一种颗粒阻尼结构谐响应分析方法技术

本发明专利技术公开了一种颗粒阻尼结构谐响应分析方法，目的在于，适用于对任何施加有颗粒阻尼器的结构进行谐响应分析，为与颗粒阻尼研究和应用有关的仿真计算提供方便有效仿真，方法简单，操作简便，通用性强，所采用的技术方案为：(1)对待分析结构进行模型建立、划分网格、施加边界条件和力激励并进行相应的参数设置；(2)在待分析结构上施加颗粒阻尼；(3)进行迭代求解；(4)进行后处理，查看结构上某节点处的相关结果，如幅‑频响应曲线。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于减振降噪领域，具体涉及一种颗粒阻尼结构谐响应分析方法。
技术介绍
颗粒阻尼技术具有以下优点：结构简单、成本低、易实施、能够在恶劣环境中正常工作、附加质量小，从而能够克服传统阻尼技术的缺点；并且已经在汽轮机叶片、液氧火箭发动机T型导流槽、装甲运兵车、喷气织机机架、航天雷达天线采样立柱、轧钢冷锯、金融捆钞机、IC后封装设备及大型机床等多种工程领域、场合得到了应用，是一种值得推广和应用前景广泛的阻尼技术。颗粒阻尼技术是依靠颗粒材料来实施的，常用的颗粒材料主要以密度大、直径小的金属颗粒为主，颗粒的形状主要为球形或近似球形。颗粒阻尼技术的实施方式主要通过以下两种途径完成：1)制作成颗粒阻尼器并附加在需要减振的结构部位，其中尤以豆包阻尼器(Bean Bag Damper，简称BBD)最具代表性，它是将颗粒材料用一种柔性包袋包裹而成，最早由外国学者Popplewell及其同事于1989年在研究镗杆的减振时专利技术；2)直接在需要减振的结构部位根据所需的直径和深度进行打孔，再填入一定比例的颗粒材料使其处于非阻塞状态，这种技术又称为非阻塞性颗粒阻尼技术(Non-Obstructive Particle Damping，简称NOPD)，该技术由美国洛克威尔公式的Panossian博士于1991年提出，其目的是为了解决工作条件极端恶劣或限于结构本身的特殊性很难甚至无法采用其他减振措施的结构的体振动问题。截至目前，关于颗粒阻尼技术的基础理论研究主要集中在耗能机理分析与响应预估等两大方面的内容，其中关于颗粒阻尼的耗能机理研究，经过近20年的努力，目前国内外学者已经达成普遍共识，即颗粒阻尼是一种阻尼大小依赖于振幅的一种高度非线性阻尼，其耗能机理主要分为内外两种阻尼效应；其中内部效应是由于颗粒之间的碰撞、摩擦而引起的，外部效应则是由于颗粒与结构内腔面之间的碰撞、摩擦引起。关于颗粒阻尼复合结构振动与声辐射响应预估问题，目前的研究对象集中在简支的复合梁、板结构上，所采取的方法有微观颗粒动力学理论和基于气固两相流理论；而且都得到了充分的发展。尽管有关颗粒阻尼的理论研究得到了较大发展，颗粒阻尼也在许多领域、场合得到了很好的应用，但是，在实际研究和应用中需要进行大量的仿真模拟计算，这种对于施加有颗粒阻尼的结构进行仿真模拟计算的方法存在着较大的问题：(1)可用的仿真软件或方法较少。目前仅EDEM、COMSOL等少数软件可用于对施加有颗粒阻尼的结构进行仿真分析，除此之外则需要进行自己编程计算；这使得对颗粒阻尼的研究和应用具有一定的限制。(2)可用于仿真的软件或方法存在着巨大问题。对于EDEM、COMSOL和自编程方法，都具有相应的问题：EDEM主要应用于模拟散状物料颗粒体系的行为特征，但是，对于施加有颗粒阻尼的结构建模十分困难，并且，各离散单元之间通过弹簧阻尼系统连接，数据及计算量大，计算耗时长。