非阻塞性微颗粒阻尼机理的散体元研究

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1、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．理论结果与前人的实验结果有很好的一致性．关键词：　微

2、颗粒阻尼；散体元法；振动中国图书资料分类法分类号：　O328；TB53MechanismofNon-ObstructiveParticleDampingwithDiscreteElementMethodMaoKuanmin，　ChenTianning,　HuangXieqing(Xi′anJiaotongUniversity,Xi′an　710049，　China)Abstract：　Thediscreteelementmethodisappliedtostudythemechanismofnon-obstructiveparticle

3、damping(NOPD).Sphericalparticleareconsideredwherebycoupledmovementbetweentheprimarysystemandparticleassemblyisincluded.Quantitativeanalysisofenergytransformiscarriedontoestimatetheenergydissipatedduetoparticlecollidingwiththeprimarysystemandeachother.Itisfoundthattheener

4、gydissipationincollisionisofthesameorderasthatoffriction.NOPDhasawidervibration-reducingfrequencyband.Generally,dissipationduetofrictionexceedsthatofcollision.Suchafoundingisconsistentwiththeexperimentalresultsobtainedbyothers.Keywords：　particledamping;discreteelementmet

5、hod;vibration　　非阻塞性微颗粒阻尼（NonObstructiveParticleDamping,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有报道［1］．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［2］，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

6、空白．　　文献［3］基于散体元法(DiscreteElementMethod,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

7、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阻尼器优化设计提供了指导．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Kt、Ct、μf分别为切

8、向接触刚度、切向接触阻尼系数和摩擦系数，Kn、Cn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相互运动如图2所示．图中vb表示微颗粒的空间速度，θb表示空间旋转速度，v0表示主结构的速度