NOPD颗粒减振机理的理论及实验研究

　　NOPD又称粉体阻尼,它是在结构振动的传输路径上,加工一定数量的孔洞,在其中填充适当数量的金属或非金属颗粒。随着结构体的振动,粉体颗粒之间不断撞击和摩擦,不但有动量交换,而且能够消耗系统的振动能,达到减振的目的。

　　该技术最早是由洛克威尔公司的H.V.Panossian博士在1991年首先提出来的[1,2]。洛克威尔公司从1990～1993年期间投资45万美元,对该技术进行了大量的基础性实验研究,并在汽轮叶片上得到成功的应用。随后,M.Abdel-Gawad[3]设计了一种夹层复合结构,通过大量的实验,定性地分析了NOPD颗粒之间的摩擦和碰撞。

　　直到目前为止,除了西安交通大学振动与噪声控制工程研究所在国家自然科学基金的资助下对其从理论和实验方面进行了较深入的研究外,尚未发现其它的文献报道。

　　NOPD有很多优点,它对原系统改动很小,几乎不增加附加质量,而且具有显著提高系统的阻尼、能适用于恶劣环境、减振性能不会随时间而降低等优点,具有很好的应用前景[2,3]。当然在结构体上打孔会产生应力集中,通过研究发现,如果能恰当地选择打孔位置及孔径,可以使应力增长限制在很小的范围内,满足工程要求[4]。

　　本文根据其减振特点,以图1所示两端自由的等截面梁为对象,从NOPD在减振过程中颗粒相互之间的摩擦和对系统产生的冲击两个方面建立减振理论模型,并对其振动响应进行了数值仿真,进一步结合大量的实验较深入地研究了NOPD的减振特性。

　　1　NOPD颗粒的摩擦耗能理论模型

　　实际应用中,粉体颗粒的形状和粒径不可能完全相同,因而不考虑单个粉体颗粒的摩擦耗能,将粉体看作为一个整体,建立模型,计算耗能量。为此对粉体作如下假设[5]:

　　(1)作为填充材料的粉体具有微小的颗粒(d<0.1mm),因此可以假定粉体完全均质;

　　(2)粉体的物性和填充状态均一,因而具有相同的内摩擦系数;

　　(3)粉体处于非阻塞状态,即处于极限应力状态;

　　(4)填充的粉体在同一水平面上的铅垂压力相同。

　　假设填充NOPD颗粒的结构孔的轴线位于梁的中性面上,将填充其中的NOPD均质颗粒看作整体,层间距为dψ,层间距的确定详见文献[4],高度方向共有M层,而且认为振动过程中颗粒相互之间不脱离接触。将小孔轴线处的颗粒层看作为中性层,变形过程中长度不发生变化,远离中性层的颗粒在水平和垂直方向都将产生运动,引起不同层之间接触颗粒的摩擦,消耗能量,为此根据结构孔随梁一起振动时的变形情况来计算粉体颗粒的摩擦耗能量。

　　为了计算梁中NOPD颗粒的摩擦耗能量,采用分段处理的方法。将长度为L的NOPD孔在水平方向分成N段(图2),每一段的长度为L/N,梁的强迫振动响应采用时间步长为Δt的迭代方法进行计算,假设在第k个Δt时间段内,第i段小孔的变形情况如图2所示。令pp,qq表示第i段小孔的2个截面;ρki表示第i段小孔的中性层O₁O₂在第k个Δt时间段的曲率半径;θki表示两截面pp,qq在第k个Δt时间段小孔变形时形成的夹角;ymi表示第m层颗粒aa距中性层的距离,若第k个Δt时间段变形时该层颗粒的长度为(Qki-ymi)θki,则第k+1个$t时间段的长度为(Q(k+1)i-ymi)θ(k+1)i,在该$t时间内长度的变化量为