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声音与振动杂志

颗粒的流变行为及最佳阻尼效应

非阻塞粒子阻尼器中的粒子

Kai Zhang, Tianning Chen, Xiaopeng Wang n , Jianglong Fang

机械工程、机械结构强度与振动国家重点实验室，西安交大，

西安，陕西710049，中国

文章信息

文章历史：

八月1日收到2015

以书面形式收到

18十月2015

接受4十一月2015

可在线3十二月2015

关键词：

最佳阻尼，

NOPDs，

颗粒流变性能，

能量耗散，

颗粒莱顿弗罗斯特效应

摘要

探讨非阻塞性颗粒阻尼器的最优阻尼机制（nopds），对阻尼性能的NOPDs和运动之间的关系的研究在NOPDs阻尼颗粒模式是基于流变特性进行振动颗粒. 首先，nopds阻尼性能不同

通过悬臂系统实验研究了激发强度和间隙，一种近似评价的有效质量和有效阻尼NOPDs

将实验数据拟合为等效单自由度（无阻尼单自由度）的粒子系统. 然后可以显示的相图

不同激励强度和间隙下阻尼颗粒的运动模式通过一系列振动台试验。此外，耗散特性

阻尼颗粒是由离散单元法（DEM）的探讨. 研究结果表明，当NOPDs发挥最佳减振效果颗粒莱顿弗罗斯特的效果，整个NOPDs的颗粒床悬浮振动基础之上观察到一层高能粒子。最后，阻尼特性NOPDs解释了粒子间的碰撞和摩擦–粒子和粒子–基于阻尼粒子流变行为的壁面耗散机构首次提出对nopds最佳阻尼性能。

2015 Elsevier公司保留所有权利。

1.介绍

非阻塞颗粒阻尼技术是从冲击阻尼技术发展而来的一种新的被动减振方法。。非阻塞性颗粒阻尼（NOPD）由腔部分填充金属或陶瓷颗粒体积小（直径0.05 - 5毫米）是一种装置，可以衰减机械振动通过非弹性碰撞和摩擦之间的单个粒子和颗粒之间的空腔壁[ 1 - 3 ]。nopds往往附着或在振动的结构，是因为在工程实践中广泛使用他们的概念简单，潜在的有效性在广泛的频率范围，以及温度和退化不敏感[4,5]。然而，对nopds动态特性是高度非线性的，没有一个统一的、成熟的NOPDs的阻尼机理至今由于阻尼填充nopds颗粒可以显示不同的理论运动模式（固体相或液相或气相）偶相转变（流变行为）粒子在一定振动条件下[ 6 ]。对nopds最佳阻尼机制尚未得到很好的理解由于阻尼粒子在不同的运动模式下表现出不同的耗散能力[ 7 ]。

振动颗粒床已在工程和科学界多年来备受关注因为他们是一个简单的例子，表现出丰富和复杂的动态耗散非平衡系统的行为，如堆[8,9]形成起伏和其他波模式[ 12 ] 10–，拱[ 13 ]，[ 14 ]弹跳床，对流[15,16]，颗粒莱顿弗罗斯特效应[ 22 ]和17–颗粒气体[ 23,24 ]。nopds像密闭容器的部分阻尼颗粒填充。在NOPDs阻尼粒子的运动模式可以不同，颗粒颗粒在振动颗床。

本研究的创新之处在于nopds阻尼机理是首先基于流变性能的研究阻尼颗粒在NOPDs和阻尼颗粒弹减振效果最佳的运动方式确定。详细介绍，在第2部分的研究的有效质量和有效阻尼nopds不同初始条件下的通过悬臂系统实验和等效单自由度的自由度（SDOF）模型。在第3节中，相位通过振动台试验得到了不同激励强度和间隙条件下。的阻尼颗粒图，

研究了阻尼粒子在最优阻尼作用下的运动模式。第4节分析利用DEM模拟粒子耗散阻尼性能。在5节中，对nopds最佳阻尼机制基于能量耗散和颗粒莱顿弗罗斯特效应转化分析。最后，总结的结论在第6节。

2。NOPDs的动力学特性

2.1。悬臂系统实验

对加载阻尼粒子的悬臂梁系统进行了强迫激励实验激励点的信号进行测量的阻抗头，然后加速度频率响应函数（FRF）在不同的初始条件下，系统通过Mthorn;P分析仪系统获得是一个专业的振动和噪声测试和分析平台，数据分析和报告创造）通过32次平均每次激励。实验过程如图1所示。

