齒輪傳動離心場中顆粒阻尼的被動抑振機理研究

項目背景 齒輪傳動正朝著高速、重載、輕量化和高精度的方向發(fā)展，如何控制振動對機械裝備的精度、性能具有重要的影響。 顆粒阻尼由填充在結構空腔中的顆粒物質通過碰撞和摩擦作用提供阻尼效應。該技術具有耐高溫惡劣環(huán)境、對原結構改動小等優(yōu)點。 顆粒阻尼技術特別適用于齒輪傳動系統(tǒng)高溫、油潤滑的惡劣環(huán)境，離心載荷使得顆粒積壓在遠離轉動中心的一端，需要探尋顆粒阻尼損耗能量值的計算方法，分析不同參數(shù)的齒輪傳動抑振特性的影響規(guī)律，為齒輪抑振提供確切的理論依據(jù)和設計準則。 主要研究內容 （1）顆粒在離心場中的非彈性碰撞和摩擦阻尼機理 建立在離心場作用下顆粒三維離散元接觸模型，對顆粒碰撞能耗進行研究，通過實驗獲得符合實際邊界條件的離散元模型。 （2）在離心場中影響顆粒阻尼耗能特性的特征因素 分析顆粒本體的表面特性、粒度分布、體積填充率、結構空腔等對齒輪傳動的抑振特性的影響。 （3）通過實驗的方法確定離心載荷對顆粒耗能的作用規(guī)律 （4）在離心場中顆粒阻尼各因素對齒輪傳動抑振的影響規(guī)律 重要結果及關鍵數(shù)據(jù) （1）當顆粒層高度增大到一定值，顆粒層應力隨之變化很微弱，這一高度值在齒輪減振上可以指導設計。 （2）在齒輪設計時，優(yōu)先選用長徑比小的顆粒阻尼器，以獲得最優(yōu)的能量耗散效果。 （3）顆粒填充率在50%以下時，顆粒阻尼對齒輪傳動減振效果較差。在載荷和轉速相同時，隨著填充率的增加能耗呈先增加后減小的趨勢。一級載荷時，最優(yōu)填充率為70%，二級載荷為75%，三級載荷為85%。 （4）在顆粒摩擦和恢復系數(shù)相同的情況下，顆粒材料的密度越大，顆粒系統(tǒng)減振效果越好；顆粒的恢復系數(shù)越大，單次碰撞過程中非彈性碰撞耗能越小，鉛合金和不銹鋼顆粒減振效果相當。 （5）在相同載荷下，隨著顆粒粒徑的由小變大，阻尼器的耗能值表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，在顆粒粒徑為5mm左右時減振效果最好。 （6）在轉速300rpm以下，摩擦系數(shù)小的顆粒有著較優(yōu)的減振效果；在700rpm以上，摩擦系數(shù)大的顆粒有著較優(yōu)的減振效果。在轉速一定時，隨著負載的增加，顆粒阻尼器的總能量耗散值也增加，但不會一直增加，在固定轉速下顆粒的耗能值存在一定的極限值。 科學意義 （1）研究在離心場作用下，顆粒介質非彈性碰撞和摩擦阻尼機理，通過實驗結果建立符合實際邊界條件的三維顆粒離散元接觸模型。 （2）提出在離心場作用下基于顆粒阻尼技術的齒輪傳動最優(yōu)化設計方案。

傳統(tǒng)的齒輪傳動主動抑振方法會帶來制造成本大幅提高等問題，同時齒輪的時變嚙合剛度引起的沖擊等因素無法消除。顆粒阻尼抑振技術具有減振效果顯著、耐高溫、對原結構改動小等優(yōu)點，是振動控制領域最新出現(xiàn)的一種被動抑振技術。將顆粒阻尼被動抑振技術應用到齒輪傳動中能有效降低齒輪嚙合時的振動和噪音，特別適用于齒輪傳動系統(tǒng)高溫、油潤滑的惡劣環(huán)境。.本申請采取數(shù)值仿真計算、理論分析和實驗研究相結合的方法，通過建立符合齒輪副空腔內離心場實際邊界條件的顆粒離散元接觸模型，從理論上揭示在齒輪輪轂和腹板結構空腔內，離心場中顆粒的非彈性碰撞和摩擦阻尼機理，確定離心場對采用顆粒阻尼技術的齒輪系統(tǒng)固有頻率等模態(tài)參數(shù)的作用規(guī)律，分析對阻尼耗能影響強烈的因素對不同參數(shù)的齒輪傳動抑振特性的影響規(guī)律，為齒輪傳動抑振的應用提供確切的理論依據(jù)和設計準則。

