工程振動分析與控制基礎 第2版 課件 第10章-顆粒阻尼技術

《工程振動分析與控制基礎》第10章顆粒阻尼技術第10

章顆粒阻尼技術10.1引言10.2沖擊阻尼技術10.3顆粒阻尼技術10.4應用與研究進展10.5工程應用實例231456710.1引言

10.1引言為了解決在極端惡劣條件下(高溫、極寒、高壓、油污以及酸堿腐蝕等惡劣環(huán)境)工作的結構寬頻振動控制問題,研究和發(fā)展新型被動減振技術就變得十分必要和迫切顆粒阻尼以優(yōu)良的減振效果以及結構簡單、成本低廉、易于實施、適用于惡劣環(huán)境等一系列優(yōu)點,在工程實際中得到了廣泛應用,并取得了良好的效果為了便于更好地理解和掌握顆粒阻尼技術,本章將首先對沖擊阻尼技術進行概述,然后重點對顆粒阻尼技術的分類及其減振機理與特性、應用與研究進展進行詳細的介紹,并給出工程應用實例213456710.2沖擊阻尼技術10.2沖擊阻尼技術-1沖擊阻尼技術是利用兩物體進行非彈性碰撞后經(jīng)過動量交換而耗散能量的它是通過在結構體(主系統(tǒng))內部空腔放置一個起沖擊作用的沖擊體(剛性質量塊或球體顆粒),或者在結構體表面附加一個帶有沖擊體的腔體[即沖擊阻尼器(ImpactDamper),又稱加速度阻尼器]來實現(xiàn)的當結構體振動時,沖擊體將進行沖擊運動,與結構體反復碰撞將其振動能量耗散,達到減振的目的圖10-1單體沖擊阻尼器動力學模型10.2沖擊阻尼技術-2一般而言,為提高沖擊阻尼器的減振效果,在設計時應遵循以下準則:1)要實現(xiàn)沖擊減振,首先要使沖擊體對結構體產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)周期性沖擊運動,因此合理選擇沖擊體與結構體腔體之間的運動間隙是關鍵,同時希望沖擊體和結構體都以最大運動速度進行碰撞,以獲得有力的碰撞條件,造成最大的能量損失2)沖擊體質量越大,碰撞時消耗的能量就越大。因此,在結構空間尺寸允許的前提下,選用盡可能大質量比的沖擊體。若空間尺寸受限制,沖擊體的材料可選用密度大的材料(如鉛、鎢等),以增加沖擊質量3)沖擊體一般安裝在結構體振動幅值最大的位置,以提高減振效果213456710.3顆粒阻尼技術10.3.1概述沖擊阻尼的局限性：①沖擊體與結構體之間碰撞而引發(fā)的沖擊阻尼效應較弱,耗散振動能量的能力不高;②寬頻和多模態(tài)耦合狀態(tài)下的減振效果不好;③減振的同時由于沖擊作用而產(chǎn)生較高的沖擊噪聲以及較大的接觸應力顆粒阻尼技術是在傳統(tǒng)的沖擊阻尼技術上發(fā)展起來的一項新型阻尼減振技術,是一種廣義沖擊阻尼技術技術用大量顆粒代替?zhèn)鹘y(tǒng)的沖擊體,阻尼效應不僅包含顆粒與結構體之間的碰撞與摩擦效應,還包含顆粒之間的碰撞與摩擦效應,阻尼耗能能力顯著增強,因此顆粒阻尼可以認為是傳統(tǒng)沖擊阻尼和摩擦阻尼效應的疊加顆粒阻尼技術的實施也主要分為兩種:①顆粒阻尼器②非阻塞性顆粒阻尼10.3.2顆粒阻尼器-1

1.傳統(tǒng)顆粒阻尼器動態(tài)載荷環(huán)境下的非黏性顆粒群具有良好的動態(tài)和波傳播性能,可以用于制作被動阻尼減振裝置與傳統(tǒng)沖擊阻尼器相比,其結構特點是將原來的單顆粒沖擊體用眾多微小顆粒代替,這樣的顆粒群所呈現(xiàn)的阻尼性能以及減振降噪能力是單顆粒無法比擬的圖10-4顆粒材料:鉛粒(左)和鎢粉(右)圖10-5傳統(tǒng)顆粒阻尼器結構示意圖10.3.2顆粒阻尼器-22.