申请/专利权人：厦门振为科技有限公司;厦门大学

申请日：2018-12-18

公开（公告）日：2024-04-30

公开（公告）号：CN109404463B

主分类号：F16F7/01

分类号：F16F7/01

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.30#授权;2019.03.26#实质审查的生效;2019.03.01#公开

摘要：本发明公开了一种基于亚流态接触应力网络的粒子耗能阻尼器，包括用于安装在待减振结构的振动传递路径上的容纳壳体，及内置于所述容纳壳体内的形成粒子介质接触应力网络的若干粒子；在所述振动的作用下可引起所述粒子介质接触应力网络的解构、流变和重构，以耗散能量衰减振动。本方案通过将粒子介质的动力学状态变化机理引入到降冲击装置的结构设计中，以达到可靠的减振目标，且具有较佳的可适应性。

主权项：1.基于亚流态接触应力网络的粒子耗能阻尼器，其特征在于，包括用于安装在待减振结构的振动传递路径上的容纳壳体，及内置于所述容纳壳体内的形成粒子介质接触应力网络的若干粒子；在所述振动的作用下可引起所述粒子介质接触应力网络的解构、流变和重构，以耗散能量衰减振动；所述容纳壳体固定安装在所述待减振结构的最大位移处或者最大模态灵敏度位置；其中，内置于所述容纳壳体内的若干所述粒子配置为：所述振动的频率接近1阶模态频率时，粒子耗能阻尼器安装位置为待减振结构1阶模态振动最大位移处，所述粒子介质从流态-非碰撞流转变为流态-碰撞流；或者，所述振动的频率接近2阶模态频率时，粒子耗能阻尼器安装位置为待减振结构2阶模态点处，所述粒子介质从流态-非碰撞流转变为流态-剪切；或者，所述振动频率接近其余高阶模态频率时，粒子耗能阻尼器安装位置为待减振结构模态振型最大位移处，所述粒子介质接触应力网络系统完全解构；或者，所述振动频率远离模态频率时，粒子耗能阻尼器安装位置为待减振结构连接处或应力集中处，所述粒子介质从流态-非碰撞流转变为类固体-准静态流。

