工程振動(dòng)分析與控制基礎(chǔ) 第2版 課件 第10章-顆粒阻尼技術(shù)

《工程振動(dòng)分析與控制基礎(chǔ)》第10章顆粒阻尼技術(shù)第10

章顆粒阻尼技術(shù)10.1引言10.2沖擊阻尼技術(shù)10.3顆粒阻尼技術(shù)10.4應(yīng)用與研究進(jìn)展10.5工程應(yīng)用實(shí)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(jié)構(gòu)寬頻振動(dòng)控制問題,研究和發(fā)展新型被動(dòng)減振技術(shù)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、易于實(shí)施、適用于惡劣環(huán)境等一系列優(yōu)點(diǎn),在工程實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)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(shù),本章將首先對(duì)沖擊阻尼技術(shù)進(jìn)行概述,然后重點(diǎn)對(duì)顆粒阻尼技術(shù)的分類及其減振機(jī)理與特性、應(yīng)用與研究進(jìn)展進(jìn)行詳細(xì)的介紹,并給出工程應(yīng)用實(shí)例213456710.2沖擊阻尼技術(shù)10.2沖擊阻尼技術(shù)-1沖擊阻尼技術(shù)是利用兩物體進(jìn)行非彈性碰撞后經(jīng)過動(dòng)量交換而耗散能量的它是通過在結(jié)構(gòu)體(主系統(tǒng))內(nèi)部空腔放置一個(gè)起沖擊作用的沖擊體(剛性質(zhì)量塊或球體顆粒),或者在結(jié)構(gòu)體表面附加一個(gè)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(shí)現(xiàn)的當(dāng)結(jié)構(gòu)體振動(dòng)時(shí),沖擊體將進(jìn)行沖擊運(yùn)動(dòng),與結(jié)構(gòu)體反復(fù)碰撞將其振動(dòng)能量耗散,達(dá)到減振的目的圖10-1單體沖擊阻尼器動(dòng)力學(xué)模型10.2沖擊阻尼技術(shù)-2一般而言,為提高沖擊阻尼器的減振效果,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下準(zhǔn)則:1)要實(shí)現(xiàn)沖擊減振,首先要使沖擊體對(duì)結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)周期性沖擊運(yùn)動(dòng),因此合理選擇沖擊體與結(jié)構(gòu)體腔體之間的運(yùn)動(dòng)間隙是關(guān)鍵,同時(shí)希望沖擊體和結(jié)構(gòu)體都以最大運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)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(zhì)量越大,碰撞時(shí)消耗的能量就越大。因此,在結(jié)構(gòu)空間尺寸允許的前提下,選用盡可能大質(zhì)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(zhì)量3)沖擊體一般安裝在結(jié)構(gòu)體振動(dòng)幅值最大的位置,以提高減振效果213456710.3顆粒阻尼技術(shù)10.3.1概述沖擊阻尼的局限性：①?zèng)_擊體與結(jié)構(gòu)體之間碰撞而引發(fā)的沖擊阻尼效應(yīng)較弱,耗散振動(dòng)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(shí)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(yīng)力顆粒阻尼技術(shù)是在傳統(tǒng)的沖擊阻尼技術(shù)上發(fā)展起來的一項(xiàng)新型阻尼減振技術(shù),是一種廣義沖擊阻尼技術(shù)技術(shù)用大量顆粒代替?zhèn)鹘y(tǒng)的沖擊體,阻尼效應(yīng)不僅包含顆粒與結(jié)構(gòu)體之間的碰撞與摩擦效應(yīng),還包含顆粒之間的碰撞與摩擦效應(yīng),阻尼耗能能力顯著增強(qiáng),因此顆粒阻尼可以認(rèn)為是傳統(tǒng)沖擊阻尼和摩擦阻尼效應(yīng)的疊加顆粒阻尼技術(shù)的實(shí)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(dòng)態(tài)載荷環(huán)境下的非黏性顆粒群具有良好的動(dòng)態(tài)和波傳播性能,可以用于制作被動(dòng)阻尼減振裝置與傳統(tǒng)沖擊阻尼器相比,其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(jié)構(gòu)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(fù)性能的皮革或人造革等,因此在沖擊碰撞時(shí