豆包阻尼器豆包阻尼器的包袋材料采用了具有良好恢復性能的皮革或人造革等,因此在沖擊碰撞時,包袋層首先與固連在結構體上的阻尼器殼體接觸,起到了一種緩沖作用由于柔性約束的效應,帶動包袋內的金屬顆粒先后不一地參與碰撞接觸,不但大大延長了總體接觸時間,而且起到了一種使沖擊力大大減小的非線性緩沖作用由于包袋層的柔性約束作用,加劇了顆粒間的相互碰撞和摩擦作用,消耗了更多的能量,從而使豆包阻尼器表現(xiàn)出良好的減振效果圖10-6豆包阻尼器結構示意圖10.3.3非阻塞性顆粒阻尼技術-1非阻塞性顆粒阻尼技術是在結構體的振動劇烈部位或振動傳輸路徑上加工一定數(shù)量的孔洞,其中填充適當數(shù)量的、直徑介于0.05~5mm之間的金屬或非金屬顆粒,使之在孔中處于非阻塞狀態(tài)(見圖10-7)。隨著結構體的振動,顆粒相互之間以及顆粒與結構體之間不斷地碰撞和摩擦,以此消耗結構體的振動能量,達到減振或隔振的目的圖10-7非阻塞性顆粒阻尼結構示意圖10.3.3非阻塞性顆粒阻尼技術-2非阻塞性顆粒阻尼技術是在結構體的振動劇烈部位或振動傳輸路徑上加工非阻塞性顆粒阻尼技術的優(yōu)點是①基本上不增加結構體的總體質量,有利于輕量化;②無須改變結構部件的總體外形設計;③阻尼效果十分顯著;阻尼特性基本不受環(huán)境條件的影響,性能穩(wěn)定,不老化;⑤具有良好的減振、隔振和抗沖擊綜合特性,減振頻帶寬,其中尤以中、高頻減振效果更為突出,在有效減振頻帶內幾乎對系統(tǒng)所有的共振模態(tài)都有減振作用,而且較小的質量比就能取得很好的減振效果;⑥顆粒的密度以及顆粒間的摩擦系數(shù)越大,減振效果越好10.3.3非阻塞性顆粒阻尼技術-3一般而言,為提高非阻塞性顆粒阻尼的減振效果,在設計時應遵循以下準則:1)應用非阻塞性顆粒阻尼技術時,必定要在原結構體上鉆孔,對原結構強度或多或少地產(chǎn)生一定的影響2)非阻塞性顆粒阻尼技術的施加位置很重要3)孔徑的大小也影響減振效果4)顆粒材料應盡可能選擇密度大的材料(如鉛、鎢等)5)顆粒的填充數(shù)量常用體積填充比(定義為所有顆粒占據(jù)的體積與孔腔總體積之比)和質量填充比(定義為顆粒實際填充質量與最大可填充質量之比)表示10.3.4顆粒阻尼減震機理與特性顆粒阻尼的減振機理是由于結構體與其內部填充的顆粒之間存在耦合運動,導致顆粒之間以及顆粒與結構體之間做相對碰撞與摩擦運動,從而消耗結構體的振動能量顆粒阻尼的能量耗散主要分為兩大類:①外部耗散:通過顆粒與腔體或孔壁之間不斷地摩擦和沖擊作用將能量耗散掉;②內部耗散:通過顆粒之間的相互摩擦與沖擊將能量耗散掉圖10-8顆粒阻尼的能量耗散分布213456710.4應用與研究進展10.4.1航天工程領域-1如圖10-11所示。顆粒阻尼器(顆粒材料為鉛粒,阻尼器質量填充比為15%~20%)在安裝梁的端部,地面模擬試驗結果顯示經(jīng)顆粒阻尼技術處理后的上述兩種附件結構的模態(tài)阻尼提高了5%~20%。圖10-11帶有顆粒阻尼器的航天器懸臂梁狀附件結構示意圖10.4.1航天工程領域-2圖10-14所示為某航天器使用的電子線路箱,為降低沖擊和聲載荷激勵的影響,采用前面已開發(fā)的顆?？烧{諧質量阻尼器進行處理,效果顯著,共振頻率處的品質因子可降低10圖10-14某電子線路箱(左)和顆粒可調諧質量阻尼器布局(右)10.4.2其他工程領域除了上述航天工程領域外,顆粒阻尼技術還成功用于裝甲車輛、管道系統(tǒng)、雷達采樣架立柱、金融捆鈔機、深海石油和天然氣鉆鋌、IC封裝設備、船用壓縮機組以及高層建筑等設備或結構的振動控制中。