齒輪傳動(dòng)離心場中顆粒阻尼的被動(dòng)抑振機(jī)理研究項(xiàng)目摘要

傳統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)主動(dòng)抑振方法會(huì)帶來制造成本大幅提高等問題，同時(shí)齒輪的時(shí)變嚙合剛度引起的沖擊等因素?zé)o法消除。顆粒阻尼抑振技術(shù)具有減振效果顯著、耐高溫、對(duì)原結(jié)構(gòu)改動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，是振動(dòng)控制領(lǐng)域最新出現(xiàn)的一種被動(dòng)抑振技術(shù)。將顆粒阻尼被動(dòng)抑振技術(shù)應(yīng)用到齒輪傳動(dòng)中能有效降低齒輪嚙合時(shí)的振動(dòng)和噪音，特別適用于齒輪傳動(dòng)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(jì)算、理論分析和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，通過建立符合齒輪副空腔內(nèi)離心場實(shí)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(jié)構(gòu)空腔內(nèi)，離心場中顆粒的非彈性碰撞和摩擦阻尼機(jī)理，確定離心場對(duì)采用顆粒阻尼技術(shù)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(duì)阻尼耗能影響強(qiáng)烈的因素對(duì)不同參數(shù)的齒輪傳動(dòng)抑振特性的影響規(guī)律，為齒輪傳動(dòng)抑振的應(yīng)用提供確切的理論依據(jù)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

項(xiàng)目背景 齒輪傳動(dòng)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(dòng)對(duì)機(jī)械裝備的精度、性能具有重要的影響。 顆粒阻尼由填充在結(jié)構(gòu)空腔中的顆粒物質(zhì)通過碰撞和摩擦作用提供阻尼效應(yīng)。該技術(shù)具有耐高溫惡劣環(huán)境、對(duì)原結(jié)構(gòu)改動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)。 顆粒阻尼技術(shù)特別適用于齒輪傳動(dòng)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(yuǎn)離轉(zhuǎn)動(dòng)中心的一端，需要探尋顆粒阻尼損耗能量值的計(jì)算方法，分析不同參數(shù)的齒輪傳動(dòng)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(shè)計(jì)準(zhǔn)則。 主要研究內(nèi)容 （1）顆粒在離心場中的非彈性碰撞和摩擦阻尼機(jī)理 建立在離心場作用下顆粒三維離散元接觸模型，對(duì)顆粒碰撞能耗進(jìn)行研究，通過實(shí)驗(yàn)獲得符合實(shí)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(jié)構(gòu)空腔等對(duì)齒輪傳動(dòng)的抑振特性的影響。 （3）通過實(shí)驗(yàn)的方法確定離心載荷對(duì)顆粒耗能的作用規(guī)律 （4）在離心場中顆粒阻尼各因素對(duì)齒輪傳動(dòng)抑振的影響規(guī)律 重要結(jié)果及關(guān)鍵數(shù)據(jù) （1）當(dāng)顆粒層高度增大到一定值，顆粒層應(yīng)力隨之變化很微弱，這一高度值在齒輪減振上可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)。 （2）在齒輪設(shè)計(jì)時(shí)，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(shí)，顆粒阻尼對(duì)齒輪傳動(dòng)減振效果較差。在載荷和轉(zhuǎn)速相同時(shí)，隨著填充率的增加能耗呈先增加后減小的趨勢。一級(jí)載荷時(shí)，最優(yōu)填充率為70%，二級(jí)載荷為75%，三級(jí)載荷為85%。 （4）在顆粒摩擦和恢復(fù)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(fù)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(dāng)。 （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(shí)減振效果最好。 （6）在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著負(fù)載的增加，顆粒阻尼器的總能量耗散值也增加，但不會(huì)一直增加，在固定轉(zhuǎn)速下顆粒的耗能值存在一定的極限值。 科學(xué)意義 （1）研究在離心場作用下，顆粒介質(zhì)非彈性碰撞和摩擦阻尼機(jī)理，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立符合實(shí)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(shù)的齒輪傳動(dòng)最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

