Демпфирование частиц
Демпфирование частиц — это использование частиц, свободно перемещающихся в полости для создания демпфирующего эффекта.
Введение
[ редактировать ]Методы активного и пассивного демпфирования являются распространенными методами ослабления резонансных колебаний, возбуждаемых в конструкции. Методы активного демпфирования не применимы при всех обстоятельствах из-за, например, требований к мощности, стоимости, окружающей среды и т. д. В таких обстоятельствах методы пассивного демпфирования являются жизнеспособной альтернативой. Существуют различные формы пассивного демпфирования, включая вязкое демпфирование, вязкоупругое демпфирование, демпфирование трением и демпфирование ударов. Вязкое и вязкоупругое демпфирование обычно имеет относительно сильную зависимость от температуры. Фрикционные демпферы, хотя и применимы в широком диапазоне температур, могут ухудшаться по мере износа. Из-за этих ограничений внимание было сосредоточено на амортизаторах ударов, особенно для применения в криогенных средах или при повышенных температурах.
Технология демпфирования частиц является производной от демпфирования ударов и имеет ряд преимуществ. Демпфирование удара относится только к одной (несколько большей) вспомогательной массе в полости, тогда как демпфирование частиц используется для обозначения нескольких вспомогательных масс небольшого размера в полости. Принцип демпфирования частиц заключается в отводе энергии вибрации за счет потерь, возникающих при ударе зернистых частиц, свободно перемещающихся в пределах полости, прикрепленной к первичной системе. На практике демпферы частиц представляют собой сильно нелинейные демпферы, рассеивание энергии или демпфирование которых происходит за счет комбинации механизмов потерь, включая трение и обмен импульсом. Из-за способности гасителей частиц работать в широком диапазоне температур и частот и сохранять длительный срок службы, они используются в таких приложениях, как невесомость космического пространства, [ 1 ] [ 2 ] в конструкциях самолетов, для гашения вибраций гражданских конструкций, [ 3 ] и даже в теннисных ракетках. [ 4 ]
Преимущества гасителей частиц
[ редактировать ]- Они могут работать в широком диапазоне температур без потери температуры.
- Они могут выжить в течение долгой жизни.
- Они могут работать в очень широком диапазоне частот, в отличие от вязкоупругих демпферов, которые сильно зависят от частоты.
- Частицы, помещенные внутрь полости конструкции, могут иметь меньший вес, чем масса, которую они заменяют.
- С помощью анализа можно найти подходящий тип, размер и консистенцию частиц для данного применения.
Поэтому они подходят для применений, где требуется длительная работа в суровых условиях.
Анализ затухания частиц
[ редактировать ]Анализ гасителей частиц в основном проводится путем экспериментальных испытаний, моделирования методом дискретных элементов или методом конечных элементов , а также аналитическими расчетами. В методе дискретных элементов используется механика частиц, при которой отдельные частицы моделируются с использованием шести степеней свободы, а их взаимодействие приводит к количеству поглощаемой/рассеиваемой энергии. Хотя этот подход требует мощных вычислений и динамического взаимодействия миллионов частиц, он является многообещающим и может быть использован для оценки влияния различных механизмов на затухание. Например, было проведено исследование [ 5 ] используя модель, которая имитировала 10 000 частиц в полости и изучала затухание под действием различных гравитационных сил.
Обзор научной литературы
[ редактировать ]Значительный объем исследований был проведен в области анализа гасителей частиц.
Олсон [ 6 ] представила математическую модель, которая позволяет аналитически оценивать конструкции гасителей частиц. В модели использовался метод динамики частиц и учитывались физические процессы, связанные с затуханием частиц, включая фрикционные контактные взаимодействия и диссипацию энергии из-за вязкоупругости материала частиц.
Фаулер и др. [ 7 ] обсудили результаты исследований эффективности и предсказуемости демпфирования частиц. Усилия были сосредоточены на характеристике и прогнозировании поведения ряда потенциальных материалов, форм и размеров частиц в лабораторных условиях, а также при повышенной температуре. Методики, использованные для генерации данных и извлечения характеристик явлений нелинейного демпфирования, были проиллюстрированы результатами испытаний.
