彈性涂層顆粒阻尼器的耗能分析

付立新 呂云飛 谷巍 王繼偉

【摘 要】顆粒阻尼是通過(guò)將一些金屬或非金屬粒子放置于振動(dòng)結(jié)構(gòu)空腔或附加腔。當(dāng)機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，顆粒之間以及顆粒與內(nèi)壁之間會(huì)產(chǎn)生摩擦和沖擊。同時(shí)保持動(dòng)量轉(zhuǎn)換、噪聲輻射和摩擦生熱，從而使系統(tǒng)的振動(dòng)能得以消耗，目的是減振降噪。顆粒阻尼具有耗能效果好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、易于實(shí)施及適合在惡劣環(huán)境下使用等優(yōu)點(diǎn)。由于粘彈性材料具有良好的耗能特性，故文章中提出了一種帶有粘彈性材料涂層的顆粒阻尼器。

【關(guān)鍵詞】顆粒阻尼；粘彈性涂層；摩擦耗能

顆粒阻尼器的工作原理是通過(guò)顆粒之間以及顆粒與容器壁之間的非彈性碰撞和摩擦來(lái)消耗能量，為了增大顆粒阻尼器的阻尼效果即增加顆粒間碰撞和摩擦耗散能量。本文主要研究阻尼運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理，并詳細(xì)分析顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能量消耗過(guò)程。并分析在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中影響阻尼效果因素。從而提出利用載有粘性材料剛性球來(lái)代替普通鋼球提高阻尼效果！

一、顆粒阻尼的摩擦耗能理論研究

（一）顆粒阻尼的耗能機(jī)理

顆粒阻尼的動(dòng)態(tài)特性可以用碰撞和摩擦耗能機(jī)理來(lái)解釋。其主要的工作原理就是通過(guò)顆粒和顆粒之間以及顆粒和特定容器之間的摩擦大大的降低系統(tǒng)能量。當(dāng)外界的激勵(lì)力不斷增加的時(shí)候，系統(tǒng)的震動(dòng)幅度就會(huì)相應(yīng)的增加。這時(shí)表面層顆粒克服了其最大靜摩擦力，于是這些顆粒在其初始位置附近做幅值很小的振動(dòng)。在這個(gè)時(shí)候顆粒的阻尼消耗主要來(lái)源于顆粒不同層之間的摩擦。隨著外界激勵(lì)力幅值的不斷增加，那么在豎直方向上參與運(yùn)動(dòng)的顆粒就會(huì)不斷的增加，從而消耗的能量更大。

當(dāng)激勵(lì)力幅值達(dá)到一定程度的時(shí)候，顆粒間振動(dòng)就會(huì)加強(qiáng)，碰撞幾率增大，而且這樣的碰撞過(guò)程也會(huì)變得更加激烈。由于顆粒在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)不斷的將能量損失掉，那么帶有特殊材料的顆粒反彈速度不斷降低，也就產(chǎn)生阻尼，使能量逐漸降低這樣顆粒發(fā)生亂飛的概率就會(huì)逐漸的降低，同時(shí)顆粒之間的摩擦幾率也會(huì)相應(yīng)的增加。此時(shí)，主要通過(guò)阻尼器中顆粒之間的摩擦來(lái)耗散能量。

（二）顆粒間的摩擦耗能分析

根據(jù)阻尼運(yùn)動(dòng)耗能的基本原理可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)顆粒碰撞的過(guò)程中會(huì)消耗大量的動(dòng)能，而且顆粒振動(dòng)響應(yīng)就會(huì)變得越來(lái)越小，可近似的表現(xiàn)為顆粒間在做摩擦運(yùn)動(dòng)，因此，顆粒阻尼器實(shí)際上主要通過(guò)摩擦進(jìn)行能量的損耗。阻尼器中的顆粒相對(duì)較多的時(shí)候，由于空間有限，所以顆粒的振動(dòng)幅度就會(huì)降低，此時(shí)顆粒之間的摩擦主要體現(xiàn)的就是不同顆粒層之間的摩擦。所以在本文的研究中主要就是通過(guò)建立相關(guān)的耗能模型，來(lái)不斷的研究顆粒之間的阻尼運(yùn)動(dòng)，同時(shí)對(duì)有無(wú)彈性涂層顆粒的阻尼效果進(jìn)行比較。當(dāng)顆粒相對(duì)較多的時(shí)候，利用經(jīng)典的粉體力學(xué)可以有效的將顆粒之間的相互作用進(jìn)行分析和研究。

（三）不帶彈性涂層鋼球與帶彈性涂層鋼球摩擦耗能效果比較

由于在上文中已經(jīng)建立了相關(guān)的顆粒阻尼模型，并分別推導(dǎo)出不帶彈性涂層鋼球與帶彈性涂層鋼球因摩擦而損耗的能量的計(jì)算公式。為了能夠更好的分析阻尼器的阻尼效果，需要分別計(jì)算出二者的損耗能量，最后進(jìn)行對(duì)比。

從圖1.1中可以看到?jīng)]有添加涂層的鋼球在不同添加率的時(shí)候損耗的能量相比于那些有涂層的鋼球摩擦損耗相對(duì)較少。

從摩擦的角度看來(lái)，當(dāng)選擇粘彈性小球作為填充材料的時(shí)候由于其密度相對(duì)較小，所以其表面應(yīng)力就會(huì)相對(duì)的減小，這樣由于顆粒之間的摩擦而做的功就會(huì)降低，這樣耗損的能量就會(huì)降低。當(dāng)在這樣的鋼球上涂抹一定的剛性材料以后，不但可以有效的提高顆粒的重量，同時(shí)還可以保證顆粒豎直方向上的應(yīng)力，從而有效的提高了摩擦力，這樣由于摩擦而產(chǎn)生的損失就會(huì)更多，保證了耗能效率的增加。

二、結(jié)論

本文針對(duì)帶有彈性涂層顆粒的阻尼器，進(jìn)行了摩擦耗能分析研究。通過(guò)計(jì)算和仿真分析可以總結(jié)出，帶有彈性涂層顆粒的阻尼器不但具有傳統(tǒng)性質(zhì)的阻尼器特征，同時(shí)還具有粘彈性材料所具有的高效阻尼特性，因此在進(jìn)行摩擦的過(guò)程中就會(huì)將更多的能量消耗掉，從而增強(qiáng)了阻尼效果。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 王文婷. 帶彈性材料涂層的顆粒阻尼器的機(jī)理研究[D]. 東北大學(xué)，2014.

[2] 李博. 基于接觸力學(xué)的顆粒阻尼器形狀及材料參數(shù)對(duì)耗能減振影響的研究[D]. 東北大學(xué)，2010.

[3] 胡栗. 顆粒阻尼的機(jī)理與特性研究[D]. 華中科技大學(xué)，2008

[4] 王宏 ，郭彥林，任革學(xué). 索振動(dòng)控制及其工程應(yīng)用[J]. 工業(yè)建筑，2003，7：54–56.

[5] M Trigui，E Foltête，N Bouhaddi. Prediction of the dynamic response of a plate treated by particle impact damper[J]. Mechanical Engineering Science，2013，228（5）：799-814.