научная статья по теме РЕЗОНАНСНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОУПРУГИХ СВОЙСТВ ДЕМПФИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ ТИПА ПОРИСТЫХ ЗАКРЫТОЯЧЕИСТЫХ ПЕНОПОЛИЭТИЛЕНОВ Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства

Текст научной статьи на тему «РЕЗОНАНСНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОУПРУГИХ СВОЙСТВ ДЕМПФИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ ТИПА ПОРИСТЫХ ЗАКРЫТОЯЧЕИСТЫХ ПЕНОПОЛИЭТИЛЕНОВ»

Вибродиагностика

УДК 534.16

РЕЗОНАНСНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОУПРУГИХ СВОЙСТВ ДЕМПФИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ ТИПА ПОРИСТЫХ ЗАКРЫТОЯЧЕИСТЫХ ПЕНОПОЛИЭТИЛЕНОВ

С.В. Леньков, С.М. Молин, А.Г. Копытов

Проведены теоретические и экспериментальные исследования продольных и поперечных колебаний в двумерном резонаторе, заполненном вспененным вязкоупругим материалом, и предложена методика измерения параметров Ламе и параметров вязкости с помощью продольных и поперечных резонансных колебаний в слое из вспененного пенополиэтилена, нагруженного конечной массой. Проведены измерения вязкоупругих свойств образцов из вспененного закрытоячеистого пенополиэтилена типа ППЭ и ПСЭВ.

Ключевые слова: вязкоупругий материал, двумерный резонатор, поперечные и продольные волны, амплитудно-частотная характеристика, упругие постоянные, параметры вязкости.

Создание вибро- и удароустойчивой аппаратуры является актуальной задачей современного приборостроения. Среди множества технических решений этой задачи выделяется применение целого ряда полимеров в качестве вибропоглощающего и демпфирующего материала. Отдельное место в этом ряду занимают вспененные материалы на основе различных полимеров — полиуретанов, поливинилхлоридов, полистиролов и других, в том числе за-крытоячеистые пенополиэтилены. Применение закрытоячеистых пенополи-этиленов для создания удароустойчивой аппаратуры показало свою перспективность и продуктивность [1].

Важнейшим параметром вязкоупругого материала при создании систем демпфирования удара является динамический модуль упругости. В технических характеристиках на вязкоупругие материалы, в частности на закрыто-ячеистый пенополиэтилен, производители приводят, как правило, динамический модуль упругости при стандартной нагрузке на образец материала 2000, 5000 или 10 000 Н/м2, что установлено стандартом [2].

Для систем звукопоглощения и звукоизоляции такие условия работы материала являются оптимальными. Системы демпфирования от удара чаще всего начинают работу с нулевых (или весьма незначительных) нагрузок на вязкоупругий материал, поэтому было важно установить значение динамического модуля упругости при нагрузках, близких к нулю. Поэтому возникала необходимость в разработке метода для определения упругих постоянных и параметров вязкости при малых статических нагрузках. Значения динамического модуля упругости в таких условиях и были получены по разработанному авторами методу, при этом нагрузка на образец при измерениях не превышала 130 Н/м2, что более, чем на порядок ниже предела, установленного стандартом [2].

В настоящей работе приведены теоретическое и экспериментальное обоснования метода для определения упругих постоянных и параметров вязкости, основанного на исследованиях резонансных колебаний слоя пористого вязкоупругого материала, нагруженного конечной массой.

Метод возбуждения продольных колебаний в плоскости слоя и поперечных колебаний перпендикулярно плоскости слоя показан на рис. 1. Слой вяз-коупругого материала приклеен к наклонной плоскости клина с углом накло-

Серегей Викторович Леньков, доктор техн. наук, заведующий лабораторией ФТИ УрО РАН, г. Ижевск. Тел. (3412) 21-79-88, 72-26-61. E-mail: emp@ftiudm.ru

Сергей Михайлович Молин, канд. техн. наук, старший научный сотрудник ФТИ УрО РАН, г. Ижевск. Тел. (3412) 43-07-33. E-mail: molin@ftiudm.ru

Александр Григорьевич Копытов, ведущий электроник ФТИ УрО РАН, г. Ижевск. Тел. (3412) 21-79-00, +7-919-905-97-65. E-mail: gep@ftiudm.ru

на ф. Сверху слой нагружен приклеенной жесткой пластинкой, несущей два ортогональных датчика ускорения. Масса нагрузки складывается из массы пластинки и массы двух ортогональных датчиков ускорения. Возбуждение колебаний осуществляется перемещением основания клина в пространстве в плоскости XOZ с некоторым переносным (конвективным) ускорением A(t) (рис. 1). Вязкоупругая пластина (слой) рассматривается как двумерная резонансная колебательная система с распределенными параметрами.