),包袋層首先與固連在結(jié)構(gòu)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(yīng),帶動(dòng)包袋內(nèi)的金屬顆粒先后不一地參與碰撞接觸,不但大大延長(zhǎng)了總體接觸時(shí)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(jié)構(gòu)示意圖10.3.3非阻塞性顆粒阻尼技術(shù)-1非阻塞性顆粒阻尼技術(shù)是在結(jié)構(gòu)體的振動(dòng)劇烈部位或振動(dòng)傳輸路徑上加工一定數(shù)量的孔洞,其中填充適當(dāng)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(jié)構(gòu)體的振動(dòng),顆粒相互之間以及顆粒與結(jié)構(gòu)體之間不斷地碰撞和摩擦,以此消耗結(jié)構(gòu)體的振動(dòng)能量,達(dá)到減振或隔振的目的圖10-7非阻塞性顆粒阻尼結(jié)構(gòu)示意圖10.3.3非阻塞性顆粒阻尼技術(shù)-2非阻塞性顆粒阻尼技術(shù)是在結(jié)構(gòu)體的振動(dòng)劇烈部位或振動(dòng)傳輸路徑上加工非阻塞性顆粒阻尼技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是①基本上不增加結(jié)構(gòu)體的總體質(zhì)量,有利于輕量化;②無須改變結(jié)構(gòu)部件的總體外形設(shè)計(jì);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(nèi)幾乎對(duì)系統(tǒng)所有的共振模態(tài)都有減振作用,而且較小的質(zhì)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(shù)-3一般而言,為提高非阻塞性顆粒阻尼的減振效果,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下準(zhǔn)則:1)應(yīng)用非阻塞性顆粒阻尼技術(shù)時(shí),必定要在原結(jié)構(gòu)體上鉆孔,對(duì)原結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(shù)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(yīng)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(zhì)量填充比(定義為顆粒實(shí)際填充質(zhì)量與最大可填充質(zhì)量之比)表示10.3.4顆粒阻尼減震機(jī)理與特性顆粒阻尼的減振機(jī)理是由于結(jié)構(gòu)體與其內(nèi)部填充的顆粒之間存在耦合運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致顆粒之間以及顆粒與結(jié)構(gòu)體之間做相對(duì)碰撞與摩擦運(yùn)動(dòng),從而消耗結(jié)構(gòu)體的振動(dòng)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(nèi)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(yīng)用與研究進(jìn)展10.4.1航天工程領(lǐng)域-1如圖10-11所示。顆粒阻尼器(顆粒材料為鉛粒,阻尼器質(zhì)量填充比為15%~20%)在安裝梁的端部,地面模擬試驗(yàn)結(jié)果顯示經(jīng)顆粒阻尼技術(shù)處理后的上述兩種附件結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖10.4.1航天工程領(lǐng)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(lì)的影響,采用前面已開發(fā)的顆?？烧{(diào)諧質(zhì)量阻尼器進(jìn)行處理,效果顯著,共振頻率處的品質(zhì)因子可降低10圖10-14某電子線路箱(左)和顆?？烧{(diào)諧質(zhì)量阻尼器布局(右)10.4.2其他工程領(lǐng)域除了上述航天工程領(lǐng)域外,顆粒阻尼技術(shù)還成功用于裝甲車輛、管道系統(tǒng)、雷達(dá)采樣架立柱、金融捆鈔機(jī)、深海石油和天然氣鉆鋌、IC封裝設(shè)備、船用壓縮機(jī)組以及高層建筑等設(shè)備或結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制中。顆粒阻尼技術(shù)還可與前面介紹的隔振技術(shù)或動(dòng)力吸振技術(shù)等有機(jī)地結(jié)合,可以得到更好的振動(dòng)控制效果圖10-22智利ParqueAraucano高層建筑以及動(dòng)力吸振器系統(tǒng)10.4.3理論分析方法-11.