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阻尼器结构组成对碰撞阻尼性能的影响
发布时间:2018-08-21    点击次数:次   
通过改变冲击器的直径和颗粒材料的类型,在一根悬臂梁上放置阻尼器,采用实验的方法获得各种成分组合条件下阻尼器的响应。结果表明,在带颗粒减振剂的碰撞阻尼器中,改变颗粒材料时,平均振幅降低率在 72.7%~75.4%高于不带颗粒时的 62.7%;改变冲击器直径时,平均振幅降低率在 72.1%~75.9%, 远高于阻尼器中只有颗粒时的平均值33.3%。 带颗粒减振剂的碰撞阻尼具有良好的减振性能,其减振效果好于传统的只带冲击器的碰撞阻尼器和只带颗粒的颗粒阻尼器; 冲击器的直径和颗粒的材料类型对带颗粒减振剂的碰阻尼的减振性能影响均不大。

 
阻尼器

 
碰撞阻尼属于振动控制中的被动控制技术, 它利用振动过程中冲击器与主系统的碰撞来控制主系统的响应。关于碰撞阻尼的研究最近得到了迅猛的发展,在航天、 航空、 军工、 汽车等领域和建筑、 桥梁、铁路等结构工程的振动控制中得到了广泛的应用, 并取得了良好的减振效果。目前,有代表性地碰撞阻尼包括单体碰撞阻尼[1]、 多体碰撞阻尼[2]、 豆包碰撞阻尼[3]、颗粒碰撞阻尼[4-5]、 非阻塞性颗粒碰撞阻尼[6-7]和带颗粒减振剂的碰撞阻尼[8]等等。
 
碰撞阻尼大都以动量交换和摩擦作为耗能机理,将系统的能量暂时转移或永久地消耗。 在阻尼器腔体中加入钢球冲击器和颗粒减振材料组成的带颗粒减振剂的碰撞阻尼器[8],可利用振动过程中钢球的冲击作用使腔体中的颗粒材料产生挤压, 发生塑性变形,永久地消耗系统的能量。 关于带颗粒减振剂的碰撞阻尼的研究目前还不多,在减振机理方面,杜妍辰等[9-10]以两球弹塑性碰撞的解析解为基础,提出了等代参数法预测带颗粒夹击的耗能计算方法; 在减振性能方面, 研究了有无冲击器和有无填充颗粒的影响[8],其中,冲击器只有 1 个,颗粒材料也只有铜粉一种情况。
 
已有的研究表明[2],将一个冲击器替换为多个冲击器,可部分提高阻尼器的减振性能。 关于多个冲击器在带颗粒减振剂的碰撞阻尼中的作用目前还没有研究, 关于不同颗粒材料尤其是非金属颗粒在阻尼器中是否有效,目前也尚未涉及。 本文中以带颗粒减振剂的碰撞阻尼为对象进行实验研究, 通过改变阻尼器中冲击器的直径、数量及颗粒材料,研究它们对带颗粒减振剂的碰撞阻尼减振效果的影响。
 
1 实验方法与内容
 
1.1 实验装置
 
实验在悬臂梁上进行。 悬臂梁竖向放置,一端固定,另一端自由。 信号发生器产生的正弦信号经放大后由电磁激振器作用于悬臂梁固定端,使悬臂梁进行振动。 阻尼器固定于悬臂梁的自由端,加速度传感器固定于阻尼器的对面,振动信号经放大后由采集仪采集、由 dasp 软件分析后得到系统的振动特性。 实验装置示意图见图 1, 实验中采用的悬臂梁和阻尼器腔体参数见表 1。
 
1.2 实验内容
 
本实验中考虑了 4 种冲击器直径,分别为 10、 5、2.5、 1 mm。 为方便比较,按质量相同的原则,以上不同直径冲击器的数量分别为 1、 8、 64、 1 000 个。 添加的颗粒减振剂有 3 种金属颗粒包括铜粉、 锌粉和铝粉以及非金属颗粒石英砂,颗粒减振剂的体积填充率为 40%,颗粒材料的直径见表 2。
 
实验内容按照有、无冲击器和有、无颗粒,共计30 种工况来组织 。 每种工况下均采用正弦激励 ,激振器的功率保持不变, 激振频率为 12~13 hz,每0.1 hz 做一次实验 。 每次实验均测量悬臂梁自由端的最大振幅。
 
