Tłumienie cząstek
Tłumienie cząstek to wykorzystanie cząstek poruszających się swobodnie we wnęce w celu uzyskania efektu tłumienia .
Wstęp
Aktywne i pasywne techniki tłumienia są powszechnymi metodami tłumienia drgań rezonansowych wzbudzanych w konstrukcji. Aktywne techniki tłumienia nie mają zastosowania we wszystkich okolicznościach, na przykład ze względu na zapotrzebowanie na energię, koszty, środowisko itp. W takich okolicznościach techniki pasywnego tłumienia są realną alternatywą. Istnieją różne formy tłumienia pasywnego, w tym tłumienie lepkie, tłumienie lepkosprężyste, tarcie tłumienie i tłumienie uderzeń. Tłumienie lepkosprężyste i lepkosprężyste ma zwykle stosunkowo silną zależność od temperatury. Tłumiki cierne, choć mają zastosowanie w szerokim zakresie temperatur, mogą ulec degradacji wraz ze zużyciem. Ze względu na te ograniczenia zwrócono uwagę na amortyzatory uderzeniowe, szczególnie do zastosowań w kriogenicznych lub w podwyższonych temperaturach.
Technologia tłumienia cząstek jest pochodną tłumienia uderzeń z kilkoma zaletami. Tłumienie uderzenia odnosi się tylko do pojedynczej (nieco większej) masy pomocniczej we wnęce, podczas gdy tłumienie cząstek jest używane do implikowania wielu pomocniczych mas o małych rozmiarach we wnęce. Zasada tłumienia cząstek polega na usuwaniu energii drgań poprzez straty powstające podczas zderzenia cząstek ziarnistych poruszających się swobodnie w granicach wnęki przyłączonej do układu pierwotnego. W praktyce tłumiki cząsteczkowe są tłumikami wysoce nieliniowymi, których rozpraszanie energii , czyli tłumienie, pochodzi z kombinacji mechanizmów strat, w tym tarcia i wymiany pędu. Ze względu na zdolność tłumików cząstek do działania w szerokim zakresie temperatur i częstotliwości oraz do przetrwania przez dłuższy czas, zostały one wykorzystane w zastosowaniach takich jak nieważkie środowisko przestrzeni kosmicznej, w konstrukcjach samolotów, do tłumienia drgań konstrukcji cywilnych, a nawet w rakietach tenisowych.
Zalety amortyzatorów cząstek
- Mogą działać w dużym zakresie temperatur bez utraty temperatury.
- Mogą przetrwać długie życie.
- Mogą działać w bardzo szerokim zakresie częstotliwości, w przeciwieństwie do tłumików lepkosprężystych, które są silnie zależne od częstotliwości.
- Cząstki umieszczone wewnątrz wnęki w strukturze mogą mieć mniejszą wagę niż masa, którą zastępują.
- Dzięki analizom można znaleźć odpowiedni rodzaj, wielkość i konsystencję cząstek do danego zastosowania.
Dlatego nadają się do zastosowań, w których istnieje potrzeba długiej pracy w trudnych warunkach.
Analiza tłumienia cząstek
Analiza tłumików cząstek jest prowadzona głównie za pomocą badań eksperymentalnych, symulacji metodą elementów dyskretnych lub metodą elementów skończonych oraz obliczeń analitycznych. Metoda elementów dyskretnych wykorzystuje mechanikę cząstek elementarnych, w której poszczególne cząstki są modelowane z dynamiką 6 stopni swobody, a ich interakcje skutkują ilością energii pochłoniętej/rozproszonej. To podejście, choć wymaga obliczeń dużej mocy obliczeniowej i dynamicznych interakcji milionów cząstek, jest obiecujące i może być wykorzystane do oszacowania wpływu różnych mechanizmów na tłumienie. Na przykład przeprowadzono badanie przy użyciu modelu, który symulował 10 000 cząstek we wnęce i badał tłumienie pod wpływem różnych sił grawitacyjnych.
Przegląd literatury naukowej
Przeprowadzono znaczną ilość badań w obszarze analizy tłumików cząstek.
Olson przedstawił model matematyczny, który umożliwia analityczną ocenę projektów amortyzatorów cząstek. W modelu wykorzystano dynamiki cząstek i uwzględniono fizykę związaną z tłumieniem cząstek, w tym oddziaływania tarciowe i rozpraszanie energii w wyniku lepkosprężystości materiału cząstek.
Fowlera i in. omówiono wyniki badań skuteczności i przewidywalności tłumienia cząstek. Wysiłki koncentrowały się na scharakteryzowaniu i przewidywaniu zachowania szeregu potencjalnych materiałów, kształtów i rozmiarów cząstek w środowisku laboratoryjnym, a także w podwyższonej temperaturze. Metodologie użyte do generowania danych i wyodrębniania charakterystyk nieliniowych zjawisk tłumienia zostały zilustrowane wynikami badań.
Fowlera i in. opracowali metodę analityczną opartą na metodzie dynamiki cząstek, która wykorzystywała scharakteryzowane dane tłumienia cząstek do przewidywania tłumienia w systemach konstrukcyjnych. Omówiono metodologię projektowania tłumienia cząstek dla struktur dynamicznych. Metodykę projektowania skorelowano z badaniami elementu konstrukcyjnego w laboratorium.
Mao i in. wykorzystał DEM do komputerowej symulacji tłumienia cząstek. Rozpatrując tysiące cząstek jako kule Hertza, zastosowano model elementów dyskretnych do opisania ruchów tych wielociał i określenia rozpraszania energii.
Prasad i in. zbadali skuteczność tłumienia dwudziestu różnych materiałów ziarnistych, które można wykorzystać do zaprojektowania tłumików cząstek dla różnych gałęzi przemysłu. Wprowadzili również koncepcję hybrydowego tłumika cząstek, w którym miesza się dwa różne rodzaje materiałów ziarnistych w celu uzyskania znacznie większej redukcji drgań w porównaniu z tłumikami cząstek z jednym rodzajem materiałów ziarnistych.
Prasad i in. opracowali koncepcję płyty tłumiącej o strukturze plastra miodu, opartej na technice tłumienia cząstek, w celu zmniejszenia amplitudy drgań o niskiej częstotliwości z generatora turbiny wiatrowej na lądzie.
Prasad i in. zasugerowali trzy różne strategie wdrażania tłumików cząstek w łopacie turbiny wiatrowej w celu zmniejszenia amplitudy drgań.