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    阻尼器結構組成對碰撞阻尼性能的影響

    作者:北京固力同創 來源:www.cizdsn.icu 發表時間:2016-9-12 瀏覽:次  百度一下

    通過改變沖擊器的直徑和顆粒材料的類型,在一根懸臂梁上放置阻尼器,采用實驗的方法獲得各種成分組合條件下阻尼器的響應。結果表明,在帶顆粒減振劑的碰撞阻尼器中,改變顆粒材料時,平均振幅降低率在 72.7%~75.4%高于不帶顆粒時的 62.7%;改變沖擊器直徑時,平均振幅降低率在 72.1%~75.9%, 遠高于阻尼器中只有顆粒時的平均值33.3%。 帶顆粒減振劑的碰撞阻尼具有良好的減振性能,其減振效果好于傳統的只帶沖擊器的碰撞阻尼器和只帶顆粒的顆粒阻尼器; 沖擊器的直徑和顆粒的材料類型對帶顆粒減振劑的碰阻尼的減振性能影響均不大。

    碰撞阻尼屬于振動控制中的被動控制技術, 它利用振動過程中沖擊器與主系統的碰撞來控制主系統的響應。關于碰撞阻尼的研究最近得到了迅猛的發展,在航天、 航空、 軍工、 汽車等領域和建筑、 橋梁、鐵路等結構工程的振動控制中得到了廣泛的應用, 并取得了良好的減振效果。目前,有代表性地碰撞阻尼包括單體碰撞阻尼[1]、 多體碰撞阻尼[2]、 豆包碰撞阻尼[3]、顆粒碰撞阻尼[4-5]、 非阻塞性顆粒碰撞阻尼[6-7]和帶顆粒減振劑的碰撞阻尼[8]等等。

    碰撞阻尼大都以動量交換和摩擦作為耗能機理,將系統的能量暫時轉移或永久地消耗。 在阻尼器腔體中加入鋼球沖擊器和顆粒減振材料組成的帶顆粒減振劑的碰撞阻尼器[8],可利用振動過程中鋼球的沖擊作用使腔體中的顆粒材料產生擠壓, 發生塑性變形,永久地消耗系統的能量。 關于帶顆粒減振劑的碰撞阻尼的研究目前還不多,在減振機理方面,杜妍辰等[9-10]以兩球彈塑性碰撞的解析解為基礎,提出了等代參數法預測帶顆粒夾擊的耗能計算方法; 在減振性能方面, 研究了有無沖擊器和有無填充顆粒的影響[8],其中,沖擊器只有 1 個,顆粒材料也只有銅粉一種情況。

    已有的研究表明[2],將一個沖擊器替換為多個沖擊器,可部分提高阻尼器的減振性能。 關于多個沖擊器在帶顆粒減振劑的碰撞阻尼中的作用目前還沒有研究, 關于不同顆粒材料尤其是非金屬顆粒在阻尼器中是否有效,目前也尚未涉及。 本文中以帶顆粒減振劑的碰撞阻尼為對象進行實驗研究, 通過改變阻尼器中沖擊器的直徑、數量及顆粒材料,研究它們對帶顆粒減振劑的碰撞阻尼減振效果的影響。

    1 實驗方法與內容

    1.1 實驗裝置

    實驗在懸臂梁上進行。 懸臂梁豎向放置,一端固定,另一端自由。 信號發生器產生的正弦信號經放大后由電磁激振器作用于懸臂梁固定端,使懸臂梁進行振動。 阻尼器固定于懸臂梁的自由端,加速度傳感器固定于阻尼器的對面,振動信號經放大后由采集儀采集、由 dasp 軟件分析后得到系統的振動特性。 實驗裝置示意圖見圖 1, 實驗中采用的懸臂梁和阻尼器腔體參數見表 1。

    1.2 實驗內容

    本實驗中考慮了 4 種沖擊器直徑,分別為 10、 5、2.5、 1 mm。 為方便比較,按質量相同的原則,以上不同直徑沖擊器的數量分別為 1、 8、 64、 1 000 個。 添加的顆粒減振劑有 3 種金屬顆粒包括銅粉、 鋅粉和鋁粉以及非金屬顆粒石英砂,顆粒減振劑的體積填充率為 40%,顆粒材料的直徑見表 2。

    實驗內容按照有、無沖擊器和有、無顆粒,共計30 種工況來組織 。 每種工況下均采用正弦激勵 ,激振器的功率保持不變, 激振頻率為 12~13 hz,每0.1 hz 做一次實驗 。 每次實驗均測量懸臂梁自由端的最大振幅。