Z

Металлическая пластина

Основание

Рис. 1. Схема эксперимента.

Колебания вязкоупругого слоя в случае малых колебаний описывают уравнением движения вязкоупругого сжимаемого тела [3—5], записанным в векторной форме в декартовой системе координат:

S^U _(^)V(VU) + ^AU ДAi+IMvîw) , Ш

dt

^L+l)V (VV) + * AV: P P

Ôux Ôuy Ôuz

U = (u , u , u ), V = (v = ——, v = ——, v = —— ): v x' ^ v x Ôt y Ôt z Ôt

(1)

V =

f Ô Ô Ôx ' Ôy ' Ôz

A =

Ôx2 Ôy2 Ôz2

где и, V — вектор смещения и вектор скорости смещения относительно основания; Я, ц — параметры Ламе; р — плотность материала слоя; ц — динамический коэффициент вязкости материала слоя; = ^ - 2ц1/3, ^ — объемная вязкость материала слоя.

При данном способе возбуждения слой прикреплен к двум жестким плоскостям, которые совершают плоскопараллельные перемещения относительно друг друга, что не дает слою совершать изгибные колебания и сдвиговые колебания по оси У. Кроме того, так как нижняя и верхняя поверхности слоя по всей поверхности жестко соединены с несущей и подвижной плоскостями, то можно считать, что смещения и иг не зависят от координат х, у.

Смещение и , вызванное сжатием слоя по оси Z, мало и поэтому его можно положить равным нулю, тогда система уравнений (1) упростится:

Ô4 Ôt2

h _p

^L _Ô_ P Ôt

Ôux

Ôz2

8 2и г "(Я + ц) + (Я, + ц) 8" 8 Ч . ц + ц, 8 8 Ч

812 р р 81 822 р р 81 82 2

(2)

с =

XX

С =

22

Г, Л 8 8и ГЛ , 81

Я + Я, — 2 с = Я + Я, —

[ , 81 _ 82 уу [ , 81 _

Напряжения в слое, согласно [3—5], примут вид:

" ди2 82

и.

8и„

\ Л 5" Я + Я, —

1 81

8и2 82

ц + ц,

81

с = 0, с = 0, с =

у2 ' ух ' Х2

М + М,

82

(3)

Краевые условия на верхней и нижней плоскостях слоя:

т

82и (к, 1) , . 82и (к, 1) , .

—8^ = -Сх2 (К 1 ); т-= - С гг (К 1 ;

52.

82их (0,1) 82ы7 (0,1) -^^ = А (1) со8 ф; -^^ = А (1) 8Ш ф,

(4)

812 "V/—812

где А(1) — переносное ускорение; а — размер прямоугольного слоя по оси X; Ь — размер прямоугольного слоя по оси У; к — толщина слоя; т — масса нагрузки на верхней плоскости слоя, складывающаяся из массы пластинки и масс двух ортогональных датчиков ускорения; S = аЬ — площадь основания слоя; М = р5к — масса вязкоупругого слоя.

Пусть переносное ускорение А(1) изменяется во времени по гармоническому закону, тогда выражения для смещений можно представить:

и = их*(2)ехр( ую1); иг = и*(г)ехр( ую1),

(5)

где и*(2), и*(г) — комплексные амплитуды смещений; ю — круговая частота. Подставим (5) в (2) и (3) и получим уравнения для комплексных амплитуд:

2 * - ю2и = -

Л'

М + УС°М| р р

8 2и*

822

2 * - ю2и = -

2

(Я + 2ц) 'ю (Я, + 2ц,)

8 2и*

822

(6)

и амплитуд напряжений:

* 8и * С* = [Я + 'юЯ,——^; С = [Я + 'юЯ,——^;

хх 1 и 82 уу 1 и 82

с

; = [Я+2ц+'ю(я1 + 2ц, ;

г 8и

с*у2 = 0; с*ух = 0; с*х2 = [ц + 7ю ц, ]—Х1-.

Ух

(7)

Решение системы уравнений (6) можно представить:

u*(z) = [A^xp( jylz) + 51exp(-/y1z)]; u*(z) = [A3exp( jy3z) + B3exp(-jy3z)];

Yi = га/Pi; Уз = ®/Рз; Pi = )J Ц + ; Рз = ^

Я + 2| + jra ( + 2|)

(8)

P

где A B1, A3, B3 — постоянные интегрирования; у у3 — постоянные распространения.

