带有共振板的颗粒减震器的振动阻尼性能

《Powder Technology》：Vibration damping performance of particle dampers with resonant plates

　　

Jinsong Shi|Wangqiang Xiao|Wuping Yao|Sen Wang|Zhiqin Cai

中国厦门大学航空航天工程学院

摘要

为了解决传统颗粒阻尼器在低水平振动下由于颗粒堆积导致的性能下降问题，本研究提出了一种带有共振板的颗粒阻尼器。通过集成抗共振技术，该设计显著提升了频率调节和阻尼性能。开发了一种耦合离散元方法（DEM）-多体动力学（MBD）仿真模型，用于研究共振板厚度、颗粒材料和颗粒大小对阻尼性能的影响。搭建了一个振动试验台，实验结果与仿真结果高度吻合。与带有非共振板的阻尼器相比，带有共振板的阻尼器有效促进了颗粒运动，并在目标频段内显著增强了能量损失。这种带有共振板的颗粒阻尼器展示了优异的阻尼性能，在工程应用中具有巨大潜力。

引言

振动问题在各种工程应用中普遍存在，有效控制振动是确保设备可靠性、结构安全和操作舒适性的关键技术挑战。对减振降噪需求的增长成为振动控制技术发展的主要驱动力[1]、[2]、[3]。当前主流的振动控制方法主要分为主动控制、半主动控制和被动控制[4]。其中，由于成本低、结构简单和可靠性高[5]、[6]、[7]，被动控制技术在工程中得到了广泛应用。然而，在复杂和多变的实际振动环境中，传统的线性被动阻尼方法往往无法满足严格的性能要求。

在这方面，颗粒阻尼器作为一种典型的非线性被动振动阻尼装置，由于其独特的优势而受到了广泛关注。它们通过颗粒在封闭腔体内的碰撞、摩擦和动量交换来耗散能量。由于对温度不敏感、适应性强、结构简单和成本低，颗粒阻尼器已成功应用于机械工程[8]、航空航天[9]和海洋工程[10]等多个领域（如图1所示）。然而，传统的颗粒阻尼器也存在显著的局限性[11]。在车辆工程中，它们被用于控制汽车地板等薄壁结构中的振动；但在怠速条件下，它们对发动机往复惯性力引起的低频振动无效[12]。在海洋工程中，颗粒阻尼器被用于抑制推进轴的纵向振动和浮动筏的振动隔震系统；然而，它们在设备的基本频率及其谐波处的减振效果不足[13]、[14]。首先，在低水平振动（加速度低于1 g）下，颗粒由于摩擦和堆积效应容易“锁定”，限制了其运动，从而导致阻尼效率显著降低[15]。其次，尽管它们的阻尼效果覆盖较宽的频率范围，但缺乏在特定频率上的精确控制能力，从而限制了其应用范围。

为了解决这些局限性，研究人员进行了大量研究。例如，基于抗共振原理开发了调谐质量颗粒阻尼器以实现目标频率控制[16]。然而，多个阻尼器之间的耦合可能会引起复杂的系统振动。将颗粒阻尼器与动态振动吸收器结合可制成颗粒阻尼吸收器[17]，但其有效性主要局限于共振频率。其他研究通过引入内部障碍物来增强颗粒碰撞过程中的能量损失[18]，但这些工作主要针对高水平振动条件，对低水平激励下的研究不足。总之，在低水平振动下有效提升颗粒阻尼器的性能并提高其特定频率控制能力仍然是一个具有重大实践和理论价值的研究课题。

为了实现目标振动抑制，抗共振技术提供了一种有效的策略。它通过子结构耦合共振产生与主激励相反的响应，从而在目标频率上传递和抑制振动能量[19]（如图2所示）。这种方法在振动隔离装置[20]、[21]、[22]以及被动阻尼器设计[23]、[24]、[25]、[26]中展示了明显的优势。在结构内部布置多个振荡器可以实现多频段频率控制，为颗粒阻尼器的功能设计提供了宝贵见解。将抗共振单元与颗粒阻尼结合有望保持宽带阻尼特性，同时实现关键频率的精确抑制。

因此，本文提出了一种创新的颗粒阻尼器，该阻尼器将多个共振板嵌入到传统的颗粒阻尼器中，形成了一个复合抗共振系统，专门解决了低水平振动下颗粒激活不足的问题。后续章节将系统地研究这种新型阻尼器的阻尼机制、参数影响规律和实验验证。

章节片段

共振板的机制

颗粒阻尼器安装在一块薄板上。考虑到这块板的阻尼特性较低，整个系统可以建模为质量-弹簧主系统，其等效动态模型如图3(a)所示。将共振板嵌入到传统颗粒阻尼器中，使板与内部颗粒耦合，形成一个耦合振荡器（如图3(b)的等效动态模型所示）。

对于包含主振子的二自由度系统的动态分析...

耦合仿真过程和验证

基于DEM和多体动力学（MBD）的耦合仿真过程如图8所示，具体步骤如下：

(1)

建立实验台和颗粒阻尼器的三维数值模型，参数见表1。

(2)

将实验台和颗粒阻尼器导入有限元软件，进行网格生成并定义结构参数。导出网格文件并导入MBD软件，然后建立耦合...

带有共振板的颗粒阻尼器的实验验证

共振板的加入增加了颗粒与结构的接触面积。板厚度直接影响刚度，进而影响共振频率。为了验证共振板厚度对阻尼性能的影响，制造了三种长度和宽度相同但厚度不同的共振板（1.0、1.2和1.5 mm），如图23所示。实验阻尼器的外尺寸与仿真中使用的一致，共振板之间的间距为10 mm...

结论

本文提出了一种创新的颗粒阻尼器，通过嵌入共振板来减轻传统颗粒阻尼器的性能下降问题，这些问题源于颗粒运动不足和缺乏精确的频率控制。通过在阻尼器腔体内嵌入共振板并利用抗共振机制，显著提升了振动阻尼性能。本研究的主要贡献和发现总结如下：

(1)

核心...

CRediT作者贡献声明

Jinsong Shi：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法论、研究、形式分析、概念化。Wangqiang Xiao：撰写——审阅与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法论、资金获取、概念化。Wuping Yao：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源协调。Sen Wang：可视化、软件开发、方法论、数据管理。Zhiqin Cai：撰写——审阅与编辑、监督、资源协调、概念化。

资助

本工作得到了中国国家自然科学基金 [资助编号 U2530224]的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。