一种基于有效碰撞耗能计算的多颗粒阻尼器减振机理分析方法技术

本发明专利技术公开一种基于有效碰撞耗能计算的多颗粒阻尼器减振机理分析方法，基于颗粒团相对于空腔的不同运动状态，建立了“有效碰撞”模型，同时借助颗粒阻尼离散元程序(DEM)追踪颗粒与空腔在任意时间的运动状态与轨迹，给出不同响应加速度条件下颗粒团相对于空腔的宏观运动状态描述及各类能量耗散占能量交换总量的百分比，更为清晰地显示了各加速度条件下颗粒阻尼的减振机理。本发明专利技术利用DEM对已公开发布的试验进行了数值模拟，显示了较高的准确度，验证了模型的有效性。验证了模型的有效性。验证了模型的有效性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于有效碰撞耗能计算的多颗粒阻尼器减振机理分析方法


[0001]本专利技术属于被动减振技术数值仿真领域，具体为一种基于有效碰撞耗能计算的多颗粒阻尼器减振机理分析方法。

技术介绍

[0002]由于极宽的温度适用范围，颗粒阻尼常被用于航空航天领域中极端工况下的振动抑制，并显示出很好的减振效果。已有研究表明，颗粒阻尼的减振效果可被绘制成随结构响应加速度量级变化的特征曲线，且具有高度非线性。为更好开展颗粒阻尼器设计，就必须对颗粒阻尼减振机理进行细致分析，找出影响减振效果的最大因素并加以利用。曾有研究者将阻尼器中所有离散颗粒等效为一个光滑的“集中质量”，利用颗粒与空腔碰撞次数的变化定性解释颗粒阻尼特征曲线的变化趋势。颗粒与空腔的碰撞次数可以体现两者之间发生动量交换的频次，但并不是只要颗粒与空腔发生碰撞，颗粒就会对空腔做负功，碰撞次数越多，也并不能完全表明颗粒对空腔所做的负功越多，阻尼器的减振效果越好。另外，从颗粒碰撞次数这种过于细观的角度去解释颗粒团体现出的宏观减振效果也还缺少一些可以反映颗粒宏观运动状态的参数作支撑，说服力不足。