主系统（即悬臂系统）组成的微悬臂梁和外壳在一起，一次系统的等效质量为0.406公斤。在这项研究中所使用的实验装置示出图2和外壳的组件（内径为20毫米）如图3所示。外壳初步构建了以碳钢螺丝底部，允许机柜连接到有机玻璃悬臂梁无损伤。此外，该外壳有一个透明有机玻璃侧壁，使运动待观察到的阻尼颗粒，螺纹顶部允许间隙调整和两个螺纹固定在测试过程中防止间隙变化的环。间隙是简单的距离顶部的颗粒床和天花板的外壳。外壳部分填充3毫米直径的钢球体，质量为0.063公斤的钢球。更清楚地检测阻尼粒子的阻尼性能，只有第一阶模态的主系统进行了分析，在实验中，两个不同的情况下实施：（1）恒定间隙的间隙，不同的激发强度；（2）恒定的激发强度，不同的间隔间隙。

首先，让Lfrac14;间隙15毫米（即外壳的内腔高度为60 mm），一组正弦扫描激发施加到主系统处理的阻尼粒子从0赫兹到50赫兹的步骤25 Hz／min，激励强度Gamma;frac14;一omega;2 = G率（即无量纲加速度）从0.6到7.8

图1。实验过程示意图。

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图2。测试系统安装。

图3。该结构的组件。

图4。带阻尼的不同Gamma;颗粒治疗原系统的FRFs。英国广播公司表示主系统的频响函数无颗粒英国广播公司thorn;M63表示附63g静止质量的主要系统的频响函数。

调整通过改变电压U的激励信号从0.1 V至1.3 V的Mthorn;p分析器生成，在omega;为振动角频率，在为振动角频率，a为振动位移幅值，G为重力加速度。图4显示一组不同的Gamma;主系统的频响函数曲线的典型。

从图4可以发现在低激发强度（Gamma;O1）颗粒的行为作为一个附加的静止质（标志着英国广播公司thorn;M63在图4），它只是使系统的谐振频率从22赫兹到20赫兹左右的下降，和阻尼效果不明显。随着激发强度的增加，特别是当激励强度超过1.2时，一次系统的共振峰明显减小，主共振频率系统逐渐朝着没有粒子的主系统测量（如图4所示的英国广播公司）。当激励强度达到Gamma;frac14;3:3约，主系统的谐振频率约为21 Hz，主系统的共振峰是最低的，这表明的NOPD的减振效果最佳。进一步增加的激发强度将导致主系统的共振峰的上升，这表明该结构的减震效果变差。这个结果与文献中的实验结果是一致的[ 25 ]。

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图5。与不同属英国广播公司阻尼颗粒治疗原系统的FRFs表示主系统的频响函数无颗粒，英国广播公司thorn;M63表示附63g静止质量的主要系统的频响函数。

然后，让激励强度Gamma;frac14;7:8，正弦扫频激励是一样的第一例应用对原系统进行阻尼颗粒处理。间隙间隙L从0毫米改为30毫米调整螺纹顶部和螺纹固定环。图5显示一组不同的l主系统的频响函数曲线的典型。它可以看到，随着我的主系统的频响函数先减小后增加的幅度增加，这是由于不同的Gamma;频响函数的幅值的变化趋势相同。间隙间隙的最佳值对结构的减振效果最佳为11毫米。

2.2。有效质量和有效阻尼

为了验证动态性能和阻尼性能的nopds，阻尼颗粒治疗原系统

简化为一个等效单自由度体系[ 26 ]，为7828.86 N / m主系统的等效刚度K。这个本课题研究的主要内容是阻尼颗粒的阻尼效应，使原系统的固有阻尼为在等效单自由度模型忽略。一个简单的评价的有效质量和有效阻尼NOPDs用最小二乘曲线拟合实验数据。拟合结果的例子如图6所示为不同激励强度Gamma;和间隙L。

从图6可以看出，有效阻尼随间隙的变化趋势与激发强度（即先增大后减小）。的有效阻尼的最大值时，得到有效质量达到最小值，略高于原系统的有效质量值而不含粒子。结果是一致的实验结果在文献[ 27 ]，其中作者报告说，共振频率（这是简单地通过我frac14;K =eth;2pi;FTHORN;我们有效质量相关2 f是激励频率）可以接近但不能完全达到有效质量的值为一个空的外壳。

从以上，激发强度和间隔间隙的变化可以导致不同的运动模式阻尼粒子的等效阻尼变化趋势相同。那么是什么关系阻尼效应在NOPDs nopds和阻尼粒子的运动模式？在下一个文本中，运动模式以振动台试验为基础，研究了不同激励强度和间隙条件下的阻尼颗粒悬臂系统实验。

三.振动台试验阻尼粒子相图

试验台如图7所示。振动台试验中使用的阻尼颗粒质量为0.063公斤。一系列的

不同频率正弦激励应用到结构采用悬臂系统实验，通过

在相关的频率范围内的阻尼粒子的不同的运动模式，可以得到（区分）

对实验现象的观察比较，[ 28 ] Peter Eshuis。基于悬臂实验，两

不同的情况进行实施：（1）恒定的间隙（Lfrac14;15毫米），不同的激励强度Gamma;；（2）恒定的间隙

间隙（Gamma;frac14;7:8），不同间隙L。在NOPD阻尼粒子运动模式在图8所示

请参阅附加的动态视频文件，以获得更详细的运动模式的阻尼粒子。

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图6。有效质量和有效阻尼作为激发光强度的Gamma;和间隙L.蓝虚线标明我的功能说主系统的无粒子的有效质量，蓝色虚线标明我thorn;MP表示主系统的有效质量附63g静止质量。（一）激励强度Gamma;影响。（b）间隙间隙L的影响（用于解释颜色的参人物传奇，读者参考了这篇文章的网页版。

