颗粒阻尼的动态特性研究.pdf

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颗粒阻尼的动态特性研究胡溧，黄其柏，柳占新，王剑亮颗粒阻尼的动态特性试验mm一1．6摘要：颗粒阻尼技术已经成功的应用于多个领域抑制振动。然而，由于颗粒阻尼复杂的碰撞和摩擦减振机理，颗粒阻尼是一种非线性阻尼。它的减振机理就是通过颗粒之间的表面摩擦和非弹性碰撞耗能。颗粒阻尼技术能在极端条件下进行减振，同时具有冲击力最小，对结构刚度影响小以及能适应外界大范围温度变化等诸多优点。影响颗粒阻尼特性的参数很多，例如：容器的填充比和形状、颗粒的形状和尺寸以及颗粒材料的属性(粘性、弹性、摩擦系数和密度)。由于颗粒阻尼复杂的耗能机理，关于颗粒阻尼内部颗粒相互作用机理的理论分析研究依然很少见⋯。对于非线性阻尼的研究，多采用理论与实验结合的方法口J。在过去的十几年，随着离散单元法在很多领域得到了广泛的应用，离散单元法用于颗粒阻尼的研究¨’3’4J。实际上，由于颗粒阻尼中颗粒的数目较多，粉体力学提供了一个解决这类问题的很好途径p本文通过试验的方法，研究了单自由度系统中外界激励力幅值和颗粒阻尼容器几何特性对其阻尼特性影响，通过建立对应的粉体力学模型，揭示了影响颗粒阻尼特性的内在耗能机理。同时应用等效阻尼的概念，归纳出颗粒阻尼的容器形状及特征对其减振特性影响的等效阻尼模型，对实际应用中的颗粒阻尼设计具有指导意义。试验装置由一个质量块和一组弹簧串联后，固支在刚性底座上组成的，颗粒阻尼固定在质量块上。试验装置设计成为第一阶频率远小于第二阶频率的系统，使得该装置能够进行近似单自由度的振动。质量块的质量为1．034kg，弹簧的刚度为1N／m。单自由度系统由一个激励力沿水平方向的激振器激励。颗粒阻尼则是由聚乙烯树脂容器，填充90％的直径为mm的铅粒组成。容器的质量为9g，颗粒的质量为24g。该装置的结构如图l所示。使用丹麦B&K公司的PULSE振动测试系统进行试验。根据所输入的激励力幅值大小分组，分别测定系统在不同激励下的频响函数。激励频率的范围限定在Hz之间，包括了系统的第一阶共振频率23．5Hz。将容器直径和长度分别固定为15mm和25．43mm。从测试结果可以看到，固连在质量块上的颗粒阻尼表现出明显的宏观阻尼特性，如图2所示。虚线表示系统没有颗粒阻尼时的频响函数，此时系统的频响函数独立于外界激励，只跟系统本身的特性有关。其它实线是系统安装有颗粒阻尼时的频响函数。标注为l，2，3和4的曲线分别对应的是外界激励幅值为0．1V，V和0．4V时系统的频响函数。从上图可以看出，当外界激励力的幅值很小的时候(0．1V)，颗粒阻尼起到的只是附加质量的作用，效果是将系统的共振频率从31．5Hz降低到30．5Hz。随着激励幅值的增加，阻尼效果明显增加，系统的共振频率向低频移动。当激振力的幅值达到0．5V(如标注为5的曲线所示)，系统的共振频率为26．8Hz。而且，随着激励幅值的进一步增加，阻尼效果增加得越来越慢，系统的共振频率的移动也越来越小。当外界激励力的幅值达到0．8V时，阻尼比之值达到最大。进一步增大激(华中科技大学机械科学与工程学院，武汉430074)很难预测其减振特性。本文建立了颗粒阻尼的粉体力学模型，并用于研究颗粒阻尼容器的截面形状及尺寸关系对其减振特性的影响。通过试验研究，揭示了颗粒阻尼的非线性阻尼特性，并应用等效阻尼的原理提出了合理的颗粒阻尼的等效数学模型。关键词：颗粒阻尼；非线性阻尼；粉体力学模型；摩擦减振；等效阻尼中图分类号：THll3．1文献标识码：A1图1试验装置第28卷第1期振动与冲击256基金项目：国家自然科学基金资助项目(50075029)收稿日期：2008—01—14修改稿收到日期：2008—05—27第一作者胡溧男，博士生，1977年3月生0．88Hz一50O．2V，0．3JOURNALOFVIBRAl"IONSHOCKANDo。
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2_5就是在外界激励力在此幅值范围内的系统频响函导致了颗粒阻尼减振效果的下降。2颗粒阻尼减振机理的静力。包含在容器的颗粒介质中，静压力的变化并不像流体力学中的那样。可以建立一个类似于粉体力振力的幅值，阻尼比的值会有很小的下降，系统的共振频率变化也很小。颗粒阻尼的动态特性可以用碰撞和摩擦耗能机理来解释。颗粒阻尼通过颗粒间以及颗粒和容器壁间的摩擦和碰撞来消耗振动系统的动能。当外界激励力的幅值很低时，系统的振动响应也很小。此时颗粒之间以及颗粒和容器壁之间没有相对运动，于是颗粒阻尼几乎不会表现出阻尼特性，只起到附加质量的作用。当外界激励力的幅值增加时，系统的振动响应幅值也随之增加。这时，表面层颗粒的惯性力超过了阻止它们相对运动的摩擦力，于是这些颗粒在其初始位置附近做微幅振动。这时，颗粒阻尼通过容器中竖直方向的颗粒层与层之间的摩擦来耗散能量。如图2中，曲线数。之后，随着激励力幅值的增加，参与运动消耗