论文摘要
传统的碰撞阻尼建立在动量交换和摩擦的基础之上，其中相当多的能量没有耗散掉，而是在系统中传播。本文提出了一种以微细颗粒塑性变形耗散振动能量的新型碰撞阻尼机理，称为带颗粒减振剂的碰撞阻尼理论。这种带颗粒减振剂的碰撞阻尼的主要耗能机理是：在振动过程中，钢球的撞击使夹在钢球之间的微小颗粒产生塑性变形甚至断裂细化，从而永久性地耗散掉振动能量。深入探讨这种碰撞阻尼的减振特性，具有重要的原创性理论创新价值，而且在结构振动控制领域具有广阔的应用前景。为此,本文着重对带颗粒减振剂的碰撞阻尼进行了理论建模和实验研究。本文首先提出了两球弹塑性碰撞的理论模型，得出了两球经过一个碰撞周期后各自的速度、碰撞过程的恢复系数和能量损耗因子的解析表达式,并采用有限元方法对两球的弹塑性碰撞过程进行了模拟，分析结果与理论模型的计算结果相吻合。以两球弹塑性碰撞的理论模型为基础，本文进一步建立了带颗粒夹击的两球碰撞预测模型，得出了表面粘附微细颗粒的两球经过一个碰撞周期后各自的速度、碰撞过程的恢复系数和能量损耗因子的解析表达式，与此同时，利用有限元方法对这一过程进行了数值模拟，得到了与理论模型相一致的结果，分析了带颗粒夹击的两球碰撞预测模型的适用范围以及颗粒与球直径比、材料种类、碰撞区域颗粒数对碰撞耗能的影响。以上述理论为基础，本文建立了带颗粒减振剂的碰撞阻尼的悬臂梁强迫振动系统的整体分析模型，计算了悬臂梁在简谐激励下的响应，并对悬臂梁在各种不同阻尼状态下的共振以及衰减振动特性进行了实验研究。实验结果与理论计算结果吻合较好，证明本文建立的带颗粒减振剂的碰撞阻尼的理论模型是正确的，能够指导工程设计。另一方面，本文还对颗粒体积填充率、颗粒材料和粒径对阻尼器的减振性能进行了实验研究，结果表明，在低频（小于50Hz）范围内，带颗粒减振剂的碰撞阻尼的减振性能远远优于各种传统的碰撞阻尼器。最后，本文还对带颗粒减振剂的碰撞阻尼的主要参数（包括间隙、颗粒屈服极限、钢球与主系统的质量比）对其减振性能的影响进行了模拟和分析，为阻尼的优化设计提供了理论基础。本文主要创新点如下：1.首次建立了能够指导工程设计的以微细颗粒塑性变形为能耗机理的带颗粒减振剂的碰撞阻尼的理论分析模型，其中关于两球弹塑性碰撞的理论分析、关于带颗粒夹击的两球碰撞理论分析都具有创新性。2.首次量化分析了带颗粒减振剂的碰撞阻尼的减振性能远远优于各种传统碰撞阻尼器的机理，给出了这种阻尼器的应用范围。研究了颗粒与钢球的直径比、颗粒材料以及颗粒粒径等参数对带颗粒减振剂的碰撞阻尼器减振性能的影响。