Результаты разработок структурированных типов плосколистовых вибродемпфирующих материалов

УДК 628.517.2

РЕЗУЛЬТАТЫ РАЗРАБОТОК СТРУКТУРИРОВАННЫХ ТИПОВ ПЛОСКОЛИСТОВЫХ ВИБРОДЕМПФИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ

© 2010 А.В. Краснов, М.И. Фесина, Л.Н. Горина, М.В. Кравцова, А.А. Ковалева,

А.Г. Назаров

Тольяттинский государственный университет

Поступила в редакцию 27.03.2010

Описаны разработанные методы структурной модификации плосколистовых вибродемпфирующих материалов, обеспечивающих им повышенную акустическую эффективность, уменьшение весо-габаритных и стоимостных параметров. Представлены результаты заключительных сопоставительных виброакустических исследований различных типов и марок промышленно-производимых неструктурированных и опытных образцов структурированных вибродемпфирующих материалов. С использованием лабораторно-стендовых установок «RTC-3» и «Оберст» установлены эффективные диапазоны параметров структурирования плосколистовых вибродемпфирующих материалов.

Ключевые слова: плосколистовые вибродемпфирующие материалы, структурирование

Существенными недостатками плосколистовых вибродемпфирующих материалов (ВДМ), используемых в конструкциях различных технических систем для снижения структурного шумового излучения тонкостенных виброактивных панелей, являются их недостаточно высокие вибродемпфирующие свойства. Достигаемые невысокие значения коэффициента потерь характеризуются ограниченным диапазоном эксплуатационных температур при относительно высоком удельном весе этих материалов. Весьма актуальным для разработок различных вибро-шумоактивных технических объектов является применение вибродемпфирующих покрытий, обладающих улучшенными технологическими и эксплуатационными свойствами, с обеспечением их надежного адгезионного сопряжения с встречными поверхностями демпфируемых панелей без образования технологических дефектов. Проведенные расчетно-эксперимен-тальные исследования указывают на эффективное решение комплексной задачи увеличения эффективности вибродемпфирующих покрытий путем сквозного или послойного перфорирования их структур с соблюдением заданных параметров

Краснов Александр Валентинович, доцент кафедры «Управление промышленной и экологической безопасностью». E-mail: kaw@yandex.ru

Фесина Михаил Ильич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Управление промышленной и экологической безопасностью». E-mail: michailfes@yandex.ru Горина Лариса Николаевна, доктор педагогических наук, профессор, заведующая кафедрой «Управление промышленной и экологической безопасностью». E-mail: gorina@tltsu.ru

Кравцова Марианна Викторовна, кандидат педагогических наук, доцент кафедры «Управление промышленной и экологической безопасностью». E-mail: m.v.kravtsova@yandex.ru Ковалева Анна Александровна, аспирантка Назаров Алексей Геннадьевич, студент

перфорирования и физико-механических свойств материалов, оказывающем непосредственное влияние на весовые, жесткостные и демпфирующие характеристики такого типа структур [1, 2]. Отдельные типы модифицированных структур ВДМ защищены патентами РФ на изобретения [3, 4].

Механизм воздействия на физико-механические (весовые, жесткостные, демпфирующие) свойства плосколистовых материалов может быть рассмотрен на примере анализа зависимости механических потерь, реализуемых в структуре изгибно-колеблющейся двухслойной композитной структуры «демпфируемая тонколистовая панель - плосколистовое жесткое виб-родемпфирующее покрытие», от их физических параметров. Композитный коэффициент потерь Пк такой композитной структуры (промышлен-но-производимого неперфорированного вибро-демпфирующего покрытия) определяется согласно выражения [5]:

Пк =

ß2h2xE2x

(h

L + 12h^y

1 + h2xE2x

где в2 - коэффициент внутренних потерь вязко-эластичного вибродемпфирующего слоя; h2x=h2(вд)lhпaн - отношение толщины вязкоэла-стичного слоя (м) к толщине несущей тонколистовой панели (м); Е2х=Е2(вд)1Епан - отношение модуля Юнга материала вязкоэластичного слоя (Н1м2) к модулю Юнга материала тонколистовой панели (Н1м ); h2y=h2(пaн)lhпaн; h2(пaн) - расстояние между нейтральными плоскостями несущей тонколистовой панели и вязкоэластичного слоя, м.

Из анализа выражения (1) следует, что величина коэффициента внутренних потерь в2 вяз-коэластичного слоя такого типа (жесткого) ВДМ

является асимптотическим значением для композитного коэффициента потерь цк образуемой композитной структуры при увеличении толщины к2(вд) вязкоэластичного слоя.

