颗粒阻尼及其控制的研究与应用

论文摘要

颗粒阻尼技术是一种振动被动控制新技术。该技术利用结构上现存的或附加的空腔,将颗粒体填入其中,结构振动时颗粒体产生碰撞和摩擦,将机械能转化为热能和声能,产生阻尼效应;同时颗粒体与结构间的动量交换也能起到抑制振动的作用。颗粒阻尼具有应用环境范围广、对原结构改动小、产生的附加质量小、减振效果明显等优点,具有明显的应用前景。目前对颗粒阻尼技术的研究处于起步阶段,理论研究尚不完善。本文根据该项技术的特点,从理论和试验两方面对颗粒阻尼及其控制进行了全面、深入细致的研究。主要工作是:1、在前人研究的基础上,系统讨论了颗粒物质的属性。在假定颗粒体为连续介质的基础上,采用莫尔圆强度理论,对颗粒体在简谐激励作用下的应力状态进行了分析,得到颗粒体处于极限应力状态时所对应的激励加速度理论值,即颗粒产生摩擦效应所需的最小加速度,该值在颗粒阻尼技术当中的地位极其重要。2、对颗粒阻尼器在振动约化加速度Γ小于1和Γ大于1两种情况下的损耗能量进行了研究分析。在约化加速度大于1的情况下,采用完全非弹性蹦球力学模型推导出颗粒阻尼总损耗能量的理论表达式。3、通过试验对颗粒阻尼器的动态特性进行了系统研究。得到颗粒体冲击力受约化加速度控制经历一系列倍周期性分岔的规律,并给出冲击力的统一谐波表达形式。采用统计能量方法对颗粒阻尼产生的损耗功率和附加质量进行了研究,发现颗粒阻尼器的损耗功率和附加质量存在临界点(转捩点)现象,在临界点之前,阻尼颗粒不损耗能量,附加质量变化不明显;临界点之后,损耗功率随激励强度增加而增大,损耗功率值由阻尼器振动速度幅值决定,附加质量随阻尼器加速度幅值的增加而变小,且对激励频率的变化不敏感。提出通过绘制损耗因子等高线图的方式来确定颗粒阻尼器的最佳工作范围,从而对颗粒阻尼减振效果进行预估的方法。4、提出针对颗粒阻尼单自由度系统参数识别的恢复力曲面算法。在窄带随机激励条件下,对不同振动水平、颗粒尺寸和填充率情况下的系统等效阻尼比和等效质量进行了识别,得到了与简谐激励情况类似的结论。5、对直流电磁场作用下的颗粒阻尼器减振效果进行了理论分析和试验研究。结果表明:在一定振动强度下,通过施加直流电磁场的方法,可以加大颗粒体与振动系统间的动量交换,提高对结构振动的抑制作用;同时能够增大磁颗粒之间的接触压力,由此加大摩擦力,提高阻尼器的性能。该方法为颗粒阻尼技术由被动控制发展成为半主动控制,来抑制不同强度的振动提供了有益的探索。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 论文的研究背景
• 1.2.1 颗粒阻尼技术研究概况
• 1.2.2 冲击阻尼技术
• 1.2.3 BBD 减振技术
• 1.2.4 NOPD 减振技术
• 1.3 颗粒阻尼技术有待解决的几个问题
• 1.4 本文研究目标和主要工作内容
• 第二章 颗粒物质属性
• 2.1 颗粒体的静态特性
• 2.1.1 颗粒体及其分类
• 2.1.2 颗粒的堆积密度
• 2.1.3 颗粒的流动性
• 2.1.4 颗粒的黏结性
• 2.1.5 颗粒的静压力（粮仓效应）
• 2.1.6 颗粒中力的分布
• 2.1.7 沙丘的休止角和自组织临界
• 2.2 颗粒体的力学性质
• 2.2.1 连续介质的假定
• 2.2.2 颗粒体平面应力
• 2.2.3 颗粒体的极限平衡
• 2.2.4 滑移表面
• 2.2.5 极限切应力
• 2.2.6 侧压应力系数
• 2.2.7 颗粒体在交变力作用下的应力状态
• 2.3 振动情况下颗粒体的动态行为
• 2.3.1 振动引起颗粒隆起现象
• 2.3.2 振动引起颗粒的对流和表面斑图
• 2.3.3 振动诱发颗粒振动子
• 2.3.4 振动引起的颗粒分离
• 2.4 颗粒流动力学的几种基本数学力学模型