顆粒調諧質量阻尼系統(tǒng)是對顆粒阻尼和調諧質量阻尼有機結合的新型阻尼系統(tǒng)，既能有效拓寬調諧質量阻尼的減振頻帶、提高減振效率和耐久性，又為顆粒阻尼的結構工程應用提供了實現(xiàn)途徑。本課題將探索該新型阻尼系統(tǒng)的減振機理及應用于建筑結構振動控制的效果。通過振動臺和風洞模型試驗，以及相應的數(shù)值理論分析，總結減振規(guī)律，揭示工作機理和物理本質，著重考察對于地震和風振的振動控制效果；建立建筑結構附加該阻尼系統(tǒng)的精細離散元模型和等效簡化算法，進行參數(shù)敏感性分析及優(yōu)化分析；提出合理的設計方法，明確相應的核心技術、設計流程、構造、制作、安裝和測試要求，并用于指導工程實踐。深入開展該組合減振技術的理論和試驗研究，有助于透徹理解該類非線性系統(tǒng)的減振機理，對于提出一種新的建筑結構被動控制技術的解決方案具有重要的理論和工程意義。

顆粒調諧質量阻尼系統(tǒng)是對顆粒阻尼和調諧質量阻尼有機結合的新型阻尼系統(tǒng)，既能有效拓寬調諧質量阻尼的減振頻帶、提高減振效率和耐久性，又為顆粒阻尼的結構工程應用提供了實現(xiàn)途徑。本課題通過振動臺試驗、風洞模型試驗、數(shù)值分析以及參數(shù)優(yōu)化對顆粒調諧質量阻尼系統(tǒng)的減振機理及應用于建筑結構振動控制的效果進行了研究，揭示了其工作機理和物理本質。五層鋼框架的對比試驗表明在不同地震作用下，顆粒調諧質量阻尼系統(tǒng)均能達到較好的減震效果，其中在上海人工波作用下的減震效果最好（均方根位移與加速度響應減震率分別達到72.17%與70.99%）；另外，合理的參數(shù)選取更有利于發(fā)揮顆粒調諧質量阻尼系統(tǒng)的性能，開展了附加顆粒調諧質量阻尼系統(tǒng)的氣彈風洞試驗（縮尺比為1：200），試驗研究表明顆粒調諧質量阻尼系統(tǒng)對高層建筑風致振動響應有良好的減振控制效果，控制合理的顆粒密度、增加顆粒數(shù)量、加劇顆粒之間的碰撞等均可以提高其減振效果；基于多顆粒等效原則建立顆粒調諧質量阻尼器的數(shù)值模型，數(shù)值模擬結果與試驗結果整體吻合較好，峰值加速度吻合較好，而均方根加速度也可以將誤差控制在可接受的范圍內；通過微分演化算法對顆粒調諧質量阻尼系統(tǒng)進行了全局優(yōu)化，相比于傳統(tǒng)設計，優(yōu)化設計的減振率提高了約50%；最后，提出合理的實用設計方法，明確相應的核心技術、設計流程、構造、制作、安裝和測試要求，并用于指導工程實踐。本課題展示了顆粒調諧質量阻尼系統(tǒng)在土木工程應用的巨大前景，為土木結構振動控制的發(fā)展提供了另一種有效的途徑，具有重要的理論意義和工程應用價值。

本項目提出利用手性材料結構覆蓋層新敷設于艦艇濕表面，以抑制艦艇機械噪聲向水中輻射。在明確艦船加筋板結構的聲輻射機理基礎上，重點研究手性材料結構的協(xié)調變形、周期禁帶、阻尼效應對水下聲輻射的隔離機理，同時研究阻抗失配、負泊松比效應在覆蓋層抗沖方面的應用，為艦艇抗沖擊和聲隱身提供新概念、新思想和新方法。 建立了加筋板結構的聲振耦合模型，分析了加筋板結構的聲輻射特性，明確了加筋板結構的聲輻射機理，由于加筋板某些模態(tài)存在不可抵消的體積速度，造成其聲輻射效率高。 建立了敷設和不敷設手性覆蓋層加筋板的聲振耦合輻射模型，分析了手性覆蓋層的協(xié)調變形聲輻射抑制機理。手性覆蓋層內部節(jié)點的旋轉變形使覆蓋層濕表面的法向振速分布具有低聲輻射效率而降低輻射噪聲?；谥芷诮Y構理論，研究了周期手性結構覆蓋層的禁帶特性在振動隔離和結構聲輻射抑制方面的應用。并通過添加局域共振子的周期手性結構覆蓋層來增強低頻及禁帶區(qū)域上的振動衰減、抑聲能力。研究了覆蓋層的粘彈性阻尼性能與構型之間的關系，結果表明菱形排列手性多孔覆蓋層在低頻區(qū)域上具有較好的聲輻射抑制作用。 綜合考慮聲振傳遞特性和耐壓性能，對手性覆蓋層的幾何參數(shù)、構型進行了優(yōu)化，提出了梯度手性結構覆蓋層以增強其在寬頻帶的振動聲輻射抑制能力。 制作了橡膠材料手性覆蓋層，進行了聲管中的隔聲實驗、空氣中的振動和聲輻射抑制實驗、水池中敷設于加筋板結構時的水下聲輻射抑制實驗。驗證了所提出的機理，證實了手性多孔覆蓋層的聲輻射抑制性能。