一种二维振动条件下颗粒阻尼器减振效果的3D数值仿真方法技术

本发明专利技术公开一种二维振动条件下颗粒阻尼器减振效果的3D数值仿真方法，通过改造颗粒阻尼器数值模型的外界激励模块，使其可以实现对二维平面内6种场景情况的振动仿真，进而预测对应振动条件下的颗粒阻尼减振效果。通过同已有实验的比较，本发明专利技术提出的数值仿真方法具有较高的精确度。较高的精确度。较高的精确度。

【技术实现步骤摘要】
一种二维振动条件下颗粒阻尼器减振效果的3D数值仿真方法


[0001]本专利技术属于一种减振降噪技术的数值仿真手段，具体为一种可预测发生二维平面内振动的颗粒阻尼器减振效果的二维振动条件下颗粒阻尼器减振效果的3D数值仿真方法。

技术介绍

[0002]颗粒阻尼在极端温度条件下具有广阔的应用前景，由于其极宽的温度适用范围，颗粒阻尼常被用于航空航天领域中极端工况下的振动抑制，并显示出很好的减振效果。但目前因为其影响因素多，设计方式复杂，且减振效果存在高度非线性，应用受到限制。仅阻尼器空腔的激振方式和激振量级不同，就会对减振性能产生影响。到目前为止，多数研究仅可对一维振动条件下(限于水平方向或者竖直方向)的颗粒阻尼器进行仿真，得出的结论也往往难以推广，甚至不同仿真模型会产生看似矛盾的结论。究其原因，除去阻尼器自身规格的差别外，阻尼器振动形式的影响不可忽视。

