耦合有限元-离散元法分析颗粒混合物阻尼损耗因子的振动能量耗散机制

为解决颗粒材料(GM)在结构共振条件下的能量耗散评估难题，研究人员采用耦合有限元-离散元(FE-DE)方法，系统研究了单分散与混合粒径GM的阻尼特性。通过构建6 mm厚立方排列颗粒层的悬臂板模型，发现2-4 mm粒径混合颗粒较单分散小颗粒(≤3 mm)具有更高阻尼效能，并提出了表征颗粒床几何特性的新参数。该研究为颗粒阻尼器的工业应用提供了优化设计依据。

　　

在机械工程领域，颗粒阻尼器因其简单高效的振动控制特性备受关注。传统研究多基于单分散颗粒(monodisperse)在反共振条件下的离散元(DE)模拟，但实际工业中的颗粒材料(Granular Materials, GM)往往存在粒径分布。当结构处于共振状态时，现有方法难以准确评估混合粒径GM的能量耗散特性，这直接制约了颗粒阻尼器的优化设计。

针对这一瓶颈，发表于《Powder Technology》的研究创新性地采用耦合有限元-离散元(Finite Element-Discrete Element, FE-DE)方法，构建了包含6 mm厚立方排列颗粒层的悬臂板系统模型。通过对比1-6 mm单分散与混合粒径球形颗粒的动力学行为，首次揭示了粒径分布对阻尼性能的调控机制。

关键技术包括：(1)FE-DE耦合算法实现结构振动与颗粒运动的双向耦合；(2)对数衰减法(logarithmic decrement)量化阻尼损耗因子；(3)基于立方密排结构的颗粒床几何参数化表征。研究对象涵盖建筑用砂、工业副产品等典型多分散GM。

【主要结果】

1. 粒径混合效应
   2-4 mm混合颗粒较单分散小颗粒(≤3 mm)在相同质量下表现出更高的阻尼损耗因子，最大提升达40%。这种优势源于大颗粒间形成的动态力链网络增强能量耗散。

2. 几何参数相关性
   针对≤3 mm颗粒组，研究提出的颗粒床几何参数（表征空隙与接触点分布）与阻尼性能呈显著线性相关(R²

0.85)，为小粒径GM阻尼预测提供了新指标。

1. 粒径偏析影响
   高孔隙率条件下，2-4 mm混合颗粒因重力偏析产生非均匀流动，导致颗粒切向速度增加15-20%，显著提升颗粒间摩擦能耗。

该研究建立了粒径分布-阻尼性能的定量关系，突破了传统单分散模型的局限性。提出的几何参数为GM阻尼器设计提供了标准化评估工具，尤其在建筑减震、航空航天等领域具有重要应用价值。后续研究可进一步考虑非球形颗粒、湿度等因素对FE-DE耦合模型的影响。