顆粒調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)是對(duì)顆粒阻尼和調(diào)諧質(zhì)量阻尼有機(jī)結(jié)合的新型阻尼系統(tǒng)，既能有效拓寬調(diào)諧質(zhì)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(jié)構(gòu)工程應(yīng)用提供了實(shí)現(xiàn)途徑。本課題將探索該新型阻尼系統(tǒng)的減振機(jī)理及應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的效果。通過振動(dòng)臺(tái)和風(fēng)洞模型試驗(yàn)，以及相應(yīng)的數(shù)值理論分析，總結(jié)減振規(guī)律，揭示工作機(jī)理和物理本質(zhì)，著重考察對(duì)于地震和風(fēng)振的振動(dòng)控制效果；建立建筑結(jié)構(gòu)附加該阻尼系統(tǒng)的精細(xì)離散元模型和等效簡化算法，進(jìn)行參數(shù)敏感性分析及優(yōu)化分析；提出合理的設(shè)計(jì)方法，明確相應(yīng)的核心技術(shù)、設(shè)計(jì)流程、構(gòu)造、制作、安裝和測試要求，并用于指導(dǎo)工程實(shí)踐。深入開展該組合減振技術(shù)的理論和試驗(yàn)研究，有助于透徹理解該類非線性系統(tǒng)的減振機(jī)理，對(duì)于提出一種新的建筑結(jié)構(gòu)被動(dòng)控制技術(shù)的解決方案具有重要的理論和工程意義。

顆粒調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)是對(duì)顆粒阻尼和調(diào)諧質(zhì)量阻尼有機(jī)結(jié)合的新型阻尼系統(tǒng)，既能有效拓寬調(diào)諧質(zhì)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(jié)構(gòu)工程應(yīng)用提供了實(shí)現(xiàn)途徑。本課題通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)、風(fēng)洞模型試驗(yàn)、數(shù)值分析以及參數(shù)優(yōu)化對(duì)顆粒調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)的減振機(jī)理及應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的效果進(jìn)行了研究，揭示了其工作機(jī)理和物理本質(zhì)。五層鋼框架的對(duì)比試驗(yàn)表明在不同地震作用下，顆粒調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)均能達(dá)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(yīng)減震率分別達(dá)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(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)的性能，開展了附加顆粒調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)的氣彈風(fēng)洞試驗(yàn)（縮尺比為1：200），試驗(yàn)研究表明顆粒調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)對(duì)高層建筑風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)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(diào)諧質(zhì)量阻尼器的數(shù)值模型，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)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(nèi)；通過微分演化算法對(duì)顆粒調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)進(jìn)行了全局優(yōu)化，相比于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的減振率提高了約50%；最后，提出合理的實(shí)用設(shè)計(jì)方法，明確相應(yīng)的核心技術(shù)、設(shè)計(jì)流程、構(gòu)造、制作、安裝和測試要求，并用于指導(dǎo)工程實(shí)踐。本課題展示了顆粒調(diào)諧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)在土木工程應(yīng)用的巨大前景，為土木結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(yīng)用價(jià)值。

本項(xiàng)目提出利用手性材料結(jié)構(gòu)覆蓋層新敷設(shè)于艦艇濕表面，以抑制艦艇機(jī)械噪聲向水中輻射。在明確艦船加筋板結(jié)構(gòu)的聲輻射機(jī)理基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究手性材料結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)變形、周期禁帶、阻尼效應(yīng)對(duì)水下聲輻射的隔離機(jī)理，同時(shí)研究阻抗失配、負(fù)泊松比效應(yīng)在覆蓋層抗沖方面的應(yīng)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(jié)構(gòu)的聲振耦合模型，分析了加筋板結(jié)構(gòu)的聲輻射特性，明確了加筋板結(jié)構(gòu)的聲輻射機(jī)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(shè)和不敷設(shè)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(diào)變形聲輻射抑制機(jī)理。手性覆蓋層內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)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。基于周期結(jié)構(gòu)理論，研究了周期手性結(jié)構(gòu)覆蓋層的禁帶特性在振動(dòng)隔離和結(jié)構(gòu)聲輻射抑制方面的應(yīng)用。并通過添加局域共振子的周期手性結(jié)構(gòu)覆蓋層來增強(qiáng)低頻及禁帶區(qū)域上的振動(dòng)衰減、抑聲能力。研究了覆蓋層的粘彈性阻尼性能與構(gòu)型之間的關(guān)系，結(jié)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(duì)手性覆蓋層的幾何參數(shù)、構(gòu)型進(jìn)行了優(yōu)化，提出了梯度手性結(jié)構(gòu)覆蓋層以增強(qiáng)其在寬頻帶的振動(dòng)聲輻射抑制能力。 制作了橡膠材料手性覆蓋層，進(jìn)行了聲管中的隔聲實(shí)驗(yàn)、空氣中的振動(dòng)和聲輻射抑制實(shí)驗(yàn)、水池中敷設(shè)于加筋板結(jié)構(gòu)時(shí)的水下聲輻射抑制實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證了所提出的機(jī)理，證實(shí)了手性多孔覆蓋層的聲輻射抑制性能。