全文数据：基于亚流态接触应力网络的粒子耗能阻尼器技术领域本发明涉及减振技术领域，具体涉及一种基于亚流态接触应力网络的粒子耗能阻尼器。背景技术现有技术中，在民用工业领域和军事工业领域中，大多产品性能均与减振技术密切相关，如何有效进行振动控制的研究在工业上显得尤为重要。目前，相关阻尼器有不同结构形式，最常用的有粘弹性阻尼器、黏滞阻尼器等；其中，粘弹性阻尼器通过产生剪切滞回变形，耗散输入的能量，其对温度的变化很敏感，有效工作温度范围在-30℃～120℃，需对其工作环境温度需要采取热控措施；黏滞阻尼器是利用黏性液体阻尼材料的黏滞耗能作用将机构运动过程中的剩余动能耗散掉，但黏性液体阻尼材料需要在真空环境下密封在机架内，使加工成本提高，而且当工作温度升高到80℃以上时黏滞阻尼器在工作中存在着渗漏的危险一旦黏滞阻尼器渗漏，会迅速失去阻尼特性，必须更换。有鉴于此，亟待针对现有阻尼器产品进行改进优化，以克服上述适用频带宽度有限及可靠性不高的缺陷。发明内容为解决上述技术问题，本发明提供一种基于亚流态接触应力网络的粒子耗能阻尼器，通过将粒子介质的动力学状态变化机理引入到降冲击装置的结构设计中，以达到可靠的减振目标，且具有较佳的可适应性。本发明提供的基于亚流态接触应力网络的粒子耗能阻尼器，包括用于安装在待减振结构的振动传递路径上的容纳壳体，及内置于所述容纳壳体内的形成粒子介质接触应力网络的若干粒子；在所述振动的作用下可引起所述粒子介质接触应力网络的解构、流变和重构，以耗散能量衰减振动。优选地，所述容纳壳体固定安装在所述待减振结构的最大位移处或者最大模态灵敏度位置。优选地，内置于所述容纳壳体内的若干所述粒子配置为：所述振动的频率接近1阶模态频率时，粒子耗能阻尼器安装位置为待减振结构1阶模态振动最大位移处，所述粒子介质从流态-非碰撞流转变为流态-碰撞流；或者，所述振动的频率接近2阶模态频率时，粒子耗能阻尼器安装位置为待减振结构2阶模态点处，所述粒子介质从流态-非碰撞流转变为流态-剪切；或者，所述振动频率接近其余高阶模态频率时，粒子耗能阻尼器安装位置为待减振结构模态振型最大位移处，所述粒子介质接触应力网络系统完全解构；或者，所述振动频率远离模态频率时，粒子耗能阻尼器安装位置为待减振结构连接处或应力集中处，所述粒子介质从流态-非碰撞流转变为类固体-准静态流。优选地，所述粒子为直径0.001～30mm的球体、长短轴长度均为0.001～30mm的椭球体、边长为0.001～30mm规则的多面体或边长为0.001～30mm的不规则多面体；所述粒子采用材质密度为0.1～30gcm3的金属、非金属或高分子复合材料。优选地，所述容纳壳体的壁厚为0.01～30mm；所述容纳壳体的内表面为圆柱体或多面体；所述容纳壳体的材质为镁合金、铝合金、钛合金、铁合金、铜合金、镍合金、铅合金、锰合金、钴合金或钨合金，或者上述合金中的多元合金制成。优选地，所述容纳壳体的内表面和所述粒子的表面配置为：表面摩擦因子为0.01～0.99，表面恢复系数为0.01～1。优选地，所述容纳壳体内腔分隔为多个隔离腔体，每个所述隔离腔体内填充相同和或不同特征的所述粒子，其中，所述特征为所述粒子的材料、形状和尺寸；所述粒子的填充率为10％～100％。优选地，所述容纳壳体与待减振结构之间的固定方式为螺纹连接、键连接、型面连接、胀紧连接、销连接、铆接、焊接、粘接或过盈连接。与现有技术相比，本发明另辟蹊径地提出了上述粒子耗能阻尼器方案，具体将将粒子介质的动力学状态变化机理引入到降冲击装置的结构设计中，内置有粒子的容纳壳体安装在待减振结构的振动传递路径上，若干粒子形成粒子介质接触应力网络；冲击发生时，在振动的作用下可引起粒子介质接触应力网络的解构、流变和重构，以耗散能量衰减振动，从而可靠地实现机械系统的减振。同时，粒子系统具有较为宽泛的可选择性特征，进一步提高可适用频带宽度。附图说明图1为具体实施方式中所述粒子耗能阻尼器的装配关系示意图；图2a、2b、2c和2d分别以梁模型作为分析基础示出了模态灵敏度最大位置；图3为在待减振结构1阶模态相应位置增加阻尼器的减振效果；图4为在待减振结构2阶模态相应位置增加阻尼器的减振效果；图5为在待减振结构高阶模态相应位置增加阻尼器的减振效果；图6为在待减振结构非模态相应位置增加阻尼器的减振效果。图中：待减振结构1、容纳壳体2、粒子2-2。具体实施方式为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。应用本实施方式提供的基于亚流态接触应力网络的粒子耗能阻尼器，其包括用于安装在待减振结构1的振动传递路径上的容纳壳体2，及内置于该容纳壳体2内的形成粒子介质接触应力网络的若干粒子；冲击发生时，在振动的作用下可引起上述粒子介质接触应力网络的解构、流变和重构，从而产生类粘滞液体或类碰撞阻尼的亚流态阻尼效应，以耗散能量衰减振动。该粒子耗能阻尼器可广泛应用于不同机械结构，例如但不限于：航空航天、高端船舶、兵器、轨道交通相关设备的壁板、框架、基座等机械结构。不失一般性，本实施方式以图1中所示待减振结构1作为描述主体，详细说明本方案所述粒子耗能阻尼器。应当理解，待减振结构1的具体功能结构，对于本申请请求保护的粒子耗能阻尼器并未构成实质性的限制。请参见图1，该图示出了本实施方式所述粒子耗能阻尼器的装配关系示意图。如图所示，安装在待减振结构1振动传递路径上的容纳壳体2，其中内置有可形成粒子介质接触应力网络的若干粒子2-2，也即粒子介质。需要说明的是，粒子材料同时具有固体和液体特性的材料形式，在振动激励的作用下，粒子系统的动力学状态可以转变为阻塞态、准静流态、惯性流态、弹性流态四种状态，相应地，粒子构成的粒子系统接触应力网络也表现出不同形态。