2 结果与讨论
 
2.1 实验结果
 
实验结果按颗粒类型来组织, 分为无粉、 铜粉、锌粉、 铝粉和石英砂 5 组。 每组中包含冲击器直径为10、 5、 2.5、 1 mm 共 4 条结果曲线,对于带粉的后 4组,还包括纯粉不加冲击器的 1 条结果曲线。 为方便与未加阻尼器的结果相对比, 每组中还增加了不加冲击器也不加颗粒的结果曲线。 5 组实验结果见图2。 实验中悬臂梁系统无外加阻尼器时的最大振幅为18.20 mm,共振频率为 12.66 hz。 阻尼器中加入冲击器后,如图 2(a)所示,共振频率轻微左移,最大振幅明显降低,与前人研究结果类似,冲击器的加入对抑制共振区的振幅起到了很好的减振效果。 阻尼器中再加入颗粒后,如图 2(b)—(e)所示,振幅进一步降低,说明颗粒在其中起到了减振剂的作用。 不同类型的颗粒所起到的作用是相似的,不同直径的冲击器所起的作用相差也不大。 在阻尼器中只加入颗粒而不加入冲击器时, 减振效果明显不如带颗粒减振剂的碰撞阻尼。图 2(e)中,10 mm 冲击器与石英砂的组合数据出现了异常,其原因将在下一节分析。
 
为进一步定量分析冲击器和颗粒材料对碰撞阻尼器减振性能的影响,将各次实验中的结果列于表 3,并以无冲击器、无颗粒的实验结果为基础,分析各种情况下冲击器的减振效果, 振幅降低率见表 4。 在表3、 4 中,每行或每列的第一个数据未计入该行或该列的平均值中,带括号的数据为异常数据,在行和列的平均值中均未计入。
 
从表 3、 4 的数据可以看出, 在同时带有颗粒和冲击器的阻尼器中,不同类型颗粒对减振效果的影响不大,平均振幅降低率在 72.7%~75.4%,高于不带颗粒时的62.7%, 说明颗粒减振剂在其中起了较大的作用; 不同直径的冲击器对减振效果的影响也不大,平均振幅降低率在 72.1%~75.9%,远高于阻尼器中只有颗粒时的平均值 33.3%,充分说明了冲击器在阻尼器中的重要作用。
 
2.2 讨论
 
2.2.1 冲击器和颗粒类型
 
带颗粒减振剂的碰撞阻尼在传统碰撞阻尼结构中填充了微细颗粒作为减振剂,其主要的耗能机理是在阻尼器振动过程中,钢球的撞击使夹在其间的作为减振剂的微细颗粒产生塑性变形,从而永久性地消耗掉振动能量。 钢球夹击颗粒属于多体弹塑性碰撞问题,文献[10]采用等代参数法利用已有的两球弹塑性碰撞模型[9]快速求出了在单个碰撞周期中颗粒夹击过程的能量损耗因子,讨论了该方法的适用性并分析了颗粒夹击过程中各主要参数特别是颗粒与冲击器直径比以及颗粒材料的影响。
 
文献[10]的研究表明:颗粒和球直径比在 1/200~1/10 时, 颗粒和球直径比对能量损耗因子影响并不大;颗粒材料对能量损耗因子影响也不大,所以采用较小粒径的颗粒或更换颗粒材料将不会显著增加耗能效果。 尽管文献[10]给出了上述理论预测结果,但这些结果并未通过实验给予验证。 本文中的实验结果与文献[10]的理论分析结果相吻合,为等代参数法的正确性提供了有力的证明。
 
文献[10]的等代参数法是建立在弹塑性分析的基础之上的,一般来说只适用于金属材料,而本文中的实验结果表明, 非金属颗粒材料同样具有良好的耗能性能,可以充当颗粒减振剂,其机理有待进一步的研究。 带颗粒减振剂的碰撞阻尼器对不同大小的冲击器和不同材料类型的颗粒均有较好的适应性, 这一特性大大方便了颗粒减振剂的碰撞阻尼器的设计和制造。
 
2.2.2 大颗粒的影响
 
在图 2(e)中,10 mm 钢球与石英砂的组合,减振效果并不理想,减振率只有 10.3%。 经检查,阻尼器内径 12 mm,加入 10 mm 钢球后,间隙为 2 mm,而石英砂的颗粒直径最大也在 2 mm 左右,振动开始后石英砂颗粒与 10 mm 钢球卡死在阻尼器中,使阻尼器无法实现碰撞, 丧失了通过碰撞减振的功能。 这个实例提醒我们, 在阻尼器的设计过程中, 应考虑冲击器直径、 颗粒减振剂的直径以及阻尼器内径三者之间的匹配, 避免造成冲击器与颗粒卡死在阻尼器中的现象发生。
 
3 结论
 
1)带颗粒减振剂的碰撞阻尼具有良好的减振性能,其减振效果好于传统的只带冲击器的碰撞阻尼器和只带颗粒的颗粒阻尼器;
 
2)冲击器的直径对带颗粒减振剂的碰撞阻尼的减振性能影响不大;
 
3)颗粒的材料类型对带颗粒减振剂的碰撞阻尼的减振性能影响不大,在设计阻尼器时不仅可以选用金属颗粒,还可以选用非金属颗粒;
 
4)在阻尼器设计时,冲击器直径和颗粒直径应与阻尼器内径协调,以避免出现卡死现象。
 

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