技术实现思路

[0003]针对上述问题，本专利技术提出一种基于有效碰撞耗能计算的多颗粒阻尼器减振机理分析方法，是一种建立可定量反映颗粒阻尼器在工作状态下伴随发生的各类能量交换，及其内部颗粒团相对于空腔宏观运动状态的数值仿真方法，既可反映颗粒阻尼器内部颗粒与主结构宏观作用状态，又可给出各类能量耗散占总能量交换百分比，很好地解释了颗粒阻尼呈现出高度非线性特点的内在能量交换机理。/>[0004]本专利技术基于有效碰撞耗能计算的多颗粒阻尼器减振机理分析方法，具体步骤如下：
[0005]步骤一：建立颗粒阻尼器数值仿真模，包括颗粒阻尼器的空腔参数与颗粒参数；
[0006]步骤二：利用离散单元法求解颗粒阻尼器响应，得到颗粒作用与空腔的作用力，并更新外部作用力及空腔运动状态；
[0007]步骤三：基于有效碰撞模型的定义和强迫振动条件下特征曲线的提取两方面，提取能量耗散及有效碰撞状态参数曲线。
[0008]本专利技术的优点在于：本专利技术基于有效碰撞耗能计算的多颗粒阻尼器减振机理分析方法，基于有效碰撞模型，可追踪颗粒与空腔在任意时间的运动状态与轨迹，给出不同响应环境下颗粒团相对于空腔的宏观运动状态描述，进而求得各类能量耗散占能量交换总量的百分比，更为清晰地显示了各加速度条件下颗粒阻尼的减振机理。
附图说明
[0009]图1为本专利技术基于有效碰撞耗能计算的多颗粒阻尼器减振机理分析方法流程图；
[0010]图2为DEM仿真程序的基本振动模型。
[0011]图3为颗粒与空腔碰撞示意图；
[0012]图4(a)为颗粒间碰撞示意图；
[0013]图4(b)为颗粒与空腔之间的碰撞示意图；
[0014]图5为单个周期内颗粒对空腔所做功的分类。
[0015]图6为数值结果与试验值的比较。
[0016]图7为强迫振动条件下特征曲线与总耗能比曲线的比较。
[0017]图8为强迫振动条件下的能量分析曲线。
[0018]图9为Γ＝5.35时，监测颗粒与空腔沿水平方向的速度时域响应曲线。
[0019]图10为Γ＝188.50时，监测颗粒与空腔沿水平方向的速度时域响应曲线。
具体实施方式
[0020]本专利技术基于有效碰撞耗能计算的多颗粒阻尼器减振机理分析方法，如图1所示，具体步骤如下：
[0021]步骤一：建立颗粒阻尼器数值仿真模型
[0022]首先，确定颗粒阻尼器的各项参数，包括空腔参数与颗粒参数。其中，空腔参数包括：空腔弹性模量E
c
和泊松比和υ
c
，空腔尺寸参数长L、宽W、高H，空腔质量M、等效刚度K及等效阻尼C。颗粒参数包括：颗粒数量N，颗粒粒径d，颗粒弹性模量E，泊松比υ，颗粒密度ρ,库伦摩擦系数μ接触阻尼常数η。
[0023]随后，基于离散单元法(Discrete Element Method，DEM)建立颗粒阻尼器数值仿真模型。模型采用的基本假设有：a)所有颗粒均为球形，且几何参数和物性参数均相同；b)单个计算时间步足够小，以至于任何时刻由于碰撞出现的微小扰动均不会随着时间的推进而放大。在该时间步内，每一个颗粒的位移、速度等状态信息均保持不变；c)发生碰撞时，颗粒之间会产生微小变形量(法向及切向叠合量)，但与颗粒的几何尺寸相比仍为小量。
[0024]图2给出了可描述的基本振动模型，包括一个颗粒空腔及内部的若干颗粒。令u和w分别表示空腔相对于平衡位置的水平和竖直方向位移，可得空腔的运动方程为：
[0025][0026]式中，“.”表示对时间的一阶导数，M，K，C分别表示主结构的等效质量、等效刚度及等效阻尼，F
cu
表示颗粒沿水平方向对空腔的作用力。方程最右边的F
ext
、ω、φ分别表示激振力幅值、激振频率及相位，其值可根据不同的激振方式设定。在实际应用中，图2所示的三维空腔用于表征安装颗粒阻尼器的主结构。
[0027]颗粒阻尼器数值仿真模型中的空腔只有1个平动自由度，颗粒包含6个自由度(3个方向平动，3个方向转动)。在某一瞬间，颗粒i可能同时与相邻的若干颗粒或者空腔壁面发生碰撞。为便于分析，把颗粒i所受的碰撞力分为两个部分(这里不考虑颗粒间的微观作用力，例如范德华力等)：一部分是颗粒与颗粒之间的碰撞导致的合力与合力矩，即(颗粒)内部作用力，另一部分则是颗粒与空腔壁面发生碰撞形成的合力及合力矩，以及颗粒所受的重力、离心力等，统称为(颗粒)外部作用力。图3给出了颗粒与颗粒以及颗粒与空腔间的碰