COMSOL网格功能不完善，导入其他软件划分的网格并不能实现网格编辑，而由COMSOL生成的网格质量较差，不适应于复杂结构；除此之外COMSOL的应用并不广泛，其运算时需要占据大量内存和CPU，能够计算的单元数量很容易受到硬件的限制。自编程理论上可以实现任何结构的仿真计算，但是对于复杂结构其工作量巨大，并不适用。(3)并没有具体化的颗粒阻尼模型，不利于实际应用。虽然EDEM、COMSOL可以用于对施加有颗粒阻尼的结构进行仿真计算，但是其中并没有具体化的颗粒阻尼模块；EDEM中需要对颗粒阻尼器模型进行建模，工作量过于巨大；COMSOL中是根据颗粒阻尼器的质量和等效阻尼系数，来进行质量和与振幅相关的力载荷的设定，并不是真正意义上的“施加颗粒阻尼器”，这种方式需要使用者对颗粒阻尼基本理论具有非常深刻的认识和理解。但是，对于实际应用，其颗粒阻尼器的几何参数及其他直观参数更容易获得，如：腔体直径Dc、腔体高度Hc、空腔质量Mc和颗粒材料密度ρp、颗粒直径dp、颗粒恢复系数ep以及颗粒在腔体内的质量填充比α或者体积填充比αp。所以，针对上述的问题，需要进行新的关于颗粒阻尼的开发；对颗粒阻尼模型进行具体化，并使其能够在软件中方便操作、容易建模；在软件进行仿真计算过程中能够改善占用大量内存、CPU的问题，克服对于复杂结构网格处理困难、对于大型结构单元数量多而使仿真计算受到计算机硬件限制等问题。
技术实现思路
为了解决现有技术中的问题，本专利技术提出一种方法简单，操作简便，通用性强，适用于对任何施加有颗粒阻尼器的结构进行谐响应分析，为与颗粒阻尼研究和应用有关的仿真计算提供方便有效仿真的颗粒阻尼结构谐响应分析方法。为了实现以上目的，本专利技术所采用的技术方案为：包括以下步骤：1)对待分析结构进行前处理：包括对待分析结构建立三维模型，以及对建立的三维模型进行网格划分、施加边界条件和力激励，并设置待分析结构的材料参数；2)在待分析结构上施加颗粒阻尼：2.1)设定颗粒阻尼器的相关参数；2.2)设定在待分析结构上施加颗粒阻尼器的位置坐标和方向；2.3)对待分析结构的三维模型施加颗粒阻尼；3)对整个待分析结构进行求解：3.1)计算等效阻尼系数Ceq＝0时的稳态响应X；3.2)提取施加有颗粒阻尼的节点的位移幅值|X|(k)；3.3)根据下列公式计算迭代后的位移响应幅值|X|(k+1)，并转换成响应的速度响应幅值表示根据幅值|X|及进行参数设定并求解获得的稳态响应幅值，λ为根据结构初始稳态响应确定的松弛因子；3.4)根据获得的求解等效阻尼系数Ceq；3.5)更改待分析结构中的颗粒阻尼对应的等效阻尼系数Ceq，并求解；3.6)重复步骤3.2)～3.5)，直到满足收敛条件：|X|(k+1)-|X|(k)的绝对值足够小，即完成求解；4)对步骤3)求解的结果进行后处理：包括参数导出、查看振型图以及幅-频响应曲线，即完成颗粒阻尼结构谐响应分析方法。所述步骤2.1)中设定颗粒阻尼器的相关参数的具体步骤如下：2.1.1)输入颗粒阻尼器的相关参数：包括腔体直径Dc、腔体高度Hc、空腔质量Mc和颗粒材料密度ρp、颗粒直径dp、颗粒恢复系数ep以及颗粒在腔体内的质量填充比α；2.1.2)根据上述参数计算下式中的系数c1、c2、c3、c11、c21、c31及颗粒阻尼器的质量M： C e q = c 1 | x · | 1 / 2 + c 2 | x · | - c 3 | x · | 3 