颗粒阻尼减振机理及应用研究

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汽车、航空及航天器等机械产品中部分零部件工作的温度环境恶劣，在此环境中对其进行减振时，常用的阻尼减振技术难以发挥作用（例如附加粘弹性阻尼材料的方法），因此技术难度大。行驶的汽车带来了噪声污染，影响着人们的工作、生活乃至健康，例如组成汽车结构的各类板件受到外界激励时，将产生振动并在一定条件下辐射噪声，而这些构件的设计及制作又受到工艺、外形、重量等诸多条件的限制，大的改动将影响结构的动态特性；汽车制动器工作时产生的噪声是交通噪声的重要组成部分，而制动器常工作的高温环境和其本身结构的特点，在很大程度上限制了传统阻尼技术的应用。针对这些题目，研究既不影响结构特性又能有效地降低结构振动、噪声的技术很有必要。颗粒阻尼减振器是包含有颗粒的腔体结构，其腔体可以有多种形式，可以是在现有结构适当位置加工出一系列孔腔，也可以是附加在结构上的独立腔体。它通过颗粒之间及颗粒与孔壁之间的摩擦和碰撞消耗系统能量，从而实现减振降噪的目的。颗粒阻尼技术在恶劣温度环境下仍具有良好的减振效果，且具有抗老化、低成本、结构简单、减振频带宽等优点。本文将对颗粒阻尼的减振机理、设计方法等进行研究，为颗粒阻尼技术的工程应用提供理论依据和指导。本文首先对带颗粒阻尼器悬臂梁结构和平板结构的非线性振动响应及减振规律进行实验研究，在此基础上提出了适合带分布式颗粒阻尼器结构的快速高效仿真算法——离散元－有限元耦合算法，充分发挥了有限元法计算连续结构振动的优势和离散元法计算颗粒运动的优势；利用所提的计算方法对带颗粒阻尼器且处于旋转状态的汽车制动鼓振动特性进行了数值仿真研究，取得了可靠的结果，直到目前，将颗粒阻尼器用于旋转结构减振的数值仿真研究尚未见文献报道；研究了各关键参数对颗粒阻尼器减振效果的影响规律，得出了颗粒阻尼器的设计步骤。本文所得研究成果对于将颗粒阻尼减振系统应用于实际工程并且能达到良好减振效果具有重要意义。本文具体内容和完成的工作如下：(1) 介绍了论文的背景意义和研究目的，对颗粒阻尼减振相关的各个研究方向的发展过程、基本方法及国内外最新进展及应用情况作了较系统的介绍，并确定了本文的研究内容及基本研究思路。(2) 对颗粒间、颗粒与孔壁间的接触力模型进行了分析、比较；针对颗粒阻尼器结构的特点，提出了一种简单的搜索算法和一种可对带颗粒阻尼器复杂结构进行计算的仿真算法。(3) 对带颗粒阻尼器的悬臂梁和平板结构进行了实验研究。设计了一套能够测量带颗粒阻尼器的悬臂梁和平板结构减振效果的实验系统，对影响减振效果的颗粒填充率、颗粒密度、颗粒大小和激振力等因素进行了实验研究，总结了它们对减振效果的影响规律，为数值仿真研究提供了对比依据。(4) 基于本文提出的离散元－有限元耦合算法，建立了带孔腔悬臂梁和平板结构的有限元模型，研究了颗粒与结构的动力学耦合题目及系统非线性响应特性；通过仿真算法研究了各关键参数对减振效果的影响，并对仿真结果与实验结果进行了比较；分析了颗粒阻尼器的设计步骤。(5) 对带颗粒阻尼器的汽车制动鼓进行了实验与仿真研究。建立了带孔腔结构制动鼓的有限元模型，首先从强度和刚度角度对制动鼓能否施加颗粒阻尼器进行了分析，然后对带颗粒阻尼器制动鼓非旋转状态进行了仿真与实验研究，并得到各种参数对减振效果的影响规律。在验证了仿真算法的基础上，对带颗粒阻尼器制动鼓在旋转状态的振动特性进行了仿真研究，得到了旋转速度对减振效果的影响规律，分析颗粒对制动鼓动平衡的影响。(6) 从能量的观点出发，以平板结构和汽车制动鼓为研究对象，对带有颗粒阻尼器平板和制动鼓结构的振动响应及振动功率流特性进行了理论分析和仿真计算。在此基础上计算并分析了结构共振时的功率流分布以及功率流特性随颗粒材料、颗粒填充率等参数的变化规律。最后，对全文的研究工作进行了总结，给出了主要的研究成果和结论，并对今后的工作进行了展望。

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