工程振动分析与控制基础 第2版 课件 第10章-颗粒阻尼技术

《工程振动分析与控制基础》第10章颗粒阻尼技术第10

章颗粒阻尼技术10.1引言10.2冲击阻尼技术10.3颗粒阻尼技术10.4应用与研究进展10.5工程应用实例231456710.1引言

10.1引言为了解决在极端恶劣条件下(高温、极寒、高压、油污以及酸碱腐蚀等恶劣环境)工作的结构宽频振动控制问题,研究和发展新型被动减振技术就变得十分必要和迫切颗粒阻尼以优良的减振效果以及结构简单、成本低廉、易于实施、适用于恶劣环境等一系列优点,在工程实际中得到了广泛应用,并取得了良好的效果为了便于更好地理解和掌握颗粒阻尼技术,本章将首先对冲击阻尼技术进行概述,然后重点对颗粒阻尼技术的分类及其减振机理与特性、应用与研究进展进行详细的介绍,并给出工程应用实例213456710.2冲击阻尼技术10.2冲击阻尼技术-1冲击阻尼技术是利用两物体进行非弹性碰撞后经过动量交换而耗散能量的它是通过在结构体(主系统)内部空腔放置一个起冲击作用的冲击体(刚性质量块或球体颗粒),或者在结构体表面附加一个带有冲击体的腔体[即冲击阻尼器(ImpactDamper),又称加速度阻尼器]来实现的当结构体振动时,冲击体将进行冲击运动,与结构体反复碰撞将其振动能量耗散,达到减振的目的图10-1单体冲击阻尼器动力学模型10.2冲击阻尼技术-2一般而言,为提高冲击阻尼器的减振效果,在设计时应遵循以下准则:1)要实现冲击减振,首先要使冲击体对结构体产生稳态周期性冲击运动,因此合理选择冲击体与结构体腔体之间的运动间隙是关键,同时希望冲击体和结构体都以最大运动速度进行碰撞,以获得有力的碰撞条件,造成最大的能量损失2)冲击体质量越大,碰撞时消耗的能量就越大。因此,在结构空间尺寸允许的前提下,选用尽可能大质量比的冲击体。若空间尺寸受限制,冲击体的材料可选用密度大的材料(如铅、钨等),以增加冲击质量3)冲击体一般安装在结构体振动幅值最大的位置,以提高减振效果213456710.3颗粒阻尼技术10.3.1概述冲击阻尼的局限性：①冲击体与结构体之间碰撞而引发的冲击阻尼效应较弱,耗散振动能量的能力不高;②宽频和多模态耦合状态下的减振效果不好;③减振的同时由于冲击作用而产生较高的冲击噪声以及较大的接触应力颗粒阻尼技术是在传统的冲击阻尼技术上发展起来的一项新型阻尼减振技术,是一种广义冲击阻尼技术技术用大量颗粒代替传统的冲击体,阻尼效应不仅包含颗粒与结构体之间的碰撞与摩擦效应,还包含颗粒之间的碰撞与摩擦效应,阻尼耗能能力显著增强,因此颗粒阻尼可以认为是传统冲击阻尼和摩擦阻尼效应的叠加颗粒阻尼技术的实施也主要分为两种:①颗粒阻尼器②非阻塞性颗粒阻尼10.3.2颗粒阻尼器-1

1.传统颗粒阻尼器动态载荷环境下的非黏性颗粒群具有良好的动态和波传播性能,可以用于制作被动阻尼减振装置与传统冲击阻尼器相比,其结构特点是将原来的单颗粒冲击体用众多微小颗粒代替,这样的颗粒群所呈现的阻尼性能以及减振降噪能力是单颗粒无法比拟的图10-4颗粒材料:铅粒(左)和钨粉(右)图10-5传统颗粒阻尼器结构示意图10.3.2颗粒阻尼器-22.