Краевые условия (4) для комплексных амплитуд примут вид:

- ra2ux*(0) = a(ra)cos9; - ra2uz*(0) = a(ra)sin9;

r ..Su* (h )

ra2mux*(h) = c*xz(h)S = S [|и + jraи, ] —^; (9)

ra2mu *(h) = c* (h)S = S ГЯ + 2| + jra ( + 2|) "1 Su*(hi,

z zz L Sz

где а(ю) — амплитуда переносного ускорения.

Используя краевые условия (9) при z = 0 и (8), получим:

A1 + B1 = -a(ra)cos9/ra2; A3 + B3 = ^(га^тф/га2. (10)

Краевые условия (9) при z = h, используя (8), можно представить в виде:

-m( jy1h)[A1exp( jy1h) + B1exp(-jy1h)] = M[A1exp( jy1h) - B1exp(-jy1h)]; -m( jY3h)[A3exp( jy3h) + B3exp(-jy3h)] = M[A3exp( jy3h) - B3exp(-jy3h)]. (11)

Из (10) и (11) следует, что постоянные интегрирования связаны соотношениями:

M - m (jy1h) M - m ( iy3h) , .

A, = B1-^rrexp (-2jyh; A3 = B3-T^^exp (-2jy3h); (12)

1 1M + m (jy1h) 3 3 M + m (jy3h) Уу Пз '

- a (га) cos ф/га2 - a (га) sin ф/га2

B1 = M - m jh) ( , ; B3 = M - m jh) , . . (13)

-)-fexp (-2 jy1h) +1 -)-fexp (-2/y3h) +1

M + m (jy1h) ' M + m (jyh)

Проекции ускорения пластинки (нагрузки) на оси Z, X:

2Ma (га) cos ф

a*(h) = - ra2u*(h) =

(( - m (jyh) ) exp (-jyh) + (( + m (jyh) ) exp (jyxh)'

(14)

* 2 * 2Ma (га) sinф

a (h) = - га^ (h) = -------------.

(( - m (jy 3h ) ) exp (- j у 3h ) + (( + m (jy 3h ) ) exp (jy 3h )

Передаточные функции по ускорению сигналов акселерометров с осями чувствительности, направленными по осям X и 2, согласно (14), равны соответственно:

а* (к ) __1_.

a

K =

a (о) cos ф cos (y1h) - в (y1h) sin (y1h)'

K =

a* (h) _ 1 (15)

z

a (о) sin ф cos (y3h) - в (y3h) sin (y3h)

где в = т/М — отношение масс нагрузки и слоя, а постоянные распространения можно представить:

(

У1 = ai -j51 = о/ -

1+ i1 + (-1/-) 2 -1 + ^+(-1/-)2

2 1+(-1/-)2 1 2 (+(-1/-)2

Уз = аз - А =

(16)

= о.

Я + 2-

1 + о

( + 2-1 )2 ( + 2-)2

1 + о

( + 2-0 ( + 2-)2

2 Л

Р

Из (16) следует, что вещественные и мнимые части постоянных распространения у1 = а1 - у81 и у3 = а3 - у53 при любых частотах удовлетворяют условию 0 < 5 < а. Параметр а характеризует дисперсию волн в слое, а параметр 5 — затухание.

При в Ф 0, 5 Ф 0 продольный и поперечный резонанс определяются корнями обобщенного уравнения

cos (ah) ch (5h) - Bah sin (ah) ch (5h) + B5h cos (ah) sh (5h) = 0, (17)

а величина модуля передаточных функций на резонансе — обобщенным уравнением

1

K =_ (18)

sin (ah) sh (5h) +Bah cos (ah) sh (5h) +B5h sin (ah) ch (5h)

Анализ (17) показал, что для первого резонанса выполняются условия 0 < 5Н < ак < л/2.

Эксперимент проводили следующим образом. Основание с клином (см. рис. 1) прикрепляли к оси электромагнитного вибратора, которая осуществляла возвратно-поступательное движение с осевым переносным ускорением А(0, ее измеряли датчиком ускорения, установленным на оси вибратора. Исследуемый материал (слой) приклеивали на клин с помощью двустороннего скотча, а сверху на него — пластину разного веса с двумя ортогональными датчиками ускорения по осямXи 2 (см. рис. 1).

Сигналы с осевого и ортогональных датчиков ускорений подавали на усилитель заряда, а с него —

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком