颗粒阻尼参数影响分析

颗粒阻尼参数影响分析

张世佳,王强

陆军装甲兵学院士官学校

摘要:颗粒阻尼技术作为新型减振的手段之一，越来越得到广泛应用。本文针对颗粒阻尼减振效果的影响因素展开分析，结合了离散元EDEM软件分析了颗立填充率对减振效果的影响，最终得到了最优参数。

关键词:颗粒阻尼 EDEM参数影响

颗粒阻尼(Particle Damping PD)技术作为冲击阻尼的一种衍生技术[1],起源于航空领域及机械振动控制领域，如为解决在低温、低粘度条件下航天飞机主发动机（SSMES）转子轴承系统振动过大的问题，设计了一种冲击阻尼器，通过控制找到冲击阻尼器的最佳工作振幅有效抑制振动，与传统的阻尼减振技术相比，颗粒阻尼技术具有五大优点:一是相对整体结构质量很小,便于轻量化抑振；二是不改变结构的外观设计，占有空间极小；三是有效提高系统的阻尼比；四是颗粒阻尼器一般不受外界无温度、粘性等影响，能够在恶劣环境中应用;五是具有良好的隔振、减振和抗冲击性能[2]。

因此，本文针对颗粒阻尼技术未来发展应用，结合EDEM 离散元软件分析对颗粒阻尼减振效果产生影响的因素，为后续的阻尼应用研究提供借鉴意义。

1 EDEM软件参数设置

EDEM 是全球首个多用途离散元仿真软件，已经广泛应用于颗粒处理过程的仿真与分析，EDEM可以进行高效的颗粒建模，并通过添加接触模型插件来完成接触力的计算。

(1) 颗粒阻尼容器模型的建立

为了更能充分考虑阻尼容器对颗粒阻尼应用效果的影响，设计不同种类型的颗粒阻尼容器，在Solidworks软件中建立阻尼容器模型。

(2) 颗粒模型的建立

在实际采用颗粒阻尼技术过程中，一般施行就地取材，减少成本的策略，通常采用砂石，不规则颗粒，因此为了避免接触复杂的问题，在仿真过程中，我们通常将颗粒的形状设定为圆形，而离散元理论是根据单个球体为单元进行计算的，所以在EDEM软件中默认的物料颗粒为球形颗粒，在选择颗粒选项中里面直接添加球形颗粒，将颗粒材料定义为碳钢。

(3) 材料属性的设置

在实际颗粒碰撞过程中，颗粒阻尼容器采用3D打印技术，所使用的容器材料新型的生物基及可再生的聚乳酸材料(PLA)，颗粒采取最为常用的碳钢颗粒。仿真过程中，颗粒和几何体模型材料属性要根据真实的材料参数设置，查询工程材料常用手册得到这两种材料的物理参数，具体材料属性如表1所示。

表1 颗粒以及容器的材料属性

颗粒碰撞过程中，主要存在两种的接触，一种接触是颗粒与颗粒之间的接触，另外一种是颗粒与阻尼容器的接触。因此，在仿真过程中，需要定义这两种接触关系，查阅相关材料接触手册获得如表2所示。

表2 颗粒与颗粒以及颗粒与容器之间接触属性

将以上表中的数据输入EDEM软件中，设置如图4所示。

(4) 阻尼容器运动设置

为了较为真实的模拟颗粒阻尼在风洞模型支杆上运动，应将颗粒阻尼容器设定为正弦运动，由在离散元EDEM软件中无法对几何体施加力，只能对阻尼容器施加正弦位移，因此，将0-1 s时间内设定为产生所需要颗粒阶段，设置在1-2 s内对颗粒阻尼容器施加正弦位移，保证在改变不同颗粒参数时颗粒阻尼容器运动状态一致，正弦位移设定如下式所示：

式中，颗粒阻尼容器的振幅为3 mm，容器振动频率为18 Hz。

2 颗粒阻尼器仿真分析

本小节采用离散元分析软件EDEM对颗粒的摩擦碰撞过程进行模拟，由于在EDEM中利用正弦位移代替简谐力，因此采取通过分析不同颗粒参数下颗粒与颗粒之间以及颗粒与容器之间碰撞摩擦产生的能量变化，进而判断颗粒阻尼抑振效果，同时考虑到对颗粒碰撞过程的影响，因此我们将对不同情况下的颗粒进行仿真模拟，针对分舱颗粒阻尼容器，四个相同的容器舱采用碳钢颗粒进行填充，填充的碳钢颗粒直径为3 mm，填充率为20%-70%，得到总动能如图1所示：

(a) 颗粒填充率20%     (b) 颗粒填充率30%

            (c) 颗粒填充率40%     (d) 颗粒填充率50%

图1 3 mm碳钢颗粒不同填充率动能图

3总结

本文分析了颗粒的填充率对颗粒阻尼减振的影响效果，结合EDEM软件仿真分析可以得出:

颗粒产生的动能随着填充率的增加而增加，而是在70%的时候动能最大。

参考文献·

[1]鲁正，吕西林，闫维明.颗粒阻尼技术研究综述[J]，振动与冲击,2013，32(7): 1-7

[2]胡栗,黄其柏。柳占有新等.颗粒阻尼的动态特性研究[J].振动与冲击,2009,28(1): 134-137.