Следующая рассматриваемая композитная структура «несущая демпфируемая тонколистовая панель - двухслойное армированное вибродемпфирующее покрытие» (в составе вязкоэластичного и фольгированного слоев). Композитный коэффициент потерь цк такой трехслойной композитной структуры определяется согласно следующего выражения [6]:

Пк =

1 + (2 + УЕ )Ув + (1 + УЕ )(1 + Р1 )У2С

где УЕ - жесткостной параметр; Уа - сдвиговой параметр.

Жесткостной параметр УЕ зависит от величин динамических жесткостей вязкоэластич-ного и армирующего слоя, а также от расстояния между нейтральными плоскостями этих сопрягаемых слоев. Этот параметр определяется зависимостью:

1 ЕЙ3 + Е И3

1 пан пан ^3(вдУ13

У,

^пан пан 3

-+-

Е И Е И

^^пан пан ^3(вд)"3(вд) ^

где И3(вд) - толщина армирующего слоя, м; Е3(вд) -модуль Юнга материала армирующего слоя, Н/м ; И3(пан) - расстояние между нейтральными плоскостями несущей демпфируемой пластины и фольгированного армирующего слоя, м.

Сдвиговой параметр Уа зависит от модуля сдвига материала 02(вд) и толщины вязкоэластичного слоя И2(вд), волнового числа кв (кв=2п/Хе), где Хг - длина изгибной волны в образованной трехслойной структуре, м), а также от жесткостей несущей демпфируемой тонколистовой панели и армирующего слоя. Этот параметр определяется как:

=

С

г

2

к Вк2

1

Е к

у пан пан

+

1

л

Е3

где О

Е

2

2

2

модуль сдвига вязко-

эластичного слоя армированного ВДМ, Н/м2; v2(вд) - коэффициент Пуассона вязкоэластичного слоя армированного ВДМ.

Для оценки эффективности использования различных схем модифицированных перфорированных структур ВДМ проводились соответствующие расчетно-экспериментальные исследования промышленно производимых

(неструктурированных типов) плосколистовых ВДМ: 3 типов жестких вязкоэластичных однослойных и 6 типов армированных двухслойных. Исследуемые типы ВДМ отличались толщинами слоев, плотностью, химическим и структурным составом вязкоэластичного слоя, типом клеевого (термоактивного) вещества адгезионных слоев (см. табл. 1). Оценка влияния процесса перфорирования структур плосколистовых вибро-демпфирующих материалов на изменение их вибродемпфирующих свойств производилась в составе образованных композитных структур (см. рис. 1), представляющих собой несущую тонколистовую стальную панель толщиной 1 мм со смонтированным на ее поверхности образцом вибродемпфирующего материала.

Количественная оценка степени перфорирования структур ВДМ характеризовалась параметром «коэффициент перфорации» кпер(вд):

к

£

пер

пер

£

покр

где 8пер(вд) - суммарная площадь проекции выполненных отверстий перфорации на плоскость поверхности опытного образца материала вибродемпфирующего покрытия, м2; 8покр(вд) -площадь лицевой поверхности промышленно-производимого (исходного) образца материала неперфорированного вибродемпфирующего покрытия, м2.

На первом этапе экспериментальные исследования проводились с использованием ла-бораторно-стендовой установки «ЯТС-3» [7]. Проведенные исследования позволили определить, что сквозное перфорирование слоев как однослойных вязкоэластичных материалов, так и двухслойных армированных ВДМ изменяет их массовые и жесткостные характеристики, о чем свидетельствует увеличение численных значений частот собственных колебаний исследуемых композитных структур на 8-30 Гц (6-15%). Одновременно с этим отмечено снижение амплитуд передаточной функции «сила-вибрация» Ну на частотах собственных колебаний на 1,2-5,5 дБ (см. рис. 2 и рис. 3).

Наибольший эффект снижения амплитуд передаточной функции Ну композитной структуры с жестким вибродемпфирующим покрытием отмечен при кпер(вд)=0,11, диаметре отверстий перфорации d4(вд)=(1-4)h2(вд) и межцентровом шаге отверстий Ь4(вд)=(4-10)^4(вд). В это же время достаточно эффективным может быть признан диапазон кпер(вд)=0,02-0,11, что обусловлено следующими факторами. При перфорировании структуры вязкоэластичного слоя сквозными отверстиями с кпер(вд)<0,02 не обеспечивается существенного (более 1 дБ) снижения амплитуд передаточной функции Ну композитной структуры

х

1

1

с достигаемым незначительным снижением веса. В тоже время перфорирование структуры вязкоэластичного слоя сквозными отверстиями с к„ер(вд)>0,11 приводит уже к падению эффектов

снижения вибровозбудимости композитной структуры относительно варианта этой структуры с неперфорированным вибродемпфирующим покрытием.

