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日本面临国家破产

2018-03-21 13页 doc 160KB 4阅读

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日本面临国家破产日本面临国家破产 非阻塞性微颗粒阻尼机理的散体元研究 毛宽民, 陈天宁, 黄协清 摘要: 基于作者所建立的球状散体元模型,从细观上详细研究了非阻塞性微颗 粒阻尼(NOPD)的机理,为NOPD的进一步工程应用提供了理论基础(通过对微 颗粒组合体与主结构相互耦合运动的计算机仿真,对微颗粒组合体与主结构之间 能量传递及其运动过程中的能量损耗的定量计算分析,得到了NOPD阻尼机理的 一般性结论:NOPD的摩擦耗能与冲击耗能具有相同数量级的阻尼效应,但微颗 粒粒径越小,摩擦耗能就越明显大于冲击耗能;NOPD具有较宽的减振频带(理 ...
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日本面临国家破产 非阻塞性微颗粒阻尼机理的散体元研究 毛宽民, 陈天宁, 黄协清 摘要: 基于作者所建立的球状散体元模型,从细观上详细研究了非阻塞性微颗 粒阻尼(NOPD)的机理,为NOPD的进一步应用提供了理论基础(通过对微 颗粒组合体与主结构相互耦合运动的计算机仿真,对微颗粒组合体与主结构之间 能量传递及其运动过程中的能量损耗的定量计算,得到了NOPD阻尼机理的 一般性结论:NOPD的摩擦耗能与冲击耗能具有相同数量级的阻尼效应,但微颗 粒粒径越小,摩擦耗能就越明显大于冲击耗能;NOPD具有较宽的减振频带(理 论结果与前人的实验结果有很好的一致性( 关键词: 微颗粒阻尼;散体元法;振动 中国图书资料分类法分类号: O328;TB53 Mechanism of Non-Obstructive Particle Damping with Discrete Element Method Mao Kuanmin, Chen Tianning, Huang Xieqing (Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710049, China) Abstract: The discrete element method is applied to study the mechanism of non-obstructive particle damping (NOPD). Spherical particle are considered whereby coupled movement between the primary system and particle assembly is included. Quantitative analysis of energy transform is carried on to estimate the energy dissipated due to particle colliding with the primary system and each other. It is found that the energy dissipation in collision is of the same order as that of friction. NOPD has a wider vibration-reducing frequency band. Generally, dissipation due to friction exceeds that of collision. Such a founding is consistent with the experimental results obtained by others. Keywords: particle damping;discrete element method;vibration 非阻塞性微颗粒阻尼(Non Obstructive Particle Damping,简称NOPD)是 一种基于非连续介质的复合阻尼新技术,它是将微颗粒(粒径约在0.2 