技术实现思路

[0003]针对上述问题，本专利技术提出一种二维振动条件下颗粒阻尼器减振效果的3D数值仿真方法，可以更为全面的了解给定颗粒阻尼器在不同振动形态下的减振效果，且使阻尼器的运动轨迹更接近实际，提升数值仿真的准确性。
[0004]本专利技术提出的一种二维振动条件下颗粒阻尼器减振效果的3D数值仿真方法，其特征在于：通过下述步骤实现：
[0005]步骤1：建立颗粒阻尼器离散元模型；
[0006](1)建立可描述二维振动的3D颗粒阻尼器数值模型；
[0007](2)建立内部颗粒模型；
[0008]步骤2：根据振型特点和应用场景设置外界激励参数；
[0009]外界激励参数设置如下：
[0010]对6个场景设置外界激励参数，具体为：
[0011]场景1：当颗粒阻尼器仅在水平或者竖直方向自由振动时，外界激振力F
ext1
及F
ext2
均设置为0，同时将无振幅的运动维度位移固定为0；
[0012]场景2：当颗粒阻尼器被安置于斜坡上做往复振动，其运动轨迹与重力夹角为固定值，且无外界激振力时，振动轨迹同竖直方向存在夹角γ，此时将其转化成竖直方向自由振动处理，固定重力加速度变为g
·
sinγ；
[0013]场景3：当颗粒阻尼器发生在水平或竖直方向的一维强迫振动时，对数数值模型可在振动方向上根据实际条件设置外界激振力，无振动维度上其激振力和位移约束均设置为0；
[0014]场景4：当颗粒阻尼器被安置于斜坡上做往复振动，其运动轨迹与重力夹角为固定值，且外界激振力幅值为沿夹角方向的F
ext
时，需对激振力幅值F
ext
进行分解，水平方向幅值F
ext1
为F
ext sinγ，竖直方向幅值F
ext2
为F
ext cosγ；
[0015]场景5：当颗粒阻尼器受到两个方向垂直方向激振力干扰，其中一个方向激振频率ω1与阻尼器附着结构的固有频率ω
n
非常接近时，结构发生共振，此时该方向的结构响应会比另一方向大很多，可认为该方向为颗粒阻尼器的减振主方向，另一方向的外界激励为对颗粒阻尼器的激励干扰。此时可对数值模型按照φ1＝φ2，ω1＝I1ω
n
，ω2＝I2ω
n
，其中I1、I2分别为水平和竖直方向激振频率倍数，F
ext1
及F
ext2
根据实际作用情况进行设置。
[0016]场景6：当颗粒阻尼器做圆周或类圆周运动时(例如颗粒阻尼器附着在转轴沿水平方向的风机叶片上)，沿轨迹切线方向会对阻尼器产生激振力，此时可按照ω
n
＝ω1＝ω2，F
ext1
＝F
ext2
，φ1≠φ2，归一化相位差Δφ
’
＝(φ
2-φ1)/π的参数设置对模型进行处理，可用来模拟阻尼器发生曲线运动轨迹振动时的减振效果。
[0017]步骤3：根据步骤1建立的颗粒阻尼器离散元模型与步骤2中设置的外界激励参数进行数值仿真。
[0018]本专利技术的优点在于：
[0019]1、可实现多种曲线运动轨迹下颗粒阻尼器减振效果的数值预测，阻尼器的运动轨迹更接近实际。
[0020]2、将影响颗粒阻尼减振效果的多个关键参数引入外界激励模块，可对更多振动状态下的颗粒阻尼器进行数值仿真，有效拓展了颗粒阻尼器减振效果的研究范围。
[0021]3、很好继承了采用离散单元法开展颗粒运动轨迹数值仿真的运算优势，具有对大规模颗粒团减振效果仿真的较高计算效率。
附图说明
[0022]图1为本专利技术二维振动条件下颗粒阻尼器减振效果的3D数值仿真方法流程图；
[0023]图2为可描述二维振动的3D颗粒阻尼器数值模型。
[0024]图3(a)为颗粒间碰撞示意图。
[0025]图3(b)为颗粒与空腔之间的碰撞示意图。
[0026]图4为振动轨迹同竖直方向的夹角γ示意图。
[0027]图5为空腔内颗粒阻尼排布方式示意图。
[0028]图6为试验值与本专利技术数值仿真值比对验证。
[0029]图7(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别为不同频率比λ
’
的二维激励条件下，颗粒阻尼对空腔响应轨线的影响。
[0030]图8(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)为当二维激励存在相位差时，颗粒阻尼对空腔运动轨线的影响。
具体实施方式
[0031]下面结合附图本专利技术作进一步详细说明。
[0032]本专利技术二维振动条件下颗粒阻尼器减振效果的3D数值仿真方法，如图1所示，具体步骤如下：
[0033]步骤一、建立颗粒阻尼器离散元模型。
[0034](1)建立可描述二维振动的3D颗粒阻尼器数值模型。
[0035]可描述二维振动的3D颗粒阻尼器数值模型包括一个颗粒空腔及其内部的若干颗