当粒子系统在阻塞态、准静流态和弹性流态时，粒子系统接触应力网络较大，而在惯性流态时则较小。在粒子介质的动力学状态从快速流转变为慢速流和准静态流时，弱接触应力网络的数目明显减少，强接触应力网络数目明显增加，与此同时，粒子介质的流动速度和接触应力网络解构与重构的速度则明显减缓。粒子介质接触应力网络从稳定到流态到重构的类液体流动过程，即为亚流态应力网络系统。在振动没有到来之前，粒子按照一定的规律排布于容纳壳体2内，此时粒子介质接触应力网络构造稳定，呈现明显的树状结构，当粒子系统受到激励时，粒子的固体特性被破坏，此时粒子介质接触应力网络在外部激励的作用下开始崩塌、产生流动及交变，应力网络断裂、重构，出现紊流混沌现象，产生类粘滞阻尼器类碰撞阻尼器阻尼效应。由此，达到对待减振结构起到减振的效果。应用本方案，在不改变原有结构设计的基础上，可确保结构稳定性。为了获得更好的减振效率，可选择在待减振结构的最大位移处或者最大模态灵敏度位置安装前述容纳壳体2，从而最大限度地发挥粒子耗能阻尼器的减振作用。这里，机械结构受到激励后，由于激励位置或零件约束条件的不同，机械结构的不同位置振动情况会存在差异，结构不同位置的振动幅度不同，其中，结构振动的位移越大，代表振动强度越大，“最大位移处”是指振动强度最大位置处，本方案提供的粒子耗能阻尼器安装在振动强度最大的位置，阻尼效果最为明显。另外，对于已经设计确定的待减振结构，通过模态分析可获得查看结构的模态特性，描述结构的不同振型分布的函数即为模态灵敏度函数，其中，模态灵敏度最高的节点位置即为“最大模态灵敏度位置”，该处相对薄弱，在使用过程中最容易振动或疲劳破坏，本方案提供的粒子耗能阻尼器可安装在模态灵敏度最高的位置，阻尼效果最为明显。请参见图2a、2b、2c和2d，以梁模型作为分析基础分别示出了模态灵敏度最大位置。其中，图2a示出了1阶模态灵敏度最大位置，图2b示出了2阶模态灵敏度最大位置，图2c示出了高阶模态位置，图2d示出了非模态位置。此外，经分析比较参数变化时能量耗散系数的变化规律，可以确定的是，粒子参数主要考虑粒子的材质和粒径两个参数。其中，所述粒子为直径0.001～30mm的球体、长短轴长度均为0.001～30mm的椭球体、边长为0.001～30mm规则的多面体或边长为0.001～30mm的不规则多面体；所述粒子采用材质密度为0.1～30gcm3的金属、非金属或高分子复合材料。其中，所述容纳壳体的壁厚为0.01～30mm；所述容纳壳体的内表面为圆柱体或多面体；所述容纳壳体的材质为镁合金、铝合金、钛合金、铁合金、铜合金、镍合金、铅合金、锰合金、钴合金或钨合金，或者上述合金中的多元合金制成。其中，所述容纳壳体的内表面和所述粒子的表面配置为：表面摩擦因子为0.01～0.99，表面恢复系数为0.01～1。此外，选择粒子材质的原则是保证耐磨性、耐高温性和化学稳定性，粒子的材料可以为金属或非金属，优选采用性能优异的高分子材料。粒子的粒径选择应当考虑以下因素：粒子所处的位置、振动的幅值和频率等。基于该构思进一步优选，内置于容纳壳体2内的若干粒子配置为：所述振动的频率接近1阶模态频率时，粒子耗能阻尼器安装位置为待减振结构1阶模态振动最大位移处，所述粒子介质从流态-非碰撞流转变为流态-碰撞流，粒子之间受到剪切速率较小，粒子之间碰撞效应明显，粒子接触应力网络，弱应力网络数目断裂，强应力网络生成，此时主要产生类碰撞阻尼的阻尼效应；请参见图3所示在待减振结构1阶模态相应位置增加阻尼器的减振效果。所述振动的频率接近2阶模态频率时，粒子耗能阻尼器安装位置为待减振结构2阶模态点处，所述粒子介质从流态-非碰撞流转变为流态-剪切，此时粒子系统受到较高的剪切速率，接触应力网络生存周期短，强接触应力网络解构、断裂，弱接触应力网络生成，此时主要产生类粘滞液体的阻尼效应；请参见图4所示在待减振结构2阶模态相应位置增加阻尼器的减振效果。所述振动频率接近其余高阶模态频率时，粒子耗能阻尼器安装位置为待减振结构模态振型最大位移处，不可布置在结构反共振点上，所述粒子介质接触应力网络系统完全解构，出现紊流混沌现象，产生类粘滞阻尼器类碰撞阻尼其的混合阻尼效应，从而达到对主结构减振的效果；请参见图5所示在待减振结构高阶模态相应位置增加阻尼器的减振效果。所述振动频率远离模态频率时，所述粒子介质从流态-非碰撞流转变为类固体-准静态流，粒子之间形成弱接触应力网络系统，接触应力网络稀疏，弱应力网络周期性的生成、断裂，从而产生类粘滞液体的阻尼效应；请参见图6所示在待减振结构非模态相应位置增加阻尼器的减振效果。为了适应分离工况的差异性区别，可以针对粒子耗能阻尼器作进一步优化。具体地，容纳壳体2的外形可以为多边形、球形、圆柱形，其内壁可为光滑表面或非光滑表面；进一步地，容纳壳体2的内腔可以分隔为至少两个隔离腔体，每个隔离腔体内填充相同和或不同特征的所述粒子2-2，其中，所述特征为所述粒子的材料、形状和尺寸，粒子2-2的填充率为10％～100％，具体可根据实际需要进行选择，各粒子特征即可相同也可不同，以最大限度地发挥效果。需要说明的是，本实施方式提供的上述实施例为优选示例，只要核心构思与本方案一致的粒子耗能阻尼器的应用均在本申请请求保护的范围内。图中所示容纳壳体2与待减振结构1之间的固定方式为螺纹连接，实际上也可以采用其他固定连接方式，例如但不限于，键连接、型面连接、胀紧连接、销连接、铆接、焊接、粘接或过盈连接，只要能够满足与待减振结构的固定连接均可。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

