弹性涂层颗粒阻尼器的耗能分析

　　付立新吕云飞谷巍王继伟
　　【摘要】颗粒阻尼是通过将一些金属或非金属粒子放置于振动结构空腔或附加腔。当机械结构振动时，颗粒之间以及颗粒与内壁之间会产生摩擦和冲击。同时保持动量转换、噪声辐射和摩擦生热，从而使系统的振动能得以消耗，目的是减振降噪。颗粒阻尼具有耗能效果好、结构简单、成本低廉、易于实施及适合在恶劣环境下使用等优点。由于粘弹性材料具有良好的耗能特性，故文章中提出了一种带有粘弹性材料涂层的颗粒阻尼器。
　　【关键词】颗粒阻尼；粘弹性涂层；摩擦耗能
　　颗粒阻尼器的工作原理是通过颗粒之间以及颗粒与容器壁之间的非弹性碰撞和摩擦来消耗能量，为了增大颗粒阻尼器的阻尼效果即增加颗粒间碰撞和摩擦耗散能量。本文主要研究阻尼运动产生机理，并详细分析颗粒运动过程中能量消耗过程。并分析在运动过程中影响阻尼效果因素。从而提出利用载有粘性材料刚性球来代替普通钢球提高阻尼效果！
　　一、颗粒阻尼的摩擦耗能理论研究
　　（一）颗粒阻尼的耗能机理
　　颗粒阻尼的动态特性可以用碰撞和摩擦耗能机理来解释。其主要的工作原理就是通过颗粒和颗粒之间以及颗粒和特定容器之间的摩擦大大的降低系统能量。当外界的激励力不断增加的时候，系统的震动幅度就会相应的增加。这时表面层颗粒克服了其最大静摩擦力，于是这些颗粒在其初始位置附近做幅值很小的振动。在这个时候颗粒的阻尼消耗主要来源于颗粒不同层之间的摩擦。随着外界激励力幅值的不断增加，那么在竖直方向上参与运动的颗粒就会不断的增加，从而消耗的能量更大。
　　当激励力幅值达到一定程度的时候，颗粒间振动就会加强，碰撞几率增大，而且这样的碰撞过程也会变得更加激烈。由于颗粒在运动过程中会不断的将能量损失掉，那么带有特殊材料的颗粒反弹速度不断降低，也就产生阻尼，使能量逐渐降低这样颗粒发生乱飞的概率就会逐渐的降低，同时颗粒之间的摩擦几率也会相应的增加。此时，主要通过阻尼器中颗粒之间的摩擦来耗散能量。
　　（二）颗粒间的摩擦耗能分析
　　根据阻尼运动耗能的基本原理可以发现：当颗粒碰撞的过程中会消耗大量的动能，而且颗粒振动响应就会变得越来越小，可近似的表现为颗粒间在做摩擦运动，因此，颗粒阻尼器实际上主要通过摩擦进行能量的损耗。阻尼器中的颗粒相对较多的时候，由于空间有限，所以颗粒的振动幅度就会降低，此时颗粒之间的摩擦主要体现的就是不同颗粒层之间的摩擦。所以在本文的研究中主要就是通过建立相关的耗能模型，来不断的研究颗粒之间的阻尼运动，同时对有无弹性涂层颗粒的阻尼效果进行比较。当颗粒相对较多的时候，利用经典的粉体力学可以有效的将颗粒之间的相互作用进行分析和研究。
　　（三）不带弹性涂层钢球与带弹性涂层钢球摩擦耗能效果比较
　　由于在上文中已经建立了相关的颗粒阻尼模型，并分别推导出不带弹性涂层钢球与带弹性涂层钢球因摩擦而损耗的能量的计算公式。为了能够更好的分析阻尼器的阻尼效果，需要分别计算出二者的损耗能量，最后进行对比。
　　从图1。1中可以看到没有添加涂层的钢球在不同添加率的时候损耗的能量相比于那些有涂层的钢球摩擦损耗相对较少。
　　从摩擦的角度看来，当选择粘弹性小球作为填充材料的时候由于其密度相对较小，所以其表面应力就会相对的减小，这样由于颗粒之间的摩擦而做的功就会降低，这样耗损的能量就会降低。当在这样的钢球上涂抹一定的刚性材料以后，不但可以有效的提高颗粒的重量，同时还可以保证颗粒竖直方向上的应力，从而有效的提高了摩擦力，这样由于摩擦而产生的损失就会更多，保证了耗能效率的增加。
　　二、结论
　　本文针对带有弹性涂层颗粒的阻尼器，进行了摩擦耗能分析研究。通过计算和仿真分析可以总结出，带有弹性涂层颗粒的阻尼器不但具有传统性质的阻尼器特征，同时还具有粘弹性材料所具有的高效阻尼特性，因此在进行摩擦的过程中就会将更多的能量消耗掉，从而增强了阻尼效果。
　　【参考文献】
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