顆粒阻尼技術還可與前面介紹的隔振技術或動力吸振技術等有機地結合,可以得到更好的振動控制效果圖10-22智利ParqueAraucano高層建筑以及動力吸振器系統(tǒng)10.4.3理論分析方法-11.集中質量法該方法的思想是將連續(xù)體結構(如懸臂梁)等效為一個簡單的單自由度系統(tǒng)(按首階模態(tài)進行等效),把填充的顆粒等效為一個同質量的單顆粒,如圖10-23所示集中質量法的優(yōu)點是模型簡單,易于計算,但該方法僅對顆粒整體與腔體之間的非彈性碰撞產(chǎn)生的沖擊阻尼效應進行了精確的表達,而對顆粒之間碰撞和摩擦耗能、顆粒與腔體之間的摩擦耗能僅通過試驗擬合得到的經(jīng)驗公式進行近似描述圖10-23集中質量法模型示意圖10.4.3理論分析方法-22.散體元法散體元法(DEM)是解決非連續(xù)介質問題的一種顯式求解數(shù)值方法，該方法是對每一個離散的顆粒進行建模,根據(jù)牛頓第二定律和接觸關系來描述顆粒的運動,通過時步迭代求解,跟蹤顆粒的運動軌跡,主要用于采礦、冶金、巖土工程、顆粒運輸、生物制藥、石油化工等領域散體元法仿真需要對每一個顆粒進行建模計算,當顆粒數(shù)目較大時,需要花費大量的計算資源和計算時間,計算成本比較高散體元法的研究對象多為簡單的單自由度系統(tǒng),或能夠等效為單自由度系統(tǒng)的簡單連續(xù)體結構(如懸臂梁等),而無法完成復雜顆粒阻尼連續(xù)體結構的振動響應的仿真計算10.4.3理論分析方法-33.氣固兩相流理論氣固兩相流,顧名思義就是由氣體相和固體相組成的兩相混合流,廣泛存在于自然界和工農業(yè)生產(chǎn)中目前氣固兩相流理論已成功引入振動工程領域的顆粒阻尼技術理論分析與響應預估中目前通過多物理場耦合軟件COMSOL進行聯(lián)合仿真技術,可以實現(xiàn)從簡單梁、板結構到復雜的箱體類結構以及工程實際結構振動乃至聲輻射響應的準確預估缺點：①操作技能要求高:需要根據(jù)理論公式在軟件中編寫代碼;②模型創(chuàng)建復雜:對于在結構上施加的顆粒阻尼器,需要逐個設定;③高消耗、低效率:占用大量計算機資源(內存和CPU),計算效率較低;④網(wǎng)格功能不完善:導入網(wǎng)格僅包含節(jié)點信息,對模型和網(wǎng)格的修改困難213456710.5工程應用實例10.5.1全自動捆鈔機的振動控制全自動捆鈔機在捆鈔過程中,捆扎帶的成圈和熱合是通過高速主電動機和偏心軸驅動搖爪機構,帶動擺軸回轉和擺動而實現(xiàn)的對于圖10-30所示的捆鈔機機架,采用?0.5mm的鎢粉顆粒,在以下三個位置施加非阻塞性顆粒阻尼技術:1)在擺軸軸孔和偏心軸軸孔周圍分別鉆10個?3mm的小孔,孔深均為20mm,如圖10-31a所示2)在機架板上分別沿橫向和縱向鉆孔,孔徑均為?4mm,孔深根據(jù)具體的鉆孔位置確定。板1的鉆孔示意圖如圖10-31b所示,板2的鉆孔位置與其相似3)在機架的其他位置上(見圖10-31c)鉆孔,孔徑為?4mm,孔深根據(jù)具體位置確定圖10-30捆鈔機機架結構示意圖10.5.2衛(wèi)星低溫結構冷級面板的振動控制在航天器發(fā)射入軌的過程中,衛(wèi)星低溫結構(CryogenicStructure)往往承受超過設計極限的載荷沖擊,容易導致與其相連接的隔熱器(ThermalIsolator)產(chǎn)生過高的應力水平,對于低溫結構的正常工作乃至衛(wèi)星的平穩(wěn)運行造成嚴重影響。因此,開展衛(wèi)星低溫結構的振動控制具有極為重要的意義低溫結構是一個質量為53lb的鋁制加筋矩形板(30in×10in)結構,由溫