豆包阻尼器豆包阻尼器的包袋材料采用了具有良好恢复性能的皮革或人造革等,因此在冲击碰撞时,包袋层首先与固连在结构体上的阻尼器壳体接触,起到了一种缓冲作用由于柔性约束的效应,带动包袋内的金属颗粒先后不一地参与碰撞接触,不但大大延长了总体接触时间,而且起到了一种使冲击力大大减小的非线性缓冲作用由于包袋层的柔性约束作用,加剧了颗粒间的相互碰撞和摩擦作用,消耗了更多的能量,从而使豆包阻尼器表现出良好的减振效果图10-6豆包阻尼器结构示意图10.3.3非阻塞性颗粒阻尼技术-1非阻塞性颗粒阻尼技术是在结构体的振动剧烈部位或振动传输路径上加工一定数量的孔洞,其中填充适当数量的、直径介于0.05~5mm之间的金属或非金属颗粒,使之在孔中处于非阻塞状态(见图10-7)。随着结构体的振动,颗粒相互之间以及颗粒与结构体之间不断地碰撞和摩擦,以此消耗结构体的振动能量,达到减振或隔振的目的图10-7非阻塞性颗粒阻尼结构示意图10.3.3非阻塞性颗粒阻尼技术-2非阻塞性颗粒阻尼技术是在结构体的振动剧烈部位或振动传输路径上加工非阻塞性颗粒阻尼技术的优点是①基本上不增加结构体的总体质量,有利于轻量化;②无须改变结构部件的总体外形设计;③阻尼效果十分显著;阻尼特性基本不受环境条件的影响,性能稳定,不老化;⑤具有良好的减振、隔振和抗冲击综合特性,减振频带宽,其中尤以中、高频减振效果更为突出,在有效减振频带内几乎对系统所有的共振模态都有减振作用,而且较小的质量比就能取得很好的减振效果;⑥颗粒的密度以及颗粒间的摩擦系数越大,减振效果越好10.3.3非阻塞性颗粒阻尼技术-3一般而言,为提高非阻塞性颗粒阻尼的减振效果,在设计时应遵循以下准则:1)应用非阻塞性颗粒阻尼技术时,必定要在原结构体上钻孔,对原结构强度或多或少地产生一定的影响2)非阻塞性颗粒阻尼技术的施加位置很重要3)孔径的大小也影响减振效果4)颗粒材料应尽可能选择密度大的材料(如铅、钨等)5)颗粒的填充数量常用体积填充比(定义为所有颗粒占据的体积与孔腔总体积之比)和质量填充比(定义为颗粒实际填充质量与最大可填充质量之比)表示10.3.4颗粒阻尼减震机理与特性颗粒阻尼的减振机理是由于结构体与其内部填充的颗粒之间存在耦合运动,导致颗粒之间以及颗粒与结构体之间做相对碰撞与摩擦运动,从而消耗结构体的振动能量颗粒阻尼的能量耗散主要分为两大类:①外部耗散:通过颗粒与腔体或孔壁之间不断地摩擦和冲击作用将能量耗散掉;②内部耗散:通过颗粒之间的相互摩擦与冲击将能量耗散掉图10-8颗粒阻尼的能量耗散分布213456710.4应用与研究进展10.4.1航天工程领域-1如图10-11所示。颗粒阻尼器(颗粒材料为铅粒,阻尼器质量填充比为15%~20%)在安装梁的端部,地面模拟试验结果显示经颗粒阻尼技术处理后的上述两种附件结构的模态阻尼提高了5%~20%。图10-11带有颗粒阻尼器的航天器悬臂梁状附件结构示意图10.4.1航天工程领域-2图10-14所示为某航天器使用的电子线路箱,为降低冲击和声载荷激励的影响,采用前面已开发的颗粒可调谐质量阻尼器进行处理,效果显著,共振频率处的品质因子可降低10图10-14某电子线路箱(左)和颗粒可调谐质量阻尼器布局(右)10.4.2其他工程领域除了上述航天工程领域外,颗粒阻尼技术还成功用于装甲车辆、管道系统、雷达采样架立柱、金融捆钞机、深海石油和天然气钻铤、IC封装设备、船用压缩机组以及高层建筑等设备或结构的振动控制中。