权利要求：1.基于亚流态接触应力网络的粒子耗能阻尼器，其特征在于，包括用于安装在待减振结构的振动传递路径上的容纳壳体，及内置于所述容纳壳体内的形成粒子介质接触应力网络的若干粒子；在所述振动的作用下可引起所述粒子介质接触应力网络的解构、流变和重构，以耗散能量衰减振动。2.根据权利要求1所述的粒子耗能阻尼器，其特征在于，所述容纳壳体固定安装在所述待减振结构的最大位移处或者最大模态灵敏度位置。3.根据权利要求1或2所述的粒子耗能阻尼器，其特征在于，内置于所述容纳壳体内的若干所述粒子配置为：所述振动的频率接近1阶模态频率时，粒子耗能阻尼器安装位置为待减振结构1阶模态振动最大位移处，所述粒子介质从流态-非碰撞流转变为流态-碰撞流；或者，所述振动的频率接近2阶模态频率时，粒子耗能阻尼器安装位置为待减振结构2阶模态点处，所述粒子介质从流态-非碰撞流转变为流态-剪切；或者，所述振动频率接近其余高阶模态频率时，粒子耗能阻尼器安装位置为待减振结构模态振型最大位移处，所述粒子介质接触应力网络系统完全解构；或者，所述振动频率远离模态频率时，粒子耗能阻尼器安装位置为待减振结构连接处或应力集中处，所述粒子介质从流态-非碰撞流转变为类固体-准静态流。4.根据权利要求3所述的粒子耗能阻尼器，其特征在于，所述粒子为直径0.001～30mm的球体、长短轴长度均为0.001～30mm的椭球体、边长为0.001～30mm规则的多面体或边长为0.001～30mm的不规则多面体；所述粒子采用材质密度为0.1～30gcm3的金属、非金属或高分子复合材料。5.根据权利要求4所述的粒子耗能阻尼器，其特征在于，所述容纳壳体的壁厚为0.01～30mm；所述容纳壳体的内表面为圆柱体或多面体；所述容纳壳体的材质为镁合金、铝合金、钛合金、铁合金、铜合金、镍合金、铅合金、锰合金、钴合金或钨合金，或者上述合金中的多元合金制成。6.根据权利要求5所述的粒子耗能阻尼器，其特征在于，所述容纳壳体的内表面和所述粒子的表面配置为：表面摩擦因子为0.01～0.99，表面恢复系数为0.01～1。7.根据权利要求3所述的粒子耗能阻尼器，其特征在于，所述容纳壳体内腔分隔为多个隔离腔体，每个所述隔离腔体内填充相同和或不同特征的所述粒子，其中，所述特征为所述粒子的材料、形状和尺寸；所述粒子的填充率为10％～100％。8.根据权利要求1所述的粒子耗能阻尼器，其特征在于，所述容纳壳体与待减振结构之间的固定方式为螺纹连接、键连接、型面连接、胀紧连接、销连接、铆接、焊接、粘接或过盈连接。

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