Таблица 1 Основные технические параметры жестких и армированных ВДМ, подвергаемых структурной модификации

Услов ное обозначение материала Р2

+20 +40 +60 +80 +20 +40 +60 +80

А1500 2000 1,5 - - 11,4 3,9 - - 0,10 0,05 - -

А2500 2000 2,5 - - 37,0 4,9 - - 0,15 0,10 - -

А3500 2000 3,5 - - 39,7 14,8 - - 0,21 0,12 - -

В90 1429 2,0 0,09 6,12 27,0 9,0 5,1 3,0 0,15 0,16 0,13 0,09

С100 1143 2,0 0,10 6,80 9,5 3,0 0,0025 0,0015 0,24 0,22 0,08 0,04

Б120 1371 3,4 0,12 8,16 6,0 3,0 0,000034 0,00001 0,13 0,21 0,19 0,14

Е200 1700 4,8 0,20 13,60 62,0 25,0 8,0 4,0 0,42 0,24 0,28 0,20

Б200 1429 3,3 0,20 13,60 28,4 10,0 4,4 2,0 0,26 0,12 0,06 0,04

0220 1833 2,8 0,22 14,96 23,0 7,6 4,4 2,0 0,27 0,19 0,13 0,09

Примечание: р2(вд) и И2(вд) - соответственно, плотность (кг/м3) и толщина (мм) вязкоэластичного слоя; И3(вд) -толщина армирующего слоя, мм; К3(вд) - показатель жесткости армирующего слоя, Н/м; М2п - приведенный модуль потерь вязкоэластичного слоя, Н/м2; пкп - приведенный композитный коэффициент потерь. Промышленно-производимые марки однослойных ВДМ заменены на условные буквенные обозначения А, содержащие индекс, указывающий толщину вязкоэластичного слоя в мкм, а промышленно -производимые марки двухслойных армированных ВДМ заменены на условные буквенные обозначения В...О, содержащие индекс, указывающий толщину армирующего слоя в мкм

Рис. 1. Схемы модифицируемых композитных плосколистовых структур с перфорированным однослойным вязкоэластичным (а) и двухслойным армированным (б) вибродемпфирующими покрытиями: 1 - несущая демпфируемая тонколистовая панель; 2 - вязкоэластичный демпфирующий слой; 3 - армирующий слой; 4 - отверстия перфорации; Ипан - толщина демпфируемой тонколистовой панели; Ь2(вд) - толщина вязкоэластичного слоя; И3(вд) - толщина армирующего слоя; ^(вд) - диаметр отверстий перфорации; Ь4(вд) - межцентровой шаг отверстий перфорации

Помимо эффективного диапазона значений параметров структурирования используемый однослойный тип жесткого вязкоэластичного ВДМ должен характеризоваться эффективными значениями показателя «приведенный модуль потерь» вязкоэластичного слоя М2п (до момента процесса его перфорирования):

М2п=в2п-Е2п(вд)>10\ Н/м2

где в2п и Е2п(вд) - приведенные (к базовой частоте 200 Гц) коэффициент внутренних потерь и модуль Юнга (Н/м2) вязко-эластичного слоя.

Ввиду того, что армированные ВДМ обладают более широким эффективным (рабочим эксплуатационным) температурным

диапазоном, то для определения рациональных физико-механических параметров составных слоев и параметров структурирования проводились экспериментальные исследования жесткостных и вибродемпфирующих свойств материалов в диапазоне температур +20-+80оС с использованием метода, базирующегося на применении лабораторно-стендовой установки «Оберст» [8, 9]. Из приведенных результатов экспериментальных исследований (рис. 4 и рис. 5) следует, что перфорирование вязкоэластичного слоя (армирующий слой неперфорирован) образца двухслойного армированного ВДМ Б200 (на рисунках обозначен как Б200-М), приводит к незначительному (не более чем на 0,02) изменению значений показателя цкп в диапазоне кпер(вд)=0,05-0,40 и диапазоне рабочих температур +20-+80оС.

