利用碰撞來控制振動已經成為振動控制的重要手段。但是,傳統的碰撞阻尼建立在動量交換和干摩擦的基礎之上,其中相當多的能量沒有耗散掉,而是在系統的各階模態之間傳播。為了解決這一問題,筆者開發了一種帶顆粒減振劑的碰撞阻尼裝置,即在傳統碰撞阻尼器中加入適量的超微顆粒材料作為減振劑,使沖擊器(鋼球)與容器之間的高速碰撞能轉化為顆粒的彈一塑性變形乃至斷裂細化,從而在碰撞阻尼中引入了不可逆能耗機制,性消耗系統中部分振動能量,轉變了傳統碰撞阻尼以動量交換為主的控制策略。研究證明,這種阻尼器的減振性能遠遠優于傳統的碰撞阻尼器,而且可以有效地減小因強
烈的剛性碰撞產生的噪音和容器表面損傷等問題.
圖所示為一受正弦激勵的懸臂梁強迫振動力學模型,其固有頻率為12.9 Hz。為了抑制振動強度,在自由端安裝有帶超微顆粒減振劑的碰撞阻尼器。
圖為具有不同阻尼狀態的懸臂梁自由端在共振頻率附近的響應情況,其中在碰撞阻尼器中加入了填充率為4O 、平均粒度為10 m的銅粉。由圖可見,單體碰撞阻尼器可使懸臂梁末端振幅下降約20 ,顆粒阻尼器(在腔體中只有5.1 g銅粉)的減
振效果比單體碰撞阻尼器稍差,帶顆粒減振劑的碰撞阻尼器的減振效果遠遠優于前兩者,在共振點處使懸臂梁的末端振幅下降超過65 。
(a)結構示意圖
(b)力學模型
圖帶超微顆粒碰撞阻尼的懸臂梁強迫振動力學模型
圖為銅和鋅兩種不同顆粒材料的碰撞阻尼效應,由圖可見,盡管銅的顆粒粒度比鋅小,銅粉的減振性能卻優于鋅。根據斷裂理論,顆粒越細缺陷越少,越難于進一步斷裂細化,從而難于形成對振動能量的吸收。從這方面看,銅的顆粒較細,其減振性能似乎應當較低;但是,從另一方面看,顆粒越細,塑性變性趨勢越強,越有利于能量消耗。更為重要的是,與鋅相比,銅的潤滑性能更好,可以有效地克服干摩擦及其可能引起的混沌效應。
金屬顆粒的細化具有變周期性,細化的周期隨著沖擊進程而變長,從而有可能在該時段內觀察到響應的微小回升,但是過了這一周期之后,顆粒又會進入細化狀態,從而使響應進一步降低;因此,超微顆粒碰撞阻尼技術具有光明的應用前景。