[发明专利]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

说明书

本发明提出了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，具体为建立了一种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，并给出了操作流程。包括有效碰撞模型的构建，颗粒阻尼器数值仿真模型的构建与求解，能量耗散及有效碰撞状态参数曲线提取方法等内容。基于提出的“有效碰撞”的计算模型，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。

技术领域

本发明属于被动减振技术数值仿真领域，具体为建立了一种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。

背景技术

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。

本发明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。在案例研究中，本发明利用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。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于颗粒阻尼离散元程序的数值分析方法，该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。

一、有效碰撞模型的定义

(一)碰撞的分类

图1给出了颗粒与空腔发生斜碰前的示意。V_p为颗粒的绝对速度，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也沿法向和切向分为V_cn、V_ct。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，即“迎面碰撞”；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，即空腔“追赶”颗粒。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。