При варианте реализации процесса сквозного перфорирования вязкоэластичного и армирующего слоев образца материала Б200 (как и образцов других исследованных материалов) отмечается более существенное изменение значений параметра цкп. В частности, выделяются выраженные диапазоны изменения кпер(вд) как с повышенными и/или слабо изменяющимися, так и пониженными значениями пкп в диапазоне кпер(вд)=0,5-0,25 и диапазоне рабочих температур +20-+80оС. В это же время в диапазоне кпер(вд)>0,25 при аналогичном диапазоне рабочих температур наблюдается более существенное падение значений параметра цкп для большинства исследуемых марок материалов В-&

Ну. дБ

50 100 130 200 250 300 350

/Гц

Рис. 2. Передаточная функция «сила-вибрация» Ну композитной структуры с покрытием из жесткого плосколистового однослойного вибро-

демпфирующего материала А3500: А, Б - соответственно, композитная структура с не-перфорированным и перфорированным (кпер(вд)=0,11) вязкоэластичным вибродемпфирующим слоем

Ну . дБ

50 100 150 200 250 300 350

/Гц

Рис. 3. Передаточная функция «сила-вибрация» HV композитной структуры с ламинатным покрытием из двухслойного армированного ВДМ F200:

А, Б - соответственно, композитная структура с не-перфорированным и перфорированным (кпер(вд)=0,И) армированным вибродемпфирующим покрытием

Таким образом, следует сделать вывод о том, что перфорирование исключительно вязко-эластичного слоя в составе двухслойного плосколистового армированного ВДМ позволяет сохранить значения показателя цкп на уровне про-мышленно -производимого (исходного) образца неперфорированного варианта при существенном (до 40%) уменьшении массы вещества составного вязкоэластичного слоя. В случае сквозного перфорирования вязкоэластичного и армирующего составных слоев появляется возможность для каждого из типов материалов выделить диапазон значений кпер(вд), обеспечивающих либо увеличение вибродемпфирующей эффективности, либо ее сохранение на прежнем уровне с достижением уменьшения веса до 25%. При этом эффект увеличения вибродемпфи-рующей способности таким образом структурированных (перфорированных) армированных ВДМ обеспечивается в расширенном (на 20-40оС) рабочем диапазоне температур.

Ч

а)

Ч и.

б)

Рис. 4. Зависимость приведенного композитного коэффициента потерь цш от коэффициента перфорации кпер

Чк*

-Д-В90 -о-С100 ----0120 -Е200 -•-Г200 -- Е200-М -й220

0:1 »

--. _

I.....

0=0 0,1 0,2 0,3 0,4

а)

¿г-Ж- -л—^—уГ---^-"----

^ ТЛ Л Д ХДг—- А

-О——__ Л Л

V V V V V

0:0 од 0:2 0,3 к^ю 0,4

б)

Рис. 5. Зависимость приведенного композитного коэффициента потерь цш от коэффициента перфорации кпер

Как иллюстрируют результаты исследований, приведенных в работе [2], процедура перфорирования плосколистовых ВДМ способствует существенному многократному усилению амплитуд сдвиговых деформаций, протекающих в возбуждаемом вязкоэластичном слое, ответственных за доминирующий механизм рассеивания механической (вибрационной) энергии из-гибно-колеблющихся пластин задемпфирован-ных жесткого типа вязкоэластичным ВДМ.

Для обеспечения приемлемых эффектов от реализации процессов структурной модификации армированные типы плосколистовых ВДМ должны обладать заданными значениями параметра «приведенный модуль потерь» М2п вязко-эластичного слоя и параметра «модуль жесткости» К3(вд) армирующего слоя. В частности, до момента осуществления процесса перфорирования приведенный (к базовой опорной частоте изгибных колебаний 200 Гц) модуль потерь вяз-коэластичного слоя М2п промышленно-производимого (исходного) двухслойного армированного ВДМ в диапазоне температур +20-+80оС должен превышать значения выражения

(7):

М2п>

где (0 - числовое значение температуры ^ в диапазоне +20-+80оС, выраженное в условных единицах, равных соответствующим значениям град (оС).

Одновременно с этим показатель жесткости К3(вд) армирующего слоя должен отвечать условию (8):

Кз

где Н3(вд) - толщина армирующего слоя, м; Е3(вд) -модуль Юнга армирующего слоя, Н/м2.

Соблюдая указанные технические условия возможен рациональный подбор марки про-мышленно-производимого (серийного) армированного ВДМ для проведения последующих реализаций его структурирования с обеспечением заявляемых эффектов увеличения вибро-демпфирующей эффективности после процесса перфорирования. При вариантах перфорирования только вязкоэластичного слоя двухслойных армированных вибродемпфирующих материалов (армирующий слой неперфорирован) эффективным является диапазон значений кпер(вд)=0,05-0,40, в то время как при сквозном перфорировании вязкоэластичного и армирующего слоев -кпер(вд)=0,05-0,25. Одновременно с этим определен эффективный диаметр отверстий перфорации армированных ВДМ, находящийся в диапазоне d4(вд)=(1-6)h2(вд) и межцентровой шаг отверстий перфорации - в диапазоне Ь4(вд)=(2-10)Л4(вд).

