转动结构的颗粒阻尼数值模拟方法研究

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雅宝题库解析：
振动可使航空发动机叶片产生疲劳裂纹，增加航空器维护和使用成本，降低战备完好性，甚至导致机毁人亡的事故。现代航空发动机常采用高增压比、高涡轮前温度和叶盘一体化等措施来提高性能和可靠性，使得粘弹性材料、干摩擦等传统阻尼技术的应用受到一定限制，因此发展一种能够适应恶劣环境的新型减振技术显得尤其重要。颗粒阻尼作为一种被动减振技术，具有工作温度和频率范围宽、成本低、抗老化、减振降噪效果好等优点，在航空发动机空心风扇叶片和其它薄壁结构件上具有一定的潜在应用前景。它是将装有金属或陶瓷材料等颗粒的空腔附着在结构振动幅值较大的区域，通过颗粒与颗粒以及颗粒与空腔壁面之间的非弹性碰撞和摩擦作用将结构的振动能转化为热能，从而达到减振目的。高度非线性的颗粒阻尼具有非常复杂的阻尼机理，包括非弹性碰撞、摩擦、噪声、粘附力等耗能机理。本文针对自由端带矩形空腔的L型悬臂梁结构，建立了二维颗粒阻尼物理模型。利用基于赫兹接触理论的法向接触力模型和基于库伦摩擦定律的切向接触力模型建立了颗粒和空腔的运动微分方程，发展了一套计算颗粒阻尼的离散元数值仿真程序；利用已有的实验数据验证了理论模型及所建立的离散元方法；数值研究了在空腔作瞬态振动的条件下，有无离心力时动摩擦系数、恢复系数、初始位移、碰撞间隙、颗粒直径、颗粒材料、质量率等7个因素对颗粒阻尼的影响，同时还深入研究了二维颗粒阻尼的能量迁移和能量耗散机理。研究结果表明，颗粒阻尼随碰撞间隙或质量率的增大而显著增大，而且几乎不随恢复系数变化；颗粒与颗粒之间的碰撞和摩擦作用在能量耗散中占据主导地位，而颗粒与空腔壁面之间的碰撞和摩擦作用主要对动量和能量迁移起作用。数值模拟与实验结果吻合很好，可应用于颗粒阻尼器的实际设计。