稳定激励下颗粒阻尼能量耗散机理研究

摘要

寻求有效耗能减振的方法成为研究者们首要解决问题。颗粒阻尼技术通过颗粒之间以及颗粒与容器壁之间的碰撞和摩擦，产生阻尼效应，从而达到减振耗能目的。由于颗粒阻尼装配简单、成本低廉，适用于高温、辐射、腐蚀等恶劣环境的特点，使其在工程实践中得到广泛应用。目前对颗粒阻尼能量耗散过程中伴随类固-液相变的研究尚有不足，对颗粒阻尼能量耗散过程中关键特征参数的研究有待进一步开展。本文以稳态简谐激励下颗粒阻尼器为分析对象，基于离散单元法(DEM)程序与现场实验，对颗粒阻尼器的能量耗散与减振进行分析研究。 本文主要工作有: 1.数值仿真研究: (1)在球形颗粒接触细观模型的基础上，基于FORTRAN平台，开发了颗粒阻尼相变耗能分析的DEM数值仿真程序。分析刚性板在颗粒介质中做简谐运动时，板受力与板速度的关系，研究颗粒介质对板的阻尼效应。仿真中观察到板受力的倍频现象，考虑了激振频率、振动幅值、粒径大小等不同参数的影响。 研究发现，刚性板低频振动时，颗粒介质对板的作用力为单频激励，阻尼效应呈线性;高频振动时，颗粒对板的作用出现倍频现象，阻尼效应呈非线性。不同振动幅值的参数研究也表明，随着板振动幅值的加大，颗粒介质的阻尼效应也由线性逐渐转变为非线性。 (2)采用上面开发的DEM数值仿真程序，对简谐激励下的箱体-颗粒-弹簧组成的单自由度系统响应进行时域、频域分析，并引入相平面法，研究激振频率、恢复系数、摩擦系数、填充率和颗粒个数等不同参数对耗能减振的影响。引入配位数与自由颗粒数等类固-液相变时空参数，对该系统相变转换的耗能特性进行研究。 研究结果表明，配位数、自由颗粒数等标志颗粒介质类固-液状态的时空参数与能量耗散率具有对应关系:颗粒介质发生了类固-液相变时，时空参数会发生明显变化，此时能量耗散率也相应发生突变。合适的恢复系数、摩擦系数和填充率，都可以增大能量耗散率，并抑制振动。颗粒介质类固态时，颗粒个数的增多，并不会影响能量耗散率。 (3)在前人工作的基础上，修正了法向塑性接触理论模型，研究不同激振频率下，法向塑性接触行为的引入对阻尼系统耗能减振特性的影响，分析了类固-液相变、配位数及各分项耗能的变化规律。 研究结果表明，法向耗能成为能量损耗的主要方式，在共振区域，系统能量损耗几乎全部来自法向耗能;配位数、自由颗粒数等标志颗粒介质类固液状态的参数与能量耗散率不再具有对应关系及标识作用。玻璃颗粒的耗能减振特性优于铝颗粒。在相同条件下，含铝颗粒阻尼器的振幅大于含玻璃颗粒阻尼器的振幅，耗能也小很多。 2.现场实验研究: (1)以受到垂直简谐振动边界驱动的颗粒阻尼器为研究对象，分别采取等加速度和等位移幅值扫频方法，研究阻尼颗粒对底板的冲击力。实验中观察到底板受力的倍周期和倍频现象。 实验结果表明，粒径较大的颗粒在一定情况下会产生倍周期分岔，该现象的产生受加速度幅值的影响，较大的加速度幅值更容易产生倍周期分岔现象。 (2)将DEM数值仿真结果与现场实验相对比。二者结果位于同一量级，但动力特性不尽相同。这说明了为实现DEM对颗粒阻尼特性更为准确的模拟，需要通过试验测试获得摩擦系数、恢复系数等关键特征参数。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．2研究背景

1．3研究现状

1．3．1颗粒阻尼的研究现状

1．3．2颗粒接触的研究现状

1．4本文主要内容

第2章基于DEM的颗粒阻尼耗能机理研究

2．1离散元模型

2．1．1离散单元法简介

2．1．2离散元辩弹性接触模型

2．1．3边界接触判断准则

2．2 DEM程序框架

2．3基于DEM的计算方法

2．3．1颗粒及箱体的运动

2．3．2系统的能量耗散

2．4参数的无量纲化

2．5颗粒阻尼的耗能机理分析

2．5．1颗粒介质中稳态振动板的阻尼效应

2．5．2简谐激励下颗粒阻尼系统的耗能特性

2．6本章结论

第3章黏-弹-塑性接触的颗粒阻尼耗能机理仿真研究

3．2黏-弹-塑性接触理论

3．2．2法向接触力

3．2．3残余应变

3．2．4塑性功

3．3黏-弹-塑性接触模型的仿真

3．4本章结论

第4章垂直简谐振动边界驱动下颗粒介质耗能机理的实验研究

4．1实验方案

4．1．1外置型单个颗粒阻尼器介绍

4．1．2实验装置与研究内容

4．1．3实验过程

4．2实验结果分析

4．2．1无颗粒阻尼器的验证

4．2．2阻尼颗粒对底板冲击力

4．2．3实验现象总结

4．3实验数据与DEM结果的对比

4．4本章结论

第5章结论与展望

参考文献

致谢