[论文解读] Experimental estimations of viscoelastic properties of multilayer damped plates in broad-band frequency range

Kerem Ege, Thibault Boncompagne+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2012

Structural Health Monitoring Techniques被引用 4

一句话总结

本研究提出一种基于高分辨率模态分析（ESPRIT算法）的实验方法，可精确估算聚乙烯热塑性/铝双层板在宽频带范围内的粘弹性特性——损耗因子和弹性模量。该方法在高模态重叠区域仍能实现高精度，实验测得的损耗因子与两种理论模型高度吻合，验证了该方法在优化轻质多层板阻尼性能方面的准确性。

ABSTRACT

Regarding lightweighting structures for aeronautics, automotive or construction applications, the level of performance of solutions proposed in terms of damping and isolation is fundamental. Hence multilayered plate appears as an interesting answer if damping performances are properly optimized. In this paper, a novel modal analysis method (Ege et al, JSV 325 (4-5), 2009) is used to identify viscoelastic properties (loss factors, Young's modulus) of "polyethylene thermoplastic / aluminum" bilayer plates. The thermoplastic is chosen for its high loss factors and relative low mass. The experimental method consists in a high-resolution technique (ESPRIT algorithm) which allows precise estimations of the viscoelastic properties even in frequency domains with high modal overlap (high damping or modal density). Experimental loss factors estimated from impact hammer excitations on the free-free plates highly corresponds with two theoretical estimations. In the first model (Guyader & Lesueur, JSV 58(1), 1978) the calculation is based on multilayered plates equations and use wave propagation analysis ; in the second one (Laulagnet & Guyader, JASA 96(1), 1994) the thickness deformation solving Navier's equations is allowed. Results on several plates with several thicknesses of thermoplastics are given and compared with the models, demonstrating the validity of the approach.

研究动机与目标

• 开发一种可靠的实验方法，用于在宽频带范围内识别多层阻尼板的粘弹性特性。
• 通过将实验结果与已建立的理论模型进行比较，评估所提方法的准确性。
• 优化航空航天、汽车和建筑应用中轻质多层板的阻尼性能。
• 评估热塑性塑料厚度对双层板粘弹性行为的影响。
• 验证该方法在传统方法可能失效的高模态重叠频段中的有效性。

提出的方法

• 本研究采用ESPRIT算法进行高分辨率模态分析，从自由-自由板的冲击锤激励中提取精确的频率与阻尼数据。
• 通过分析聚乙烯热塑性/铝双层板的冲击试验实验数据，估算其在宽频带范围内的损耗因子和弹性模量。
• 针对不同热塑性塑料厚度的多块板材应用该方法，以评估厚度相关的粘弹性行为。
• 将结果与两种理论模型进行对比：一种基于多层板中波传播的模型（Guyader & Lesueur, 1978），另一种基于Navier方程厚度变形解的模型（Laulagnet & Guyader, 1994）。
• ESPRIT算法的高分辨率能力使其即使在高模态重叠区域也能实现精确估计，而传统模态分析方法常在此类区域失效。

实验结果

研究问题

• RQ1 ESPRIT算法是否能在高模态重叠条件下对多层阻尼板实现准确的粘弹性特性估算？
• RQ2 实验测得的损耗因子与基于波传播和Navier方程的理论预测结果相比如何？
• RQ3 热塑性塑料厚度在多大程度上影响双层板的粘弹性行为？
• RQ4 所提出的实验方法是否在宽频带范围内（包括高阻尼区域）保持准确性？
• RQ5 该方法是否可被可靠地用于优化轻质结构应用中的阻尼性能？

主要发现

• 基于ESPRIT方法测得的实验损耗因子与两种理论模型预测结果高度一致：一种是基于波传播的模型（Guyader & Lesueur, 1978），另一种是基于Navier方程的模型（Laulagnet & Guyader, 1994）。
• 该方法成功实现了在高模态重叠区域的粘弹性特性估算，而传统技术在该区域常失效。
• 该方法在多块具有不同热塑性塑料厚度的双层板中表现出一致的高精度，证实了其鲁棒性。
• 研究结果验证了聚乙烯热塑性塑料在结构系统中用于高阻尼、低质量应用的适用性。
• ESPRIT算法的高分辨率特性使其能够精确识别密集分布的模态及其阻尼特性。