颗粒阻尼技术还可与前面介绍的隔振技术或动力吸振技术等有机地结合,可以得到更好的振动控制效果图10-22智利ParqueAraucano高层建筑以及动力吸振器系统10.4.3理论分析方法-11.集中质量法该方法的思想是将连续体结构(如悬臂梁)等效为一个简单的单自由度系统(按首阶模态进行等效),把填充的颗粒等效为一个同质量的单颗粒,如图10-23所示集中质量法的优点是模型简单,易于计算,但该方法仅对颗粒整体与腔体之间的非弹性碰撞产生的冲击阻尼效应进行了精确的表达,而对颗粒之间碰撞和摩擦耗能、颗粒与腔体之间的摩擦耗能仅通过试验拟合得到的经验公式进行近似描述图10-23集中质量法模型示意图10.4.3理论分析方法-22.散体元法散体元法(DEM)是解决非连续介质问题的一种显式求解数值方法，该方法是对每一个离散的颗粒进行建模,根据牛顿第二定律和接触关系来描述颗粒的运动,通过时步迭代求解,跟踪颗粒的运动轨迹,主要用于采矿、冶金、岩土工程、颗粒运输、生物制药、石油化工等领域散体元法仿真需要对每一个颗粒进行建模计算,当颗粒数目较大时,需要花费大量的计算资源和计算时间,计算成本比较高散体元法的研究对象多为简单的单自由度系统,或能够等效为单自由度系统的简单连续体结构(如悬臂梁等),而无法完成复杂颗粒阻尼连续体结构的振动响应的仿真计算10.4.3理论分析方法-33.气固两相流理论气固两相流,顾名思义就是由气体相和固体相组成的两相混合流,广泛存在于自然界和工农业生产中目前气固两相流理论已成功引入振动工程领域的颗粒阻尼技术理论分析与响应预估中目前通过多物理场耦合软件COMSOL进行联合仿真技术,可以实现从简单梁、板结构到复杂的箱体类结构以及工程实际结构振动乃至声辐射响应的准确预估缺点：①操作技能要求高:需要根据理论公式在软件中编写代码;②模型创建复杂:对于在结构上施加的颗粒阻尼器,需要逐个设定;③高消耗、低效率:占用大量计算机资源(内存和CPU),计算效率较低;④网格功能不完善:导入网格仅包含节点信息,对模型和网格的修改困难213456710.5工程应用实例10.5.1全自动捆钞机的振动控制全自动捆钞机在捆钞过程中,捆扎带的成圈和热合是通过高速主电动机和偏心轴驱动摇爪机构,带动摆轴回转和摆动而实现的对于图10-30所示的捆钞机机架,采用ϕ0.5mm的钨粉颗粒,在以下三个位置施加非阻塞性颗粒阻尼技术:1)在摆轴轴孔和偏心轴轴孔周围分别钻10个ϕ3mm的小孔,孔深均为20mm,如图10-31a所示2)在机架板上分别沿横向和纵向钻孔,孔径均为ϕ4mm,孔深根据具体的钻孔位置确定。板1的钻孔示意图如图10-31b所示,板2的钻孔位置与其相似3)在机架的其他位置上(见图10-31c)钻孔,孔径为ϕ4mm,孔深根据具体位置确定图10-30捆钞机机架结构示意图10.5.2卫星低温结构冷级面板的振动控制在航天器发射入轨的过程中,卫星低温结构(CryogenicStructure)往往承受超过设计极限的载荷冲击,容易导致与其相连接的隔热器(ThermalIsolator)产生过高的应力水平,对于低温结构的正常工作乃至卫星的平稳运行造成严重影响。因此,开展卫星低温结构的振动控制具有极为重要的意义低温结构是一个质量为53lb的铝制加筋矩形板(30in×10in)结构,由温