[发明专利]基于气固两相流理论的颗粒阻尼结构振动响应预估方法

说明书

发明内容

本发明属于减震降噪领域，具体基于气固两相流理论的颗粒阻尼结构响应预估方法。

背景技术

阻尼技术作为一种常用的减振降噪技术一直是结构声振控制领域的研究热点，其中以粘弹阻尼技术为代表的传统阻尼技术以其优良的减振效果和便于实施等优点，近二十年来得到了长足的发展和广泛的应用。但是，由于粘弹阻尼材料的阻尼特性对温度异常敏感且易于老化，以及粘弹阻尼结构大面积使用时附加重量较重等诸多缺点，因此，该技术对于那些经常工作在低温、高热流、高压力、强酸碱等恶劣环境条件下的设备以及对于附加质量有苛刻要求的精密、超精密仪器设备是无法使用的。

在目前正在发展的新型阻尼技术中，源于单冲体冲击减振技术的颗粒阻尼技术以其优良的减振降噪效果以及结构简单、成本低廉、易于实施、适用于恶劣环境、附加重量小等优点已在汽轮机叶片、液氧火箭发动机T型导流槽、装甲运兵车、喷气织机机架、航天雷达天线采样架立柱、轧钢冷锯、金融捆钞机、IC后封装设备以及大型机床等众多工程领域得到了成功应用，是一种非常值得推广和大力研究的新型阻尼技术。然而目前关于颗粒阻尼技术的研究绝大多数尚停留在以经验试凑、模型试验为主的应用研究方面，从理论侧面具体指导工程实际应用，并进行结构低振动和低噪声优化设计的振动与声辐射响应预估等理论问题目前研究的较少且欠充分，所采用的研究方法主要是从微观层面借助于颗粒动力学理论进行极其繁琐的大型仿真计算（受制于此，研究对象往往局限于简单的颗粒阻尼复合梁、板结构），尚缺乏一种简捷实用、适应面宽的颗粒阻尼复合结构振动与声辐射响应预估的方法。

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、直径微小的金属颗粒（如钢、铅以及钨颗粒等）为主，颗粒的形状也各种各样，主要为球形或近似球型。颗粒阻尼技术的实施方式主要通过以下两种途径来完成：1）是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）最有代表性，它是将颗粒材料用一种柔性包袋包裹起来制成的，最早由国外学者Popplewell及其同事们于1989年在研究镗杆的减振时发明的；2）不需要附加颗粒阻尼器，而是直接在需要减振的结构部位打上一定深度和直径的许多微孔，再将颗粒材料埋入并使其处于非阻塞状态，因此这种技术又称为非阻塞性颗粒阻尼技术（Non-Obstructive Particle Damping，简称NOPD），该技术最早是由美国洛克威尔公司的Panossian博士于1991年首先提出来的，其目的是为了解决工作条件极端恶劣或限于结构体本身的特殊性很难甚至无法采用其它减振措施的结构体振动问题。

截止到目前，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，目前国内外学者已达成了普遍共识，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和摩擦而引起的，外部效应则是由于颗粒与结构内腔面之间的碰撞和摩擦引起的。而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单的复合梁、板结构上，所采用的方法主要以微观颗粒动力学理论为主，这种理论与分子动力学相似，要求在考虑了表面摩擦、碰撞能量损失以及边界力和重力等条件下分别对每个颗粒进行建模，颗粒的运动保持实时跟踪。总而言之，上述研究成果丰富和发展了颗粒阻尼技术的基础理论研究，为更为复杂的颗粒阻尼复合结构的响应预估奠定了重要的理论基础。

纵观目前有关颗粒阻尼复合结构响应预估问题的研究，尽管取得了显著进展，但为了更加有效地分析和解决复杂的工程实际问题，仍存在如下的理论和技术问题值得更深入和系统地进行研究：

(1)前面已经指出，目前关于颗粒阻尼复合结构的响应预估问题所采用的方法主要以微观层面的颗粒动力学为主，这种方法虽然能够直观清晰地反映颗粒运动时的细部特征和微观变化，但是该方法的致命缺点在于建模异常复杂，而且由于要考虑大量颗粒的参与使得计算工作量非常庞大（一般所需机时超过数十小时），这离工程实际中要求快速简捷地进行结构响应预估乃至结构优化设计相距甚远，这也是目前的研究对象仅限于简单的颗粒阻尼复合梁、板结构，而未能进行更为复杂的壳体或箱体结构相关问题分析的最主要和最直接的原因所在，至于在振动响应预估的基础上进行更为复杂的声辐射响应预估更是难以实现。