• 2.4.1 颗粒动理论模型
• 2.4.2 摩擦塑性模型
• 2.4.3 离散元模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 振动情况下颗粒体损耗能量模型
• 3.1 约化加速度Γ≤1 时颗粒床损耗能量模型
• 3.1.1 颗粒层受力分析
• 3.1.2 颗粒介质波动和能量方程
• 3.1.3 粘弹性颗粒体介质中波的衰减与耗散
• 1 时颗粒体损耗能量模型'>3.2 约化加速度Γ> 1 时颗粒体损耗能量模型
• 3.2.1 颗粒体与容器壁的碰撞、摩擦
• 3.2.2 颗粒体相互之间的碰撞、摩擦
• 3.2.3 颗粒体碰撞接触力及能量损耗
• 1 时，颗粒床损耗总能量的估算'>3.3 约化加速度Γ> 1 时，颗粒床损耗总能量的估算
• 3.3.1 完全非弹性蹦球力学模型
• 3.3.2 采用蹦球计算模型估算能量损耗
• 3.4 本章小结
• 第四章 颗粒阻尼器动态特性试验研究
• 4.1 统计能量法求结构内损耗因子原理
• 4.1.1 简谐强迫振动输入功率
• 4.1.2 随机强迫振动输入功率
• 4.2 结构内损耗因子测量方法
• 4.2.1 模态内部损耗因子测量方法
• 4.2.2 频带平均内部损耗因子测量方法
• 4.3 颗粒阻尼器动态特性试验
• 4.3.1 试验装置及测量系统
• 4.3.2 试验方案及内容
• 4.4 动态特性试验结果
• 4.4.1 阻尼颗粒对系统的冲击力
• 4.4.2 功率输入法计算损耗功率、等效质量及损耗因子
• 4.5 本章小结
• 第五章 恢复力曲面法识别颗粒阻尼系统参数算法的研究
• 5.1 恢复力曲面法
• 5.1.1 一般恢复力曲面法基本原理
• 5.1.2 颗粒阻尼结构的恢复力曲面法
• 5.1.3 颗粒阻尼器等效阻尼比的计算
• 5.2 恢复力曲面法程序
• 5.2.1 原始数据预处理
• 5.2.2 恢复力曲面法程序框图
• 5.2.3 程序准确性验证
• 5.3 颗粒阻尼器等效阻尼比的辨识
• 5.3.1 试验装置及测量系统
• 5.3.2 试验过程
• 5.3.3 试验方案及内容
• 5.4 颗粒阻尼器等效阻尼比的辨识结果
• 5.4.1 等效阻尼比及等效质量与激振力功率的关系
• 5.4.2 不同的填充质量对阻尼器等效阻尼比及等效质量的影响
• 5.4.3 颗粒体几何尺寸与颗粒阻尼器等效阻尼比及等效质量的关系
• 5.4.4 不同填充率对颗粒阻尼器等效阻尼比及等效质量的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 应用电磁场对颗粒阻尼进行控制的研究
• 6.1 铁磁颗粒体在电磁场作用下的受力分析
• 6.1.1 铁磁颗粒体在磁场中的基本性质
• 6.1.2 电磁场对铁磁颗粒体（磁偶极）的作用力
• 6.1.3 磁颗粒之间的相互作用力
• 6.2 电磁颗粒阻尼试验装置及测试系统
• 6.3 试验结果
• 6.3.1 电磁场对颗粒冲击力的影响
• 6.3.2 电磁场对颗粒系统阻尼特性的影响
• 6.4 其它改善颗粒阻尼性能的方法
• 6.5 本章小结
• 第七章 颗粒阻尼技术在航空结构上的应用研究
• 7.1 颗粒阻尼在飞机蒙皮结构上的试验
• 7.1.1 试验模型
• 7.1.2 试验内容和结果
• 7.2 直升机桨叶的振动控制
• 7.2.1 试验装置
• 7.2.2 试验内容和结果
• 第八章 全文工作总结
• 8.1 本文工作的主要贡献和结论
• 8.2 进一步研究工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录1 颗粒静压力公式（2.1）推导
• 附录2 颗粒床冲击特性