Следует отметить, что использование разработанных перфорированных структур жестких

однослойных (с вязкоэластичным вибродемп-фирующим слоем) и двухслойных армированных ВДМ, к примеру, в конструкциях вибродемпфи-рующих прокладок панелей кузова легкового автомобиля, позволяет не только значительно (до 40%) снизить их вес и стоимость, при этом улучшить (сохранить) вибродемпфирующие свойства, но и дополнительно повысить звукоизолирующие свойства шумоизолирующих обивок.

Выводы: модифицированные структуры плосколистовых ВДМ, обладающие улучшенными техническими и стоимостными параметрами, могут находить самое широкое применение в транспортном машиностроении, шумо-виброактивном производственно-технологическом и энергетическом оборудовании, бытовой технике и других областях, где являются актуальными вопросы защиты окружающей среды обитания человека от повышенных уровней ее акустического загрязнения.

Научно-исследовательская работа выполнена в рамках реализации федеральной целевой программы «Научные и научно-образовательные кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Краснов, А.В. Практические приемы структурирования шумопонижающих материалов для повышения их акустической эффективности / А. В. Краснов, М.И. Фесина // Сборник трудов XX сессии Российского акустического общества. - М.: ГЕОС - 2008. - Т. 3. -С. 256-261.

2. Фесина, М.И. О расчетно-экспериментальных исследованиях перфорированного вибродемпфи-рующего ламината, смонтированного на изгиб-но-колеблющейся стальной панели / А.В. Краснов, М.И. Фесина, И.В. Подкорытов // Известия Самарского научного центра РАН. Специальный выпуск «Безопасность. Технологии. Управление» - 2007. - Т. 2. - С. 164-170.

3. Виброшумодемпфирующая плосколистовая прокладка: пат. RU 2333545 / М.И. Фесина, Л.А. Паньков, А.В. Краснов; опубл. 10.09.2008, Бюл. №25.

4. Многослойная армированная виброшумодемпфирующая плосколистовая прокладка: пат. RU 2351995 / Л.А. Паньков, М.И. Фесина, А.В. Краснов; опубл. 10.04.2009, Бюл. №10.

5. Колесников, А.Е. Шум и вибрация. - Л.: Судостроение, 1988. - 248 с.

6. Справочник по технической акустике / Под ред. Хекла М. и Мюллера Х.А. - Л.: Судостроение, 1980. - 440 с.

7. Tschudi, H.R. Messa a punto di nuovi metodi di caratterizzazione dell'efficacia dei materiali per mugliorare l'ottimizzazione dei trattamenti // Proceeding Unikeller Conference. - 1981. - I 7. - P. 1-34.

8. Краснов, А.В. Методы определения вибродемп-фирующих свойств материалов, применяемых в конструкции автомобиля // Журнал автомобильных инженеров. - 2007. - №5. - C. 40-43.

9. DIN EN ISO 6721-3-1996. Plastics - Determination of dynamic mechanical properties - Part 3: Flexural vibration; resonance-curve. - DIN Deutsches Institut fur Normung e. V. - Berlin. - 1996. - 10 s.

RESULTS OF DEVELOPMENT THE STRUCTURED TYPES OF PLAINSHEET VIBRODAMPING MATERIALS

© 2010 A.V. Krasnov, M.I. Fesina, L.N. Gorina, M.V. Kravtsova, A.A.Kovalyeva,

A.G. Nazarov

Tolyatti State University

The developed methods of structural updating the plainsheet vibrodamping materials providing with it raised acoustic efficiency, reduction of weight-dimensional and cost parameters are described. Final results of comparative vibroacoustic researches of various types and marks of industrially-made not structured and test models of structured vibrodamping materials are presented. With the use of laboratory-stend units «RTC-3» and «Oberst» the effective ranges of structurization parameters of plainsheet vibrodamping materials are established.

Key words: plainsheet vibrodamping materials, structurization

Alexander Krasnov, Senior Lecturer at the Department "Management of Industrial and Ecological Safety". E-mail: kaw@yandex.ru

Mikhail Fesina, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the Department "Management of Industrial and Ecological Safety". E-mail: michailfes@yandex.ru Larisa Gorina, Doctor of Pedagogy, Professor, Head of the Department "Management of Industrial and Ecological Safety". E-mail: gorina@tltsu.ru

Marianna Cravtsova, Candidate of Pedagogy, Associate Professor at the Department ' 'Management ofIndustrial and Ecological Safety' ' Anna Kovaleva, Graduate Srudent Aleksey Nazarov, Student