与本文相关的补充材料，可以在网上找到http://dx.doi.org/10.1016/j.jsv.2015.11.006。描述了粒子在不同阻尼结构的激发强度和间隙下的相图图9。可以看出，在NOPD阻尼颗粒可以在不同的显示七种不同的运动模式激励条件和设计参数，即固体状，局部流化、全球化、对流、Leidenfrost效应，浮力对流和弹跳床。当阻尼颗粒处于固体状态时，几乎没有相对运动颗粒和颗粒之间的壁，和整个颗粒床看起来像一个附加的静态质量。当阻尼颗粒处于局部流态化状态，颗粒更接近于颗粒床的顶部（表面）流态化，流态化颗粒层内颗粒间有相对运动，但颗粒层较低仍然相对静止。全球流态化状态下的颗粒完全流态化，有相对运动颗粒间的颗粒间。当对流发生，不仅有粒子之间的相对运动，但也颗粒层和颗粒床之间的颗粒位置的交换看起来不均匀加热液体。当颗粒Leidenfrost效应出现，一簇颗粒高温和稀释气体的支持

下面的快速粒子层[ 20 ]。低层的振荡时间的厚度（永远不会消失）引起的底部运动，而集群漂浮稳定在原来的位置[ 21 ]附近。浮力对流颗粒可以被视为一个superpositional颗粒莱顿弗罗斯特效应和对流，即国家对流发生在这是在Leidenfrost州的悬浮颗粒层。弹跳床意味着nopds颗粒床的行为作为一个非弹性蹦球和对亚谐分岔现象系列。

图9示出的激发强度和间隙间隙的变化可以导致的流变行为在NOPD阻尼颗粒。结合图9（a）与图6（a），可以观察到的阻尼性能

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图7。试验台

图8。阻尼粒子的几种运动模式。

在一定的间隙NOPD（Lfrac14;15毫米）是最好的Gamma;frac14;3.3近似时，粒子在结构中的阻尼颗粒莱顿弗罗斯特状态。结合图9（b）和图6（b），它可以观察到的阻尼性能thenopd一定的激发强度下（Gamma;=7.8）是最好的在我L=11毫米时，阻尼的粒子在运动模式的结构即将从Leidenfrost州改变浮力对流状态。

在下一节中，基于阻尼性能的NOPDs和运动模式之间的关系阻尼颗粒在NOPDs，阻尼粒子运动模式进行DEM研究耗散特性阻尼粒子。

图9。在NOPD阻尼颗粒相图。不同颜色和形状的符号表示阻尼粒子的不同运动模式分别。在黑色的小正方形面积表明阻尼颗粒及其临界相态莱顿弗罗斯特效应。左边两个空白区域图片的一边代表空数据和空白区域下的红色虚线（其中L趋于零），它代表了阻塞状态NOPDs不应该被考虑。（一）激励强度Gamma;效应。（b）间隙间隙L的影响（用于解释颜色的参

人物传奇，读者参考了这篇文章的网页版。

图10。颗粒软球模型。KN，Ks，CN和CS表示接触法向刚度、剪切刚度阻尼接触，正常的

接触和剪切接触阻尼。（a）粒子-结构接触。（b）粒子-粒子接触。

4。通过DEM模拟粒子最优阻尼耗散特性

建立了描述颗粒系统的离散元模型.在DEM模型，假定每个粒子一个刚体，整个结构体系是颗粒装配和主要系统，其中每个颗粒-颗粒和颗粒-壁接触被检测到。超过小步迭代计算周期，完全丧失接触，并形成新的接触机构之间发生。接触力产生的每一个接触对身体的基础上的接触力模型计算[ 29 ].

广泛使用的软球模型在DEM中采用这种工作。粒子的法向力可以简化为弹簧阻尼元件，而切向力可简化为弹簧阻尼元件和滑动件摩擦成分，如图10所示。当两颗粒间的切向力大于静摩擦力时力，相对滑动作用发生。否则，弹簧阻尼元件工程[ 30 ]。

4.1。接触模型

赫兹–明德林（无滑动）接触模型被用于这项工作。在这个模型中的正常力分量的基础上赫兹接触理论[ 31 ]。切向力模型是基于Mindlin–德雷谢维奇工作[ 32 ]。正常和切向力有阻尼分量阻尼系数是相关的恢复系数为文献描述[ 33 ]。切向摩擦力

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