矩形管道颗粒阻尼器的设计与减振研究

《Powder Technology》：Design and vibration reduction research of rectangular pipe particle dampers

　　

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  模拟和实验测试了用于矩形管道的颗粒阻尼器。
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  最大振动幅值出现在管道跨中。
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  80% 的填充比提供了最佳的管道振动抑制效果。
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  矩形单腔颗粒阻尼器耗散更多的能量。

引言

管道系统是流体运输的基础设施，广泛应用于发电、化工处理、石油炼制、航空航天和半导体制造等领域。其主要功能包括长距离运输、加压储存和工艺流体分配。随着现代工程系统变得更大且更加集成化，管道振动问题日益突出。管道振动通常由周期性压力脉冲引起 [1]、[2]。一旦这些振动超过管道材料的幅值限制和疲劳阈值，就容易导致管道及其支撑结构发生疲劳失效。鉴于管道振动对人员安全、设备运行和整体工业生产构成的严重威胁，开展管道振动控制研究具有极其重要且紧迫的工程意义。近年来，颗粒阻尼器作为一种新兴的振动控制技术，凭借其安装灵活、附加质量小以及环境适应性强的显著优势，逐渐成为解决管道振动问题的关键手段。

颗粒阻尼器的减振原理从根本上说是利用非弹性碰撞和摩擦行为，将结构的机械振动动能转化为热能进行耗散。它通常由大量填充在封闭腔体中的微小颗粒组成，该腔体刚性固定在主结构上。众多学者对颗粒阻尼器进行了深入研究并取得了实质性进展，揭示了颗粒材料 [3]、[4]、腔体形状 [5]、[6]、颗粒尺寸 [7]、[8] 和颗粒填充比 [9] 等因素对主结构的减振效果具有显著影响。由于颗粒碰撞的高度非线性特性，多颗粒阻尼器的理论建模进展仍然有限。因此，在实际应用中，必须根据颗粒阻尼器的特定工作条件和主结构的振动特征进行实验测试和优化设计。为了更好地理解颗粒阻尼器的减振机制，学者们提出了各种颗粒阻尼模型和预测方法，如颗粒流动力学理论和离散元方法。其中，颗粒流动力学理论 [10]、[11]、[12] 将腔体内的大量固体颗粒视为放大的气体分子。它通过统计力学推导颗粒组装的宏观输运系数，从而建立描述颗粒群运动的连续介质力学方程。由于能够模拟颗粒间相互作用力并捕捉详细的颗粒运动特性，离散元方法 (DEM) 已在研究界得到广泛应用。例如，Wang 等人 [13] 应用 DEM 探索了颗粒阻尼器的能量耗散机制，分析了激励振幅、激励频率、容器尺寸以及颗粒质量和材料的具体影响。同样，Chodkiewicz 等人 [14] 和 Xu 等人 [15] 利用校准后的 DEM 模型进行参数研究，以评估材料属性、几何配置和工艺参数如何决定阻尼效率。

颗粒阻尼器技术主要应用于风机塔筒 [16]、[17]、[18]、梁 [19]、[20] 和涡轮发动机 [21]、[22] 等领域。然而，关于颗粒阻尼器在管道结构振动中应用的研究较少。例如，Wang 等人 [23]、[24] 讨论了垂直安装的颗粒阻尼器对管道结构的减振效果，得出结论认为颗粒阻尼器可以在宽频率范围内对管道结构的垂直振动产生显著的阻尼效果。此外，Jin 等人 [25] 研究了安装在液压管道上的颗粒阻尼器的实际减振测试结果，揭示管道振动随着颗粒填充比的增加先减弱后增强。尽管如此，上述管道结构严格限制于圆形几何形状（如图 1(a) 所示）。此外，现有关于颗粒阻尼器腔体设计的研究主要集中于圆柱形配置 [26]、[27]、[28]。据作者所知，矩形颗粒阻尼器在矩形管道振动抑制中的应用几乎未被探索。因此，迫切需求开发一种具有成本效益且易于安装的矩形颗粒阻尼器，专门用于矩形管道系统的振动控制。

本研究的主要创新点聚焦于开发一种用于矩形管道振动控制的定制颗粒阻尼器（如图 1(b) 所示）。具体来说，研究方法论展开如下：首先，通过有限元分析 (FEA) 完成了矩形管道的尺寸设计，确定了阻尼器的最佳放置位置。其次，利用离散元方法 (DEM) 仿真对颗粒行为和夹持配置进行了参数优化。最后，进行了实验测试，通过物理实验与 DEM 仿真之间的对比分析，成功验证了阻尼器能量耗散特性的准确性。

章节摘要

矩形管道的尺寸设计

本研究调查的管道具有矩形横截面，并沿其长度分为五个不同的部分：左侧稳流段（3 米 × 3 米横截面尺寸）、收缩段、试验段（1 米 × 1 米横截面尺寸）、扩散段和右侧稳流段（1.58 米 × 1.58 米横截面尺寸）。管壁厚度为 70 毫米。原始管道由钢制成，弹性模量为 E

颗粒阻尼器仿真模型的设置

本研究利用离散元方法 (DEM) 软件 EDEM 进行了全面的颗粒能量耗散分析，旨在比较相同工况下不同参数的能量耗散值，从而为最佳颗粒阻尼器设计提供理论依据。图 8(a) 所示的颗粒阻尼器模型由四个相同的颗粒夹持件组成。单个颗粒夹持件的具体尺寸详述于

不同的颗粒填充比和材料

为了研究不同填充比对颗粒能量耗散特性的影响，选取了直径为 4 毫米的 201 不锈钢、1060 纯铝和氧化锆颗粒。对填充比从 70% 到 100%（步长为 5%）进行了仿真。在本研究中，选择 2 毫米作为离散元参数分析的基准激励振幅。在此激励水平下，颗粒可以产生相对明显的

实验验证

本研究中设计的颗粒阻尼器包括四个颗粒夹持件及其相应的盖板。每个颗粒夹持件可以配置为单腔、双腔、三腔或四腔布局。这些单个颗粒夹持件和盖板使用轻质塑料螺栓组装，特别是为了最小化颗粒阻尼器的附加质量。单腔配置用于评估颗粒在下的振动衰减效率

结论

在本研究中，使用有限元方法确定了矩形管道的模态特性，而使用离散元方法研究了颗粒阻尼器的能量耗散行为。将 DEM 预测值与实验测量值进行了比较以评估其一致性。优化的颗粒参数和腔体配置主要适用于缩比矩形管道、阻尼器结构、激励频率和激励

CRediT 作者贡献声明

Jiuru He：写作 – 原稿，可视化，形式分析。Yuhong Ma：监督，资源，资金获取，构思。Guifeng Zhao：验证，资源，资金获取，构思。Zhenyu Yang：写作 – 审阅与编辑，验证，监督，资源，资金获取。Zhihao Zhu：写作 – 审阅与编辑，监督。Zhiwei Chen：监督，构思。Cui Nie：监督，构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢本研究期间获得的资金支持，来自 国家自然科学基金（项目编号 52378499、52478502 和 52308488）、广东省基础与应用基础研究基金（项目编号 2024A1515012788）以及 广东省科技创新战略专项（项目编号 2023A1111120008）。

Jiuru He|Yuhong Ma|Guifeng Zhao|Zhenyu Yang|Zhihao Zhu|Zhiwei Chen|Cui Nie