开孔泡沫材料能量损耗特性分析.doc

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1、开孔泡沫材料能量损耗特性分析*973计划资助（2006CB601204），教育部科学技术研究重点项目资助（107136）贺文海1,2陈花玲1（1西安交通大学机械工程学院振动及噪声控制工程研究所）（2西安科技大学机械工程学院）摘要：与其他材料相比，开孔泡沫材料具有良好的能量吸收特性，可以将其作为能量吸收材料用来减小振动、吸收噪声。开孔泡沫材料可以认为是由骨架（固相）及孔隙中的流体（液相或气相）两相组成的复合材料。当应力或声压作用于开孔泡沫材料时，其骨架发生变形，孔隙中的流体被排出。排出孔隙内部的粘滞性流体需要做功，从而造成能量损耗。为了研究上述能量损耗

2、特性，本文通过分析其应力应变特性开展研究。开孔泡沫材料的变形机制中包括骨架的变形以及孔隙中流体的运动。所以本文将开孔泡沫材料变形过程中的应力分为两类：骨架应力与流体应力。本文对骨架应力研究过程中，充分考虑了开孔泡沫材料被压缩时应变对其孔隙结构及弹性特征参数的影响。与上述两种应力相对，开孔泡沫被压缩时吸收的能量也包括两部分：第一部分为开孔泡沫材料骨架变形所吸收的能量；第二部分为排出孔隙中的流体所吸收的能量。其中第二部分能量在开孔泡沫材料变形过程中以热量的形式释放，从而造成能量损耗。本文以柔性聚胺酯为例，分析了开孔泡沫材料在空气介质中及水与甘油的混合介质

3、中被压缩时应力与应变率之间的关系。结果表明，根据本文研究方法得到的应力值与测试得到的应力值吻合得较好。根据柔性聚胺酯在上述两种介质中压缩时的应力变化特性来分析其能量损耗特性，结果表明：能量损耗随应变量及应变率的增大而增大，而且介质粘度越对应的能量损耗越大。关键词：开孔泡沫材料；压缩应力；能量损失；阻尼；应力1引言开孔泡沫材料可以认为是由骨架及孔隙中的流体组成的复合材料[1]。当其受到应力或声压作用时，骨架发生变形，孔隙中的流体被排出。排出孔隙内部的粘滞性流体需要做功，从而造成能量损耗[2]。所以，与其他材料相比，开孔泡沫材料具有良好的能量吸收特性，可

4、以用来减小振动、吸收噪声。截至目前为止，对其能量损耗特性开展研究的文献非常有限。为此，本文将研究开孔泡沫材料被压缩时的能量吸收特性，为开孔泡沫材料的深入研究及应用提供参考。2开孔泡沫材料的弹性特征参数为了研究开孔泡沫材料的能量损耗特性，本文通过分析其应力特性开展研究。所以，其杨氏模量E*、泊松比ν*是两个重要的参数。必须首先确定上述两个弹性特征参数。Roberts[5]等认为，多孔固体的E*及ν*与其相对密度及复杂的微结构有关。实验表明[2]，当开孔泡沫材料的密度较小时，杨氏模量满足（1）式中，Es为构成开孔泡沫材料骨架的固体材料的杨氏模量，N/m2

5、；C为比例系数；R为相对密度，R=ρ*/ρs；ρ*为开孔泡沫的密度，kg/m3；ρs为构成开孔泡沫材料骨架的固体材料的密度，kg/m3。（1）式中的比例系数C及指数n的大小依赖于开孔泡沫材料的微结构。Gent[6]等认为，如果开孔泡沫由贯穿整个试样的直杆构成，此时n=1。Gibson[2]等提出了开孔泡沫材料的“立方排列”模型，此模型中C≈1，n=2，他们认为开孔泡沫材料的泊松比与相对密度无关，即ν*=1/3。Gent及Gibson提出的开孔泡沫的模型虽然简单，但是与实际的材料有很大差别。Wialliams[2]通过研究实际材料，如金属的晶粒，发现了

6、重要的规律：实际材料内部各单元的平均表面数为14。因此，Zhu[7]等提出：十四面体单元是材料内部真正的空间填充体。Zhu以十四面体框架单元为模型进行研究，认为开孔泡沫材料的杨氏模量满足（2）Rinde[8]提出开孔泡沫材料的泊松比不随应变变化，卢子兴[9]等提出泊松比随应变变化很小。本文的研究范围内，开孔泡沫材料的应变较小，为了简化分析，可以认为开孔泡沫材料变形过程中，其泊松比为常数。3开孔泡沫材料应力变化根据文献[2]中开孔泡沫应力的理论，本文将开孔泡沫材料变形过程中的应力分为两类，第一类为固体应力，用σe表示，第二类为流体应力，用σf表示。所以

7、，开孔泡沫材料的应力为（3）3.1固体应力Golovin[10]等研究金属泡沫时指出：开孔泡沫材料的变形量较小时，其应力应变满足线性关系。对于金属开孔泡沫材料，假设其受到应力或声压作用时应变量小于5%。所以，其固体应力满足（4）以往的研究中，开孔泡沫材料的相对密度往往被看成常数。实际上，压缩变形过程中，其内部楞边彼此相互靠近，其孔隙逐渐减小，因此变形过程中其密度将发生变化。当开孔泡沫材料沿某一方向压缩时，忽略应变的高阶小量，其体积为（5）式中，V0为开孔泡沫材料变形前的体积，m3；ε为开孔泡沫材料的应变。所以，开孔泡沫材料变形过程中其相对密度为（6）

8、式中，ρ0*为变形前开孔泡沫材料的密度，kg/m3。将（2）式及（6）式代入（4）式可以得到其固体应力为（7