[科普中國(guó)]-粘性阻尼

簡(jiǎn)介

粘性阻尼，是指振動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)受力大小與運(yùn)動(dòng)速度成正比而方向相反的阻力所引起的能量損耗。粘性阻尼發(fā)生在物體內(nèi)振動(dòng)而產(chǎn)生形變的過程中。物體振動(dòng)時(shí)，部分振動(dòng)能量損耗在物體所處的環(huán)境的阻力中，比如說振動(dòng)物體受到空氣或水的阻力，并被轉(zhuǎn)換為熱能。在實(shí)際的振動(dòng)系統(tǒng)中，除粘性阻尼外，還有結(jié)構(gòu)阻尼（結(jié)構(gòu)本身振動(dòng)時(shí)其結(jié)構(gòu)內(nèi)部分子或原子之間的能量耗散引起的阻尼），干阻尼（例如軸承內(nèi)或零件接合處的摩擦作用）等其它能量損耗。但在振動(dòng)很大的情況，粘性阻尼引起的損耗占優(yōu)勢(shì)，這時(shí)振動(dòng)振幅按時(shí)間的幾何級(jí)數(shù)規(guī)律衰減。2在有些自動(dòng)控制系統(tǒng)或機(jī)械系統(tǒng)，為了能有粘性摩擦或者阻尼，經(jīng)常會(huì)用到阻尼器，阻尼器是一種產(chǎn)生粘性摩擦或阻尼的裝置。

作用粘性阻尼的作用主要有以下五個(gè)方面：

（1）阻尼有助于減少機(jī)械結(jié)構(gòu)的共振振幅，從而避免結(jié)構(gòu)因震動(dòng)應(yīng)力達(dá)到極限造成機(jī)構(gòu)破壞；

（2）阻尼有助于機(jī)械系統(tǒng)受到瞬時(shí)沖擊后，很快恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)；

（3）阻尼有助于減少因機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的聲輻射，降低機(jī)械性噪聲。許多機(jī)械構(gòu)件，如交通運(yùn)輸工具的殼體、鋸片的噪聲，主要是由振動(dòng)引起的，采用阻尼能有效的抑制共振，從而降低噪聲；

（4）可以提高各類機(jī)床、儀器等的加工精度、測(cè)量精度和工作精度。各類機(jī)器尤其是精密機(jī)床，在動(dòng)態(tài)環(huán)境下工作需要有較高的抗震性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，通過各種阻尼處理可以大大的提高其動(dòng)態(tài)性能；

（5）阻尼有助于降低結(jié)構(gòu)傳遞振動(dòng)的能力。在機(jī)械系統(tǒng)的隔振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，合理地運(yùn)用阻尼技術(shù)，可使隔振、減振的效果顯著提高。

粘滯阻尼理論結(jié)構(gòu)阻尼是對(duì)振動(dòng)結(jié)構(gòu)所耗散的能量的測(cè)量，通常用振動(dòng)一次的能量耗散率來表示結(jié)構(gòu)阻尼的強(qiáng)弱。典型結(jié)構(gòu)體系的真實(shí)阻尼特性是很復(fù)雜和難于確定的。近幾十年來，人們提出了多種阻尼理論假設(shè)，在眾多的阻尼理論假設(shè)中，用得較多的是兩種線性阻尼理論：粘滯阻尼理論和復(fù)阻尼理論（滯變阻尼理論）。

粘滯阻尼理論可導(dǎo)出簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)方程形式，因此被廣泛應(yīng)用?？墒撬幸粋€(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)，即每周能量損失依賴于激勵(lì)頻率。這種依賴關(guān)系是與大量試驗(yàn)結(jié)果不符的，試驗(yàn)結(jié)果表明阻尼力和試驗(yàn)頻率幾乎是無關(guān)的。因此，自然期望消除阻尼力對(duì)頻率的依賴。這可以用稱為滯變阻尼的形式代替粘滯阻尼來實(shí)現(xiàn)。滯變阻尼可定義為一種與速度同相而與位移成比例的阻尼力。在考慮阻尼時(shí)在彈性模量或剛度系數(shù)項(xiàng)前乘以復(fù)常數(shù) 即可，v為復(fù)阻尼系數(shù)。復(fù)阻尼理論對(duì)于一般的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)來說，計(jì)算過程非常復(fù)雜，因此，在動(dòng)力響應(yīng)分析中，復(fù)阻尼理論應(yīng)用不多，本文限于篇幅，也就不再展開了。

