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】顆粒阻尼是通過將一些金屬或非金屬粒子放置于振動結(jié)構(gòu)空腔或附加腔。當(dāng)機(jī)械結(jié)構(gòu)振動時，顆粒之間以及顆粒與內(nèi)壁之間會產(chǎn)生摩擦和沖擊。同時保持動量轉(zhuǎn)換、噪聲輻射和摩擦生熱，從而使系統(tǒng)的振動能得以消耗，目的是減振降噪。顆粒阻尼具有耗能效果好、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、易于實施及適合在惡劣環(huán)境下使用等優(yōu)點。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顆粒之間以及顆粒與容器壁之間的非彈性碰撞和摩擦來消耗能量，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動產(chǎn)生機(jī)理，并詳細(xì)分析顆粒運動過程中能量消耗過程。并分析在運動過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

顆粒阻尼的動態(tài)特性可以用碰撞和摩擦耗能機(jī)理來解釋。其主要的工作原理就是通過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)外界的激勵力不斷增加的時候，系統(tǒng)的震動幅度就會相應(yīng)的增加。這時表面層顆?？朔似渥畲箪o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。在這個時候顆粒的阻尼消耗主要來源于顆粒不同層之間的摩擦。隨著外界激勵力幅值的不斷增加，那么在豎直方向上參與運動的顆粒就會不斷的增加，從而消耗的能量更大。

當(dāng)激勵力幅值達(dá)到一定程度的時候，顆粒間振動就會加強(qiáng)，碰撞幾率增大，而且這樣的碰撞過程也會變得更加激烈。由于顆粒在運動過程中會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)生亂飛的概率就會逐漸的降低，同時顆粒之間的摩擦幾率也會相應(yīng)的增加。此時，主要通過阻尼器中顆粒之間的摩擦來耗散能量。

（二）顆粒間的摩擦耗能分析

根據(jù)阻尼運動耗能的基本原理可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)顆粒碰撞的過程中會消耗大量的動能，而且顆粒振動響應(yīng)就會變得越來越小，可近似的表現(xiàn)為顆粒間在做摩擦運動，因此，顆粒阻尼器實際上主要通過摩擦進(jìn)行能量的損耗。阻尼器中的顆粒相對較多的時候，由于空間有限，所以顆粒的振動幅度就會降低，此時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建立相關(guān)的耗能模型，來不斷的研究顆粒之間的阻尼運動，同時對有無彈性涂層顆粒的阻尼效果進(jìn)行比較。當(dāng)顆粒相對較多的時候，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，需要分別計算出二者的損耗能量，最后進(jìn)行對比。

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候損耗的能量相比于那些有涂層的鋼球摩擦損耗相對較少。

從摩擦的角度看來，當(dāng)選擇粘彈性小球作為填充材料的時候由于其密度相對較小，所以其表面應(yīng)力就會相對的減小，這樣由于顆粒之間的摩擦而做的功就會降低，這樣耗損的能量就會降低。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)生的損失就會更多，保證了耗能效率的增加。

二、結(jié)論

本文針對帶有彈性涂層顆粒的阻尼器，進(jìn)行了摩擦耗能分析研究。通過計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)行摩擦的過程中就會將更多的能量消耗掉，從而增強(qiáng)了阻尼效果。

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