集中質(zhì)量法該方法的思想是將連續(xù)體結(jié)構(gòu)(如懸臂梁)等效為一個(gè)簡(jiǎn)單的單自由度系統(tǒng)(按首階模態(tài)進(jìn)行等效),把填充的顆粒等效為一個(gè)同質(zhì)量的單顆粒,如圖10-23所示集中質(zhì)量法的優(yōu)點(diǎn)是模型簡(jiǎn)單,易于計(jì)算,但該方法僅對(duì)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(yīng)進(jìn)行了精確的表達(dá),而對(duì)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(yàn)擬合得到的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行近似描述圖10-23集中質(zhì)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(zhì)問題的一種顯式求解數(shù)值方法，該方法是對(duì)每一個(gè)離散的顆粒進(jìn)行建模,根據(jù)牛頓第二定律和接觸關(guān)系來描述顆粒的運(yùn)動(dòng),通過時(shí)步迭代求解,跟蹤顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡,主要用于采礦、冶金、巖土工程、顆粒運(yùn)輸、生物制藥、石油化工等領(lǐng)域散體元法仿真需要對(duì)每一個(gè)顆粒進(jìn)行建模計(jì)算,當(dāng)顆粒數(shù)目較大時(shí),需要花費(fèi)大量的計(jì)算資源和計(jì)算時(shí)間,計(jì)算成本比較高散體元法的研究對(duì)象多為簡(jiǎn)單的單自由度系統(tǒng),或能夠等效為單自由度系統(tǒng)的簡(jiǎn)單連續(xù)體結(jié)構(gòu)(如懸臂梁等),而無法完成復(fù)雜顆粒阻尼連續(xù)體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)的仿真計(jì)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)中目前氣固兩相流理論已成功引入振動(dòng)工程領(lǐng)域的顆粒阻尼技術(shù)理論分析與響應(yīng)預(yù)估中目前通過多物理場(chǎng)耦合軟件COMSOL進(jìn)行聯(lián)合仿真技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單梁、板結(jié)構(gòu)到復(fù)雜的箱體類結(jié)構(gòu)以及工程實(shí)際結(jié)構(gòu)振動(dòng)乃至聲輻射響應(yīng)的準(zhǔn)確預(yù)估缺點(diǎn)：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(fù)雜:對(duì)于在結(jié)構(gòu)上施加的顆粒阻尼器,需要逐個(gè)設(shè)定;③高消耗、低效率:占用大量計(jì)算機(jī)資源(內(nèi)存和CPU),計(jì)算效率較低;④網(wǎng)格功能不完善:導(dǎo)入網(wǎng)格僅包含節(jié)點(diǎn)信息,對(duì)模型和網(wǎng)格的修改困難213456710.5工程應(yīng)用實(shí)例10.5.1全自動(dòng)捆鈔機(jī)的振動(dòng)控制全自動(dòng)捆鈔機(jī)在捆鈔過程中,捆扎帶的成圈和熱合是通過高速主電動(dòng)機(jī)和偏心軸驅(qū)動(dòng)搖爪機(jī)構(gòu),帶動(dòng)擺軸回轉(zhuǎn)和擺動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的對(duì)于圖10-30所示的捆鈔機(jī)機(jī)架,采用?0.5mm的鎢粉顆粒,在以下三個(gè)位置施加非阻塞性顆粒阻尼技術(shù):1)在擺軸軸孔和偏心軸軸孔周圍分別鉆10個(gè)?3mm的小孔,孔深均為20mm,如圖10-31a所示2)在機(jī)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(jī)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(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)示意圖10.5.2衛(wèi)星低溫結(jié)構(gòu)冷級(jí)面板的振動(dòng)控制在航天器發(fā)射入軌的過程中,衛(wèi)星低溫結(jié)構(gòu)(CryogenicStructure)往往承受超過設(shè)計(jì)極限的載荷沖擊,容易導(dǎo)致與其相連接的隔熱器(ThermalIsolator)產(chǎn)生過高的應(yīng)力水平,對(duì)于低溫結(jié)構(gòu)的正常工作乃至衛(wèi)星的平穩(wěn)運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。因此,開展衛(wèi)星低溫結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制具有極為重要的意義低溫結(jié)構(gòu)是一個(gè)質(zhì)量為53lb的鋁制加筋矩形板(30in×10in)結(jié)構(gòu),由溫