能，從而提高支座的減振性能.通過研究2種結(jié)構(gòu)局部采用M2052材料對(duì)支撐底座的減振效果的影響，探討如何在結(jié)構(gòu)件減振中應(yīng)用尼合金能發(fā)揮阻尼合金最大的性能，得到最優(yōu)的減振效果.2種結(jié)構(gòu)模型原材料為Q235，中間部位改進(jìn)為高阻尼M2052合金，有限元分析所需數(shù)據(jù)均由上述實(shí)驗(yàn)所得.

圖4 工字型支撐底座結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.4 Finite element model of I-shaped support pedestal

圖5 S型支撐底座結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.5 Finite element model of S-shaped support pedestal

2.2 支撐底座的頻率響應(yīng)分析

頻率響應(yīng)分析用于計(jì)算結(jié)構(gòu)在周期載荷作用下對(duì)每1個(gè)計(jì)算頻率的動(dòng)響應(yīng)，其計(jì)算結(jié)果中實(shí)部代表響應(yīng)的幅度，虛部代表響應(yīng)的相角[13].根據(jù)模型使用方式，給有限元模型施加邊界條件為：支座底部施加固定約束，頂面中心處施加載荷F=100 N，方向?yàn)樨Q直向下.求解如圖4，圖5所示A位置處節(jié)點(diǎn)對(duì)載荷的加速度響應(yīng).

圖6為應(yīng)用阻尼合金前后支座底部A點(diǎn)的加速度響應(yīng).由圖可知，應(yīng)用阻尼合金后，分別使得2種結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)的共振峰向低頻側(cè)移動(dòng)，分析認(rèn)為，由于M2052合金的彈性模量較Q235低，使結(jié)構(gòu)件的各階模態(tài)頻率相應(yīng)降低，從而使激振共振頻率降低，在頻率響應(yīng)曲線上表現(xiàn)為峰值向低頻側(cè)移動(dòng)[8].同時(shí)注意到，替換材料前后，工字形支座A點(diǎn)響應(yīng)加速度由11.5 m/s2降低為1.2 m/s2.S型支座A點(diǎn)的響應(yīng)加速度由10.5 m/s2降低為1.1 m/s2.2種結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)峰值均有大幅度的降低，這是因?yàn)镸2052合金具有高阻尼特性，通過材料孿晶界面的弛豫運(yùn)動(dòng)消耗振動(dòng)能量，達(dá)到快速衰減振動(dòng)能的目的，從而使得支撐底座A點(diǎn)處加速度響應(yīng)峰值明顯降低.

圖6 支撐底座底部A點(diǎn)加速度響應(yīng)Fig.6 Acceleration response of point A at the bottom ofsupport pedestal

2.3 支撐底座的瞬態(tài)響應(yīng)分析

瞬態(tài)響應(yīng)分析又稱時(shí)間歷程分析，在時(shí)域內(nèi)計(jì)算結(jié)構(gòu)在隨時(shí)間變化的載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)[14].給有限元模型施加邊界條件為：支座底部施加固定約束，頂面中心處施加2個(gè)周期的大小為100 N的正弦激勵(lì)載荷，方向?yàn)樨Q直向下.求解如圖4，圖5所示A位置處節(jié)點(diǎn)的位移衰減曲線.工字形支座應(yīng)用M2052合金前后A點(diǎn)的衰減曲線對(duì)比如圖7所示.工字形支座替換部分阻尼合金后，A點(diǎn)的加速度衰減明顯快于未應(yīng)用阻尼合金的情況.將工字形結(jié)構(gòu)支座中間改進(jìn)為S形，能提高合金的阻尼性能，如圖8所示，S形支座替換阻尼合金后比工字形支座具有更快的衰減性能.

圖7 工字形支座替換阻尼合金前后A點(diǎn)的加速度衰減曲線對(duì)比Fig.7 The vibration decaying waves of point A at the bottom of I-shaped support pedestal before and after replacing the middle material with M2052 alloy

圖8 工字形支座和S型支座應(yīng)用阻尼合金后A點(diǎn)的加速度衰減曲線對(duì)比Fig.8 The vibration decaying waves of point A of I-shaped and S-shaped support pedestal after M2052 alloy was applied

3 支撐底座應(yīng)用阻尼合金的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證有限元分析的結(jié)果，通過力錘敲擊實(shí)驗(yàn)得到如圖9所示的自由衰減曲線.應(yīng)用M2052合金的支座阻尼比明顯大于Q235材質(zhì)的支座，說明應(yīng)用阻尼合金的支座能有效的衰減發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)等振源部件產(chǎn)生的振動(dòng)，并降低了振動(dòng)經(jīng)由支座的傳遞.由圖9b）和c）對(duì)比可得，通過改變阻尼合金的結(jié)構(gòu)，能提高阻尼合金的應(yīng)變振幅，從而提高阻尼合金的減振效果，三支座A點(diǎn)阻尼比如表2所示.

