颗粒介质的振动耗能机理及其在外置型颗粒阻尼器中的应用

颗粒介质在振动条件下具有良好的能量耗散功能和减振特性，对其在微观-宏观尺度下振动耗能机理的研究有助于颗粒阻尼器的合理设计和工程应用。为此，本项目将研究颗粒介质在微观尺度下的粘-弹-塑性接触模型及其能量耗散机理，并通过离散单元方法对其在宏观尺度下的动力特性和减振性能进行数值计算；针对颗粒介质在不同密集度和激振条件下发生类固态和类液态的运动特性，研究颗粒介质发生类固-液相变的条件及在该过程中的能量耗散规律；在不同的激振条件下对外置型颗粒阻尼器的动力特性进行离散元模拟和试验研究，确定阻尼器的内部结构、填充率、颗粒性质等设计参数；针对不同的振动结构，研究多个颗粒阻尼器安装位置的优化布局，以达到最佳的耗能减振效果。本项目通过对颗粒介质在微观-宏观尺度下基本力学性能和耗能减振机理的研究，为设计具有减振性能良好、适用性强的外置型颗粒阻尼器提供有力的理论依据。

振动状态下的颗粒介质具有良好的能量耗散功能和减振特性，对其宏-细观尺度下的耗能机理及其与基体结构的非线性耦合动力特性研究有助于颗粒阻尼的工程应用。为此，本项目针对申请时的研究内容、目标和计划，开展了颗粒单元粘-弹-塑性细观接触模型及耗能机理研究，提出颗粒弹-塑性接触加-卸载双非线性方案，获得了不同参数下系统耗能方式的转换机理。同时，采用扩展多面体单元并结合四元素法构造了非规则颗粒。基于完全非弹性蹦球分析法、相平面法和谱方法研究并获得了简谐激励下颗粒物质的运动形式、能量耗散规律及非线性动力响应，确定系统状态表征参数并建立了颗粒类固-液相变与颗粒阻尼系统耗能极值之间判据。开展了颗粒物质与弹性结构耦合动力学特性研究，观察到颗粒介质中振动梁非线性振动响应的跳跃现象、路径相关“软特性”及分岔与混沌。开展了外置型颗粒阻尼器动力特性实验及基体结构振动控制方法研究，采用等幅扫频并引入复功率分析方法获得系统损耗因子和动态质量随参数的变化规律。开展了颗粒介质频变非线性的辨识方法研究，提出多维最小二乘法和升阶降幂法对颗粒介质的非线性动力特征进行系统辨识并验证其具有明显的频变特性。开展了FEM-DEM动态耦合并行计算方法研究，开发了离散元分析软件并自行搭建了GPU并行计算集群系统，为开展大规模离散元工程应用奠定了软件基础和硬件支撑平台。以上研究为设计具有减振性能良好、适用性强的外置型颗粒阻尼器提供了有力的理论依据。基于以上成果可进一步对实际工程中颗粒介质与弹性结构耦合动力学问题进行分析。在以上研究中发表相关学术论文17篇，计算机软件著作权1项、申请发明专利1项。