mm左右) 按某一填充率放入一个特定的结构空腔内(空腔孔径一般在2 mm左右),用以代 替传统冲击消振器中的刚性质量块(有关该项技术的阻尼特征的实验研究国外已,1,有报道(微颗粒材料可以是金属或非金属材料,也可采用固液混合材料,目,2,前金属微颗粒材料在恶劣环境、狭窄微细结构上已得到实际应用,但有关NOPD 的阻尼特征的理论研究尚未见有报道,国内更是一片空白( 文献,3,基于散体元法(Discrete Element Method,简称DEM)理论及NOPD 之结构特点,建立了NOPD的球体元模型,开发了NOPD阻尼机理研究的计算机仿 真程序NOPDBALL( 本文基于文献,3,提出的单自由度振动系统的模型,从细观上详细研究了NOPD之阻尼特性: (1)通过对振动系统的仿真研究,计算系统各部分(主系统、微颗粒组合体)的能量以及微颗粒与主系统、微颗粒与微颗粒在碰撞过程中的能量损耗,从细观上定量地分析了NOPD的耗能机理,得出了有关NOPD的阻尼机理的一般性结论( (2)与传统的冲击阻尼的频率敏感性相对比,研究了NOPD减振效果的频率不敏感性,这使NOPD阻尼技术的应用条件放宽,应用范围扩大( (3)仿真研究了NOPD减振效果与微颗粒的粒径、填充率、孔径比之关系,为NOPD阻尼器优化提供了指导( 1 NOPD阻尼机理的一般描述 若将NOPD中的每一个微颗粒看成一个空间刚体,那么,宏观上整个系统的运动就可以看成是每一个微颗粒之间的相互运动及微颗粒与主系统之间的相互运动的集合( 1(1 NOPD结构的冲击与摩擦特性 文献,3,已详细描述了NOPD结构的球体元模型及其力学模型(如图1所示)(图中K、C、μf分别为切向接触刚度、切向接触阻尼系数和摩擦系数,tt K、C分别为法向接触刚度、法向接触阻尼系数(每一个微颗粒与主结构空腔的nn 相互运动如图2所示(图中v表示微颗粒的空间速度,θ表示空间旋转速度,bb v表示主结构的速度(忽略其旋转)(微颗粒在接触点的速度可表示为 0 图1 NOPD的接触力学模型 图2 微颗粒与主结构的运动关系图 v′,v,θ×r (1) bbb 其中:r表示接触点处的法矢(指向微颗粒内部)(在接触点处微颗粒的速度与主结构的速度可沿法方向及切方向分解而得到它们的法向速度与切向速度(微颗粒 与主结构法向速度的存在,使得NOPD阻尼器具有冲击消振的特征(文献,4,已详细讨论了冲击过程中能量损耗的各种因素,得出碰撞前后速度变化所引起的能量损耗为 .ΔE,,mm,(m,m), bb 22,(1,e)(,b,),2, (2) 0, 其中:m、m分别为主结构和微颗粒的质量;e为弹性恢复系数;、b,分别b0,为主结构和微颗粒在碰撞前的瞬时速度(在某一时刻,与主结构接触的微颗粒很多,将所有这些接触碰撞,对(2)式求和,即可得到给定时刻由于主结构与微颗粒碰撞而损耗的能量 (3) 其中i表示所有与主结构空腔接触的接触点( 切向速度的存在,使得微颗粒与主结构在接触点处的切方向有了相对运动(根据Mindlin接触理论,切向接触力为 F,(,Kδ,Cetv) (4) tttt 摩擦力为F,μ,F, ffn 其中 μ为动摩擦系数;Cet为切向接触阻尼系数;δ、v分别为切向“叠合ftt 量”和切向速度;F,(,Kδ,CenV)为法向接触力,其中Cen为法向接触nnn n 阻尼系数;δ、v分别为法向“叠合量”和法向速度( nn 当,F,?,F,时,切向产生相对滑动(此时由于摩擦力的存在,必然消tf 耗系统能量 ΔE,μ,Fδ, (5) ffnt 当,F,,,F,时,系统未产生相对滑动,此时切向接触能量损耗的算法tf 与法向接触算法一致( 主系统与微颗粒相互碰撞,使得主系统将一部分能量传递给微颗粒,这些能量引起了微颗粒之间的相对运动(微颗粒之间的相对运动如图3所示(它们之间的相对运动亦可分解为切向运动和法向运动(与上面的分析一致,也必然引起由碰撞前后速度变化所产生的能量损耗和由切向滑动而产生的能量损耗(主系统传给微颗粒组合体的能量大部分由于这种机理而损耗掉,其余一部分能量成为微颗粒携带的动能参与下一次碰撞( 图3 微颗粒与微颗粒间的运动关系图 1(2 NOPD耗能机理的影响因素 