粘滯阻尼理論假定阻尼力與運(yùn)動(dòng)速度成正比，通常是用不同頻率的阻尼比ζ來表征系統(tǒng)的阻尼：

粘滯阻尼理論最顯著的特點(diǎn)在于其阻尼力是直接根據(jù)與相對(duì)速度成正比的關(guān)系給出的，不論是簡(jiǎn)諧振動(dòng)或是非簡(jiǎn)諧振動(dòng)，都可直接寫出系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程，而且均為線性微分方程，給理論分析帶來了很大的方便。3

應(yīng)用粘性阻尼抑制系統(tǒng)諧振用粘性阻尼抑制機(jī)械系統(tǒng)的諧振，這在一般有關(guān)研究機(jī)械運(yùn)動(dòng)的文獻(xiàn)都有介紹。經(jīng)典的振動(dòng)理論認(rèn)為，粘性阻尼的抑振效果是不容置疑的。

在大型精密跟蹤雷達(dá)的傳動(dòng)系統(tǒng)中，由于其結(jié)構(gòu)諧振頻率一般都比較低，常常限制了伺服系 統(tǒng)工作帶寬不能做寬。因此，希望在此傳動(dòng)系統(tǒng)中增加機(jī)械阻尼機(jī)構(gòu)，用粘性阻尼抑制系統(tǒng) 的諧振，保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，達(dá)到改善伺服系統(tǒng)工作帶寬的目的。

造成粘性阻尼在不同系統(tǒng)中抑振效果不同的因素，主要來自兩個(gè)方面。其一是外部因素；其二是系統(tǒng)本身的內(nèi)在因素。外部因素只能造成理論計(jì)算和實(shí)際應(yīng)用之間的差別。內(nèi)在因素才是造成理論研究出現(xiàn)差別的主要原因。這個(gè)所謂的內(nèi)在因素，就是系統(tǒng)本身各個(gè)參數(shù)之間的比例關(guān)系。由振動(dòng)理論分析可知，一個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)配置情況，決定系統(tǒng)諧振時(shí)的振動(dòng)形態(tài)-即振型。由于粘性耦合器的阻尼能否充分發(fā)揮作用與其主。從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，阻尼的抑振效果直接與組合系統(tǒng)的振型有關(guān)。4

粘性阻尼在軟特性剛度隔沖系統(tǒng)中的作用長(zhǎng)期以來，一直認(rèn)為對(duì)于持續(xù)時(shí)間很短的( 毫秒范圍內(nèi)) 的沖擊, 阻尼對(duì)最大的結(jié)構(gòu)響應(yīng)沒有顯著的影響，因此隔沖系統(tǒng)通常都只是從剛度上進(jìn)行設(shè)計(jì)。 隨著磁流變 / 電流變阻尼器等的出現(xiàn)，在沖擊隔離中使用阻尼或半主動(dòng)阻尼逐漸成為研究的熱點(diǎn)。 但主要集中在地震防護(hù)等沖擊持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)或只關(guān)心相對(duì)位移幅值的應(yīng)用中。 而對(duì)于艦船設(shè)備這類，遭受持續(xù)時(shí)間很短( 十毫秒量級(jí) ) 的沖擊， 但又對(duì)沖擊隔離效率和相對(duì)位移幅值都有嚴(yán)格要求的沖擊隔離問題，這方面的研究很少，通過對(duì)粘性阻尼在軟特性剛度隔沖系統(tǒng)中的作用的研究，表明阻尼可以改善軟特性剛度隔沖系統(tǒng)的隔沖性能， 但是，隨著剛度的軟特性的增強(qiáng), 阻尼對(duì)隔沖性能的提升作用隨之下降。5