Фаулер и др. [ 8 ] разработал аналитический метод, основанный на методе динамики частиц, который использовал данные о характеризованном затухании частиц для прогнозирования затухания в структурных системах. Обсуждалась методология расчета демпфирования частиц для динамических структур. Методика проектирования соотносилась с испытаниями конструктивного компонента в лаборатории.
Мао и др. [ 9 ] использовал DEM для компьютерного моделирования затухания частиц. Рассматривая тысячи частиц как шары Герца, модель дискретных элементов использовалась для описания движений этих мультител и определения диссипации энергии.
Прасад и др. [ 10 ] исследовали демпфирующие характеристики двадцати различных гранулированных материалов, которые можно использовать для разработки гасителей частиц для различных отраслей промышленности. Они также представили концепцию гибридного гасителя частиц, в которой смешиваются два разных типа гранулированных материалов, чтобы добиться значительно более высокого снижения вибрации по сравнению с гасителями частиц с одним типом гранулированных материалов.
Прасад и др. [ 11 ] разработали концепцию сотовой демпфирующей пластины, основанную на методе демпфирования частиц, для уменьшения амплитуды низкочастотных вибраций от берегового ветряного генератора.
Прасад и др. [ 12 ] предложили три различные стратегии внедрения демпферов частиц в лопасти ветряной турбины для уменьшения амплитуды вибрации.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Х. В. Паносян, Улучшение структурного демпфирования с помощью метода беспрепятственного демпфирования частиц, Журнал вибрации и акустики, 114 (1992), стр. 101–105.
- ^ Р. Эрготт, Х. Паносян и Г. Дэвис, Методы моделирования для оценки эффективности демпфирования частиц в турбомашинах, Pratt & Whitney Rocketdyne, Канога-Парк, Калифорния. PDF
- ^ СС Симонян, Демпфер пучка частиц, Труды SPIE , 2445 (1995), стр. 149–160.
- ^ С. Эшли, Новая ракетка меняет теннис, Mechanical Engineering, 117 (1995), стр. 80–81.
- ^ Опыт и возможности беспрепятственного демпфирования частиц, Паносиан, Х., Труды - Шпион Международного общества оптической инженерии, 2002, ISSU 4753; ТОМ 2, страницы 936-941. PDF , заархивировано 4 марта 2016 г. в Wayback Machine.
- ^ Стивен Э. Олсон, Аналитическая модель затухания частиц, Журнал звука и вибрации, 264 (2003), стр. 1155–1166. два : 10.1016/S0022-460X(02)01388-3
- ^ Брайс Л. Фаулер, Эрик М. Флинт, Стивен Э. Олсон, Эффективность и предсказуемость демпфирования частиц, Proceedings of SPIE Volume 3989, Smart Structures and Materials 2000, Damping and Isolation, 2000. PDF Архивировано 11 сентября 2011 г. в Вейбэк-машина
- ^ Брайс Л. Фаулер, Эрик М. Флинт, Стивен Э. Олсон, Методология проектирования для демпфирования частиц, Конференция SPIE по интеллектуальным структурам и материалам, 2001. PDF-файл заархивирован 25 марта 2012 г. на Wayback Machine.
- ^ Куанмин Мао, Майкл Ю Ван, Живэй Сюй, Тяньнин Чен, Моделирование затухания частиц с помощью DEM, Powder Technology, 142 (2004), стр. 154–165. дои : 10.1016/j.powtec.2004.04.031
- ^ Прасад BB; Дювиньо, Ф.; Юре, Д.; Вошке, Э. Демпфирующие характеристики гасителей частиц из различных гранулированных материалов и их смесей, Applied Acoustics 2022, 200, 109059. doi : 10.1016/j.apacoust.2022.109059
- ^ Прасад BB; Дювиньо, Ф.; Юре, Д.; Вошке, Э. Применение демпферов частиц на масштабированном ветряном генераторе для улучшения низкочастотных виброакустических характеристик, Appl. наук. 2022, 12, 671. дои : 10.3390/app12020671
- ^ Прасад BB; Дювиньо, Ф.; Юре, Д.; Вошке, Э. Экспериментальное исследование глушителей частиц, применяемых к лопастям ветряных турбин для снижения низкочастотного звукового излучения, Материалы конгрессов и конференций INTER-NOISE и NOISE-CON. 2021. два : 10.3397/IN-2021-1125