粒。设定 a)所有颗粒均为球形，且几何参数和物性参数均相同；b)单个计算时间步足够小，以至于任何时刻由于碰撞出现的微小扰动均不会随着时间的推进而放大。在该时间步内，每一个颗粒的位移、速度等状态信息均保持不变；c)发生碰撞时，颗粒之间会产生微小变形量(法向及切向叠合量)，但与颗粒的几何尺寸相比仍为小量。
[0036]①
令u和w分别表示空腔相对于平衡位置的水平和竖直方向位移，如图2所示，得到空腔的运动方程为：
[0037][0038]式中，“.”表示对时间的一阶导数，“..”表示对时间的二阶导数，M，K，C分别表示主结构的等效质量、等效刚度及等效阻尼，F
cu
、F
cw
表示颗粒沿水平和竖直方向对颗粒空腔的作用力。方程最右边的F
ext1
、F
ext2
、ω1、ω2、φ1、φ2分别表示沿水平和竖直方向的激振力幅值、激振频率及相位。在实际应用中，图2中所示的三本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维振动条件下颗粒阻尼器减振效果的3D数值仿真方法，其特征在于：通过下述步骤实现：步骤1：建立颗粒阻尼器离散元模型；步骤2：根据振型特点和应用场景设置外界激励参数；外界激励参数设置如下：对6个场景设置外界激励参数，具体为：场景1：当颗粒阻尼器仅在水平或者竖直方向自由振动时，外界激振力F
ext1
及F
ext2
均设置为0，同时将无振幅的运动维度位移固定为0；场景2：当颗粒阻尼器被安置于斜坡上做往复振动，其运动轨迹与重力夹角为固定值，且无外界激振力时，振动轨迹同竖直方向存在夹角γ，此时将其转化成竖直方向自由振动处理，固定重力加速度变为g
·
sinγ；场景3：当颗粒阻尼器发生在水平或竖直方向的一维强迫振动时，对数数值模型可在振动方向上根据实际条件设置外界激振力，无振动维度上其激振力和位移约束均设置为0；场景4：当颗粒阻尼器被安置于斜坡上做往复振动，其运动轨迹与重力夹角为固定值，且外界激振力幅值为沿夹角方向的F
ext
时，需对激振力幅值F
ext
进行分解，水平方向幅值F
ext1
为F
ext sinγ，竖直方向幅值F
ext2
为F
ext cosγ；场景5：当颗粒阻尼器受到两个方向垂直方向激振力干扰，其中一个方向激振频率ω1与阻尼器附着结构的固有频率ω
n
非常接近时，结构发生共振，此时该方向的结构响应会比另一方向大很多，可认为该方向为颗粒阻尼器的减振主方向，另一方向的外界激励为对颗粒阻尼器的激励干扰。此时可对数值模型按照φ1＝φ2，ω1＝I1ω
n
，ω2＝I2ω
n
，其中I1、I2分别为水平和竖直方向激振频率倍数，F
ext1
及F
ext2
根据实际作用情况进行设置。场景6：当颗粒阻尼器做圆周或类圆周运动时，沿轨迹切线方向会对阻尼器产生激振力，此时可按照ω
n
＝ω1＝ω2，F
ext1
＝F
ext2
，φ1≠φ2，归一化相位差Δφ
’
＝(φ
2-φ1)/π的参数设置对模型进行处理，用来模拟阻尼器发生曲线运动轨迹振动时的减振效果。步骤3：根据步骤1建立的颗粒阻尼器离散元模型与步骤2中设置的外界激励参数进行数值仿真。2.如权利要求1所述一种二维振动条件下颗粒阻尼器减振效果的3D数值仿真方法，其特征在于：步骤1中，可描述二维振动的3D颗粒阻尼器数值模型建立方法为：设定a)所有颗粒均为球形，且几何参数和物性参数均相同；b)任何时刻由于碰撞出现的微小扰动均不会随着时间的推进而放大；在该时间步内，每一个颗粒的位移、速度等状态信息均保持不变；c)发生碰撞时，颗粒之间会产生微小变形量；
①
建立空腔运动方程；令u和w分别表示空腔相对于平衡位置的水平和竖直方向位移，得到空腔的运动方程为：式中，“.”表示对时间的一阶导数，“..”表示对时间的二阶导数，M，K，C分别表示主结构的等效质量、等效刚度及等效阻尼，F
cu
、F
cw
表示颗粒沿水平和竖直方向对颗粒空腔的作用
力；方程最右边的F
ext1
、F
ext2
、ω1、ω2、φ1、φ2分别表示沿水平和竖直方向的激振力幅值、激振频率及相位；
②
建立颗粒碰撞模型；将颗粒i所受的碰撞力分为两个部分：一部分是颗粒与颗粒之间的碰撞导致的合力与合力矩，即颗粒内部作用力，另一部分则是颗粒与空腔壁面发生碰撞形成的合力及合力矩，以及颗粒所受的重力、离心力等，统称为颗粒外部作用力；随后建立颗粒与颗粒以及颗粒与空腔间的碰撞模型；
③
建立颗粒运动方程；颗粒i的运动方程如下：颗粒i的运动方程如下：其中，m
i
表示颗粒i的质量，I
i
为颗粒绕质心的转动惯量，g为重力加速度。θ
i
为颗粒的角速度矢量，f
nij
、f
nib

【专利技术属性】
技术研发人员：王延荣，刘彬，魏大盛，唐伟，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：