圖9 三支座敲擊自由衰減曲線及阻尼比Fig.9 Free attenaution curve and damping ratio of 3 support pedestal in the force hammer

表2 三支座A點(diǎn)結(jié)構(gòu)阻尼比Tab.2 Damping ratio of 3 support pedestal at point A

4 結(jié)論

本文選取常見的振源支座作為研究對(duì)象，探究應(yīng)用阻尼合金后能否提高支座的減振性能.并用Patran建立有限元分析模型，通過Nastran計(jì)算支座頻率響應(yīng)分析，在計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，加工了3個(gè)實(shí)驗(yàn)支座，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了應(yīng)用阻尼合金的支座具有較大的阻尼比，具有良好的阻尼性能.通過實(shí)驗(yàn)，本文得到如下結(jié)論：

1）該Mn-Cu基阻尼合金經(jīng)固溶和時(shí)效處理，能獲得較高的阻尼性能，同時(shí)具有良好的綜合力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度達(dá)到638 MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到337 MPa，可以用于工程結(jié)構(gòu)件中使用，實(shí)現(xiàn)功能材料的結(jié)構(gòu)化，從振源入手，降低工程中的振動(dòng)傳遞.

2）通過有限元分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可得，在支撐底座中應(yīng)用高阻尼M2052合金，能夠有效降低支座的振動(dòng)響應(yīng)，并減小振動(dòng)的傳遞，有很好的減振效果.結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化，適度提高阻尼合金的應(yīng)變振幅，能夠更好的發(fā)揮阻尼合金的減振效果.

3）在結(jié)構(gòu)件中應(yīng)用M2052阻尼合金時(shí)，不僅要考慮其tanδ的提高對(duì)減振的作用，也要考慮剛度降低帶來的結(jié)構(gòu)件模態(tài)頻率的變化，進(jìn)而可利用這個(gè)特性，巧妙設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，既可避開共振頻率，又可降低共振峰值，從而實(shí)現(xiàn)功能材料結(jié)構(gòu)化，而從根本上有效的抑制結(jié)構(gòu)件的振動(dòng)和輻射的噪聲.

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[責(zé)任編輯 田豐]

Research of M2052 high damping alloy applied in the vibration reduction of structural component

WANG Nailiang1，2，3，JI Puguang2，3，YIN Fuxing1，2，3，QI Dandan1，2，3，QIE Yanhui4

（1.School of Materials Science and Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China;2.Research Institute for Equipment Materials,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China;3.Tianjin Key Laboratory of Materials Laminating Fabrication and Interface Control Technology,Tianjin 300130,China;4.School of Mechanical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China）

Dynamic thermal mechanical analyzer(DMA),finite element analysis software Patran&Nastran and vibration testing equipment(DH5981)were used to study the damping properties of M2052 alloy and the vibration damping performance applied in the support pedestals.The vibration test result was consistent with that of finite element analysis.The frequency response analysis showed that the application of M2052 can effectively reduce the vibration of the support pedestals,and the transmission of vibration produced by the vibration source was significantly reduced by the support pedestals.In transient response analysis,by comparing the vibration attenuation curve,it can support faster vibration energy dissipation when damping alloy is applied to the I-shaped support pedestal.Within a certain range,the strain is larger, the performance of damping is better,thus S-shaped support pedestals can provide greater vibration reduction performance.At the same time,the force hammer percussion experiments has verified that the application of M2052 alloy in the structures can effectively reduce the mechanical vibration,and the strain is larger,the vibration damping effect of support pedestals is greater.

DMA;M2052;finite element analysis;support foundation;damping performance

TG145

A

1007-2373（2017）03-0088-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.03.016

2017-02-23

王乃亮（1984-），男，碩士研究生.通訊作者：冀璞光（1984-），男，助理研究員，博士，jipuguang@mail.ru.