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种颗粒阻尼结构谐响应分析方法，其特征在于，包括以下步骤：1)对待分析结构进行前处理：包括对待分析结构建立三维模型，以及对建立的三维模型进行网格划分、施加边界条件和力激励，并设置待分析结构的材料参数；2)在待分析结构上施加颗粒阻尼：2.1)设定颗粒阻尼器的相关参数；2.2)设定在待分析结构上施加颗粒阻尼器的位置坐标和方向；2.3)对待分析结构的三维模型施加颗粒阻尼；3)对整个待分析结构进行求解：3.1)计算等效阻尼系数Ceq＝0时的稳态响应X；3.2)提取施加有颗粒阻尼的节点的位移幅值|X|(k)；3.3)根据下列公式计算迭代后的位移响应幅值|X|(k+1)，并转换成响应的速度响应幅值表示根据幅值|X|及进行参数设定并求解获得的稳态响应幅值，λ为根据结构初始稳态响应确定的松弛因子；3.4)根据获得的求解等效阻尼系数Ceq；3.5)更改待分析结构中的颗粒阻尼对应的等效阻尼系数Ceq，并求解；3.6)重复步骤3.2)～3.5)，直到满足收敛条件：|X|(k+1)‑|X|(k)的绝对值足够小，即完成求解；4)对步骤3)求解的结果进行后处理：包括参数导出、查看振型图以及幅‑频响应曲线，即完成颗粒阻尼结构谐响应分析方法。...

【技术特征摘要】
1.一种颗粒阻尼结构谐响应分析方法，其特征在于，包括以下步骤：1)对待分析结构进行前处理：包括对待分析结构建立三维模型，以及对建立的三维模型进行网格划分、施加边界条件和力激励，并设置待分析结构的材料参数；2)在待分析结构上施加颗粒阻尼：2.1)设定颗粒阻尼器的相关参数；2.2)设定在待分析结构上施加颗粒阻尼器的位置坐标和方向；2.3)对待分析结构的三维模型施加颗粒阻尼；3)对整个待分析结构进行求解：3.1)计算等效阻尼系数Ceq＝0时的稳态响应X；3.2)提取施加有颗粒阻尼的节点的位移幅值|X|(k)；3.3)根据下列公式计算迭代后的位移响应幅值|X|(k+1)，并转换成响应的速度响应幅值表示根据幅值|X|及进行参数设定并求解获得的稳态响应幅值，λ为根据结构初始稳态响应确定的松弛因子；3.4)根据获得的求解等效阻尼系数Ceq；3.5)更改待分析结构中的颗粒阻尼对应的等效阻尼系数Ceq，并求解；3.6)重复步骤3.2)～3.5)，直到满足收敛条件：|X|(k+1)-|X|(k)的绝对值足够小，即完成求解；4)对步骤3)求解的结果进行后处理：包括参数导出、查看振型图以及幅-频响应曲线，即完成颗粒阻尼结构谐响应分析方法。2.根据权利要求1所述的一种颗粒阻尼结构谐响应分析方法，其特征在于，所述步骤2.1)中设定颗粒阻尼器的相关参数的具体步骤如下：2.1.1)输入颗粒阻尼器的相关参数：包括腔体直径Dc、腔体高度Hc、空腔质量Mc和颗粒材料密度ρp、颗粒直径dp、颗粒恢复系数ep以及颗粒在腔体内的质量填充比α；2.1.2)根据上述参数计算下式中的系数c1、c2、c3、c11、c21、c31及颗粒阻尼器的质量M： C e q = c 1 | x · | 1 / 2 + c 2 | x · | - c 3 | x · | 3 / 2 + c 11 | x · | + c 21 | x · | 2 - c 31 | x · | 3 ]]>式中：Ceq为等效阻尼系数；为速度幅值；ci为系数；M＝Mc+M′α式中：Mc为空腔质量；M′为空腔所能容纳的颗粒最大质量；α为质量填充比。3.根据权利要求2所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张仁亮，吴成军，王东强，张燕彤，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61