撞模型，表1则列出了描述碰撞的相关参数，其中r
i
，r
j
，P
i
，P
j
，V
i
，V
j
，ω
i
，ω
j
分别表示颗粒i及颗粒j的粒径、位移矢量、速度矢量及角速度矢量。空腔壁面b的位移矢量、速度矢量及壁面单位法向量矢量则分别表示为P
b
，V
b
及n
ib
。
[0028]表1颗粒与颗粒及颗粒与空腔之间碰撞的相关参数
[0029][0030]则颗粒i的运动方程如下：
[0031][0032][0033]其中，m
i
表示颗粒i的质量，I
i
为颗粒绕质心的转动惯量，g为重力加速度。θ
i
为颗粒的角速度矢量，f
nij
、f
nib
分别为颗粒与颗粒以及颗粒与空腔间的法向作用力矢量，f
tij
、f
tib
则为对应的切向作用力矢量。n
pair
、b
pair
分别表示在某个时间计算步内，与颗粒i发生接触的颗粒总数目及空腔总数目。从图3中可以看到，当颗粒本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于有效碰撞耗能计算的多颗粒阻尼器减振机理分析方法，其特征在于：具体步骤如下：步骤一：建立颗粒阻尼器数值仿真模型；步骤二：利用离散单元法求解颗粒阻尼器响应；步骤三：提取能量耗散及有效碰撞状态参数曲线。2.如权利要求1所述一种基于有效碰撞耗能计算的多颗粒阻尼器减振机理分析方法，其特征在于：步骤一需明确颗粒阻尼器的各项参数，其中空腔参数包括：空腔弹性模量E
c
和泊松比和υ
c
，空腔尺寸参数长L、宽W、高H，空腔质量M、等效刚度K及等效阻尼C；颗粒参数包括：颗粒数量N，颗粒粒径d，颗粒弹性模量E，泊松比υ，颗粒密度ρ,库伦摩擦系数μ接触阻尼常数η。3.如权利要求1所述一种基于有效碰撞耗能计算的多颗粒阻尼器减振机理分析方法，其特征在于：步骤二的具体求解方法为：首先，确定空腔及其内部颗粒的位置；接着对所有作用在颗粒上的作用力求矢量和；然后求解颗粒i的平动及转动加速度，并按照上述过程对其余每一个颗粒的运动方程进行求解；最后求解作用在颗粒团上的合力；根据牛顿第三定律得到颗粒对空腔的作用力，将其沿水平和竖直方向分解，得到颗粒作用于空腔的作用力，并更新外部作用力及空腔运动状态，进入下一个循环。4.如权利要求1所述一种基于有效碰撞耗能计算的多颗粒阻尼器减振机理分析方法，其特征在于：步骤三所述开展的提取能量耗散及有效碰撞状态参数曲线提取方法，主要涉及有效碰撞模型的定义和强迫振动条件下特征曲线的提取两方面内容，具体方法如下：A、有效碰撞模型的定义以空腔为研究对象，将颗粒与空腔沿法向的碰撞作用分为两类：I类碰撞：碰撞产生的法向作用力与空腔的法向运动方向相反，此时颗粒对空腔做负功，可以起到减振的作用；发生这类碰撞时，颗粒相对于与空腔可能有两种运动情况：第一种，颗粒与空腔在发生碰撞前的绝对速度方向相反；第二种，碰撞发生前颗粒与空腔的绝对速度方向相同，但该运动方向却与颗粒相对于空腔的运动方向相反；两种运动情况均可用V
cn
·
(V
cn
‑
V
pn
)≥0表示；II类碰撞：碰撞产生的法向作用力与空腔的法向运动方向相同，此时颗粒对空腔做正功，无法起到减振作用；发生该类碰撞时，颗粒与空腔在碰撞发生前的绝对速度方向相同，且该运动方向与颗粒相对于空腔的运动方向相同，即颗粒“追赶”空腔。该种运动情况可用V
cn
·
(V
cn
‑
V
pn
)<0表示；同理，按照碰撞产生的切向力对空腔所做的功也可将空腔与颗粒沿切向的碰撞分为I类和II类碰撞，发生I类碰撞时摩擦力沿切向对空腔做负功，颗粒与空腔的运动情况可用V
ct
·
(V
ct
‑
V
pt
)≥0表示，发生II类碰撞时摩擦力沿切线方向对空腔做正功，相应的运动情况可用V
ct
·
(V
ct
‑
V
pt
)<0表示。上述V
pn
、V
pt
分别为颗粒沿空腔法向及切向的分量；空腔绝对速度V
c
沿法向和切向分为V
cn
、V
ct
；B、建立碰撞的能量交换模型通过对颗粒在单个周期内对空腔所做的功进行时域积分求解各类能量交换。假设空腔
壁面数为n
b
，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王延荣，刘彬，魏大盛，唐伟，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：