以上分析表明,NOPD的耗能机理分为2种:一种为主系统与微颗粒之间及微颗粒与微颗粒之间由于碰撞前后速度变化而引起的冲击耗能;另一种为主系统与微颗粒及微颗粒与微颗粒之间相对滑动而引起的摩擦耗能((2)式表明,冲击能耗的主要影响因素为弹性恢复系数 e,f(Z,φ,ρ,H,E,H,E) (6) 1122 其中:Z、φ、ρ、H、E分别为微颗粒的粒度、形状系数(椭圆度)、比重、硬11 度和弹性模量;H、E为主结构的硬度和弹性模量((5)式表明,摩擦能耗的主22 要影响为摩擦系数和法向作用力,亦即与Z、φ、ρ、H、E、H、E有关(对于1122主结构与微颗粒及微颗粒与微颗粒之间的冲击能耗与摩擦能耗,也与某一时刻的接触数量N有关,而接触数量与微颗粒的填充率、空隙比、孔径粒径比有关,也与激励力的角频率及力幅有关,即可表示为 N,f(ψ,τ,γ,ω,F) (7) 其中 ψ,τ、γ、ω、F分别为空隙比、填充率、孔径粒径比、激励角频率及激励力( 以上分析表明,诸如颗粒材料的特性、质量比、空隙比、填充率、孔径粒径比及激励力等都会对NOPD的阻尼特性产生影响( 1(3 NOPD系统中的能量平衡 输入系统的能量E可表示为 E,?ΔE,?ΔE,?E,E,E(8) nfksD 其中:ΔE表示冲击能耗;ΔE表示摩擦能耗;E表示微颗粒的动能;E表示主nfks结构动能;E表示系统阻尼能耗(由该关系式可以看出,若冲击能耗、摩擦能耗D 及微颗粒携带动能增大,则主结构动能减小,系统振动降低( 1(3(1 冲击能耗 NOPD的散体元力学模型如图1(由图可见,在每一次接触过程中(微颗粒与微颗粒,微颗粒与主结构),法向阻尼器必须损耗运动能量(该能量相当于式(2)所计算的能量)(假设接触时间为T,则由于法向冲击而损耗的能量可表示为 (9) 当切向接触力,F,,,F,时,未发生相对滑移,由于切向冲击而损耗的能量tf 的算法与上式一致( 1(3(2 摩擦耗能 当切向接触力,F,,,F,时,发生相对滑移,由于切向tf 摩擦而损耗的能量表示为 (10) 1(3(3 微颗粒的动能 由于考虑微颗粒的旋转,因此其动能表示为 (11) 2 NOPD阻尼特征的仿真研究 2(1 计算机仿真计算模型 如图4所示,主结构与弹簧阻尼器构成单自由度振动系统(主结构为一根长为16mm、半径为2.5mm的杆,其中心打一半径为0.5mm的通孔,其中可填充微颗粒构成NOPD阻尼器(在仿真计算时,主结构质量保持不变,调整弹簧刚度,可得到具有不同固有频率的单自由度振动系统( 图4 NOPD计算模型 2(2 NOPD耗能计算 图5给出了固有频率为1 kHz的主结构在填充率为85,、粒径为0.1 mm时,在共振激励频率不同力幅激励4个周期后的自由振动条件下,其冲击耗损能量与摩擦耗损能量的曲线(此时微颗粒总质量与主结构质量之比约为1,100(图5表明,冲击能耗与摩擦能耗在不同激励力幅时具有同一数量级,这与理论分析一致,充分说明了NOPD的耗能机理是冲击耗能与摩擦耗能的共同作用效应(它与传统的冲击阻尼器相比,耗能更充分( 2(3 主结构与NOPD微颗粒的动力 图6给出了与上述条件相同时,主结构与微颗粒的动能变化曲线(图6与图5结合表明:只有在微颗粒充分运动的情况下,冲击能耗与摩擦能耗才急剧增加,主结构的动能很快降低;而当微颗粒趋于稳定时,冲击能耗与摩擦能耗增加缓慢,此时主结构亦趋于平稳振动(因为主结构的固有阻尼很小)(这就充分说明为什么NOPD阻尼不能密实整个结构空腔,而要保留一定空隙的道理( 2(4 不同激励频率下的减振效果比较 图7给出了固有频率为1 kHz的主结构在填充率为85,、粒径为0.1 mm时,在不同激励频率激励时的强迫振动时间历程(该图表明了NOPD对激励频率的不敏感性,因此表现出极强的环境适应能力,即减振频带宽,这在实际应用中是一个很大的优点(这与冲击消振器完全不同,因为刚性冲击消振器的减振频率不仅与质量比、弹性恢复系数、系统刚度和间隙等结构参数有关,而且与动态激励频率、碰撞前的瞬时速度和初始振幅等运动参数有关(只有当这些参数比较匹配时,才会有较好的减振效果(因此,对不同的振动系统,往往需要设计具有不同结构参数的冲击消振器,而NOPD就没有如此多的限制,因而其应用范围更广(由图7b也可看出,在共振时,填充微颗粒结构的振动振幅是未填充微颗粒结构振动振幅的1,3(文献,1,的实验结果为1,3.3,实验结果与理论计算结果很吻合( (a)激励力幅为F时的能耗曲线 (b)激励力幅为F,10时的能耗曲线 图5 NOPD的能耗曲线 (a)未填充微颗粒时的主结构动能 (b)填充微颗粒的主结构动能 (c)微颗粒总动能的时间历程 图6 主结构与微颗粒动能的时间历程 (a)激励频率500 Hz (b)激励频率1.0 kHz (c)激励频率1.5 kHz.。 :粒径0.1 mm,填充率85,; —:未填充微颗粒 图7 主结构位移的时间历程 2(5 不同粒径微颗粒的耗能特性 图8示出了在固有频率为1 kHz的条件下,主结构空腔中填充不同粒径的微颗粒,但保持相同的填充率时,系统的耗能曲线(该图表明,在微颗粒粒径很小时,虽然系统的能量损耗中冲击耗能与摩擦耗能在同一数量级,但摩擦耗能绝对占优(随着微颗粒粒径的增大,在微颗粒粒径为0.15 mm时,冲击耗能与摩擦耗能已基本一致(在微颗粒粒径为0.20 mm时,冲击耗能已大于摩擦耗能(这 是因为随着粒径的增大,颗粒数目急剧减少,则微颗粒与主结构以及微颗粒与微颗粒之间的接触数量减少,从而导致摩擦耗能减少(同时,随着粒径的增大,微颗粒的质量大幅度增加,根据动量定理知,在冲击速度相同的情况下,冲击力正比例增加,从而导致冲击耗能增大(这就存在着填充微颗粒时孔径与微颗粒粒径的优化问题(NOPDBALL程序可通过计算找出较佳匹配值,为NOPD阻尼器的设计提供指导( (a)粒径为0.10 mm (b)粒径为0.15 mm (c)粒径为0.2 mm 图8 微颗粒的耗能曲线 2(6 不同填充率时的减振效果比较 图9示出了在固有频率为1 kHz的条件下,不同填充率时的主结构位移时间历程(该图表明,填充率为85,时,减 振效果明显优于填充率为75,时的减振效果(根据自由振动法,可计算出填充率为85,时对数衰减率为0.028 3,与文献,1,中的对数衰减率为0.031 03也很吻合( (a)填充率为85, (b)填充率为75, 图9 主结构位移的时间历程(粒径为0.10 mm) 3 结 论 (1)NOPD的阻尼机理为:由于主结构与微颗粒的相互耦合运动,主结构的振动能量传入微颗粒组合体,使得微颗粒之间相互作用,产生相互碰撞与摩擦,从而耗损能量( (2)NOPD的摩擦耗能与冲击耗能具有相同数量级的阻尼效应,但微颗粒粒径较小时,摩擦能耗明显大于冲击能耗,反之亦然( (3)NOPD具有较宽的减振频带,使得NOPD阻尼技术的应用条件放宽,应用范围扩大. (4)NOPD 的减振效果不仅与主结构和微颗粒的材质有关,同时与微颗粒径和填充率有关.因此,设计NOPD结构须通过仿真优化,以得到最佳匹配. 作者简介: 毛宽民,男,1964年12月生,博士生;黄协清(联系人),男,机 械工程学院振动与噪声控制工程研究所,教授,博士生导师( 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(59775019)( 作者单位:毛宽民, 陈天宁, 黄协清 (西安交通大学, 710049, 西 安) 参考文献: ,1,Panossian H V. Non-obtrcuive imamping appicac-tions for cryogenic envirnments .In :Rogers L,ed .Rro-ceedings of Damping'89.Florida ,USA.:NTIS,1989 KBC 1,9. ,2,Panossian H V.Nonobstruructive particle damping tech-nology .In:Portis B L,ed .Proceedings of Damping 56 '93.Califomia ,USA:Engineeing Inc,1993.ABB1, ,3, 毛宽民,陈天宁,黄协清,非阻塞性微颗粒阻尼的散体远模型。西交通 大学学院学报,1999,35(5):79,83 ,4, 陈天宁,陈花玲,黄协清。豆包消振器的阻尼特性研究西交通大学学院 30 学报,1996,30970:25, (编辑 葛赵青) 收稿日期: 1998-12-28(
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