    2 結果與討論

    2.1 實驗結果

    實驗結果按顆粒類型來組織, 分為無粉、 銅粉、鋅粉、 鋁粉和石英砂 5 組。 每組中包含沖擊器直徑為10、 5、 2.5、 1 mm 共 4 條結果曲線,對于帶粉的后 4組,還包括純粉不加沖擊器的 1 條結果曲線。 為方便與未加阻尼器的結果相對比, 每組中還增加了不加沖擊器也不加顆粒的結果曲線。 5 組實驗結果見圖2。 實驗中懸臂梁系統無外加阻尼器時的最大振幅為18.20 mm,共振頻率為 12.66 hz。 阻尼器中加入沖擊器后,如圖 2(a)所示,共振頻率輕微左移,最大振幅明顯降低,與前人研究結果類似,沖擊器的加入對抑制共振區的振幅起到了很好的減振效果。 阻尼器中再加入顆粒后,如圖 2(b)—(e)所示,振幅進一步降低,說明顆粒在其中起到了減振劑的作用。 不同類型的顆粒所起到的作用是相似的,不同直徑的沖擊器所起的作用相差也不大。 在阻尼器中只加入顆粒而不加入沖擊器時, 減振效果明顯不如帶顆粒減振劑的碰撞阻尼。圖 2(e)中,10 mm 沖擊器與石英砂的組合數據出現了異常,其原因將在下一節分析。

    為進一步定量分析沖擊器和顆粒材料對碰撞阻尼器減振性能的影響,將各次實驗中的結果列于表 3,并以無沖擊器、無顆粒的實驗結果為基礎,分析各種情況下沖擊器的減振效果, 振幅降低率見表 4。 在表3、 4 中,每行或每列的第一個數據未計入該行或該列的平均值中,帶括號的數據為異常數據,在行和列的平均值中均未計入。

    從表 3、 4 的數據可以看出, 在同時帶有顆粒和沖擊器的阻尼器中,不同類型顆粒對減振效果的影響不大,平均振幅降低率在 72.7%~75.4%,高于不帶顆粒時的62.7%, 說明顆粒減振劑在其中起了較大的作用; 不同直徑的沖擊器對減振效果的影響也不大,平均振幅降低率在 72.1%~75.9%,遠高于阻尼器中只有顆粒時的平均值 33.3%,充分說明了沖擊器在阻尼器中的重要作用。

    2.2 討論

    2.2.1 沖擊器和顆粒類型

    帶顆粒減振劑的碰撞阻尼在傳統碰撞阻尼結構中填充了微細顆粒作為減振劑,其主要的耗能機理是在阻尼器振動過程中,鋼球的撞擊使夾在其間的作為減振劑的微細顆粒產生塑性變形,從而永久性地消耗掉振動能量。 鋼球夾擊顆粒屬于多體彈塑性碰撞問題,文獻[10]采用等代參數法利用已有的兩球彈塑性碰撞模型[9]快速求出了在單個碰撞周期中顆粒夾擊過程的能量損耗因子,討論了該方法的適用性并分析了顆粒夾擊過程中各主要參數特別是顆粒與沖擊器直徑比以及顆粒材料的影響。

    文獻[10]的研究表明:顆粒和球直徑比在 1/200~1/10 時, 顆粒和球直徑比對能量損耗因子影響并不大;顆粒材料對能量損耗因子影響也不大,所以采用較小粒徑的顆;蚋鼡Q顆粒材料將不會顯著增加耗能效果。 盡管文獻[10]給出了上述理論預測結果,但這些結果并未通過實驗給予驗證。 本文中的實驗結果與文獻[10]的理論分析結果相吻合,為等代參數法的正確性提供了有力的證明。

    文獻[10]的等代參數法是建立在彈塑性分析的基礎之上的,一般來說只適用于金屬材料,而本文中的實驗結果表明, 非金屬顆粒材料同樣具有良好的耗能性能,可以充當顆粒減振劑,其機理有待進一步的研究。 帶顆粒減振劑的碰撞阻尼器對不同大小的沖擊器和不同材料類型的顆粒均有較好的適應性, 這一特性大大方便了顆粒減振劑的碰撞阻尼器的設計和制造。

    2.2.2 大顆粒的影響

    在圖 2(e)中,10 mm 鋼球與石英砂的組合,減振效果并不理想,減振率只有 10.3%。 經檢查,阻尼器內徑 12 mm,加入 10 mm 鋼球后,間隙為 2 mm,而石英砂的顆粒直徑最大也在 2 mm 左右,振動開始后石英砂顆粒與 10 mm 鋼球卡死在阻尼器中,使阻尼器無法實現碰撞, 喪失了通過碰撞減振的功能。 這個實例提醒我們, 在阻尼器的設計過程中, 應考慮沖擊器直徑、 顆粒減振劑的直徑以及阻尼器內徑三者之間的匹配, 避免造成沖擊器與顆?ㄋ涝谧枘崞髦械默F象發生。

    3 結論

    1)帶顆粒減振劑的碰撞阻尼具有良好的減振性能,其減振效果好于傳統的只帶沖擊器的碰撞阻尼器和只帶顆粒的顆粒阻尼器;

    2)沖擊器的直徑對帶顆粒減振劑的碰撞阻尼的減振性能影響不大;

    3)顆粒的材料類型對帶顆粒減振劑的碰撞阻尼的減振性能影響不大,在設計阻尼器時不僅可以選用金屬顆粒,還可以選用非金屬顆粒;

    4)在阻尼器設計時,沖擊器直徑和顆粒直徑應與阻尼器內徑協調,以避免出現卡死現象。


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