粒子減衰

粒子減衰は、空洞内で自由に移動する粒子を利用して減衰効果を生み出す方法です。

導入

アクティブダンピング技術とパッシブダンピング技術は、構造物に励起された共振振動を減衰させる一般的な方法です。アクティブダンピング技術は、電力要件、コスト、環境などの理由により、あらゆる状況に適用できるわけではありません。そのような状況では、パッシブダンピング技術が現実的な代替手段となります。パッシブダンピングには、粘性減衰、粘弾性減衰、摩擦減衰、衝撃減衰など、様々な形態があります。粘性減衰と粘弾性減衰は、通常、温度に比較的強く依存します。摩擦ダンパーは広い温度範囲で適用可能ですが、摩耗により劣化する可能性があります。これらの制限のため、特に極低温環境や高温環境での用途では、衝撃ダンパーに注目が集まっています。

粒子減衰技術は、衝撃減衰から派生した技術であり、いくつかの利点があります。衝撃減衰は、キャビティ内に単一の（やや大きめの）補助質量のみを配置する技術を指すのに対し、粒子減衰は、キャビティ内に複数の小さな補助質量を配置する技術を指します。粒子減衰の原理は、主系に接続されたキャビティの境界内を自由に移動する粒状粒子が衝突する際に生じる損失によって振動エネルギーを除去することです。実際には、粒子ダンパーは高度に非線形なダンパーであり、そのエネルギー消散、すなわち減衰は、摩擦や運動量交換などの損失メカニズムの組み合わせによってもたらされます。粒子ダンパーは、幅広い温度範囲と周波数範囲で動作し、長寿命であるため、宇宙空間の無重力環境[ 1 ] [ 2 ]、航空機構造、土木構造物の振動減衰[ 3 ]、さらにはテニスラケット[ 4 ]などの用途に使用されています。

粒子ダンパーの利点

  • 温度低下なく広い温度範囲で動作できます。
  • 彼らは長生きすることができます。
  • 周波数に大きく依存する粘弾性ダンパーとは異なり、非常に広い範囲の周波数で動作できます。
  • 構造内の空洞内に置かれた粒子の重量は、それが置き換える質量よりも小さくなる場合があります。
  • 分析を通じて、特定の用途に適した粒子の種類、サイズ、一貫性を見つけることができます。

したがって、過酷な環境で長期間の使用が求められる用途に適しています。

粒子減衰の解析

粒子ダンパーの解析は、主に実験、離散要素法または有限要素法によるシミュレーション、そして解析計算によって行われます。離散要素法は粒子力学を利用し、個々の粒子を6自由度の力学でモデル化し、それらの相互作用によって吸収・散逸されるエネルギー量を算出します。このアプローチは、高出力の計算能力と数百万個の粒子の動的相互作用を必要としますが、有望であり、様々なメカニズムが減衰に及ぼす影響を推定するために使用できます。例えば、空洞内の10,000個の粒子をシミュレートし、様々な重力の影響下での減衰を研究したモデルを用い た研究[ 5 ]が行われました。

研究文献レビュー

粒子ダンパーの解析の分野では、かなりの量の研究が行われてきました。

オルソン[ 6 ]は、粒子ダンパーの設計を解析的に評価できる数学モデルを提示した。このモデルは粒子動力学法を用いており、摩擦接触相互作用や粒子材料の 粘弾性によるエネルギー散逸など、粒子減衰に関わる物理特性を考慮している。

Fowlerら[ 7 ]は、粒子減衰の有効性と予測可能性に関する研究結果を論じた。研究は、実験室環境下および高温下における、様々な粒子材料、形状、サイズの挙動を特性評価し、予測することに重点的に取り組んだ。非線形減衰現象のデータ生成と特性抽出に用いられた手法は、試験結果とともに示された。

Fowlerら[ 8 ]は、粒子動力学法に基づく解析手法を開発し、特性評価された粒子減衰データを用いて構造システムの減衰を予測した。動的構造物における粒子減衰を設計するための手法が議論された。この設計手法は、実験室における構造部材の試験と相関していた。

Maoら[ 9 ]は、粒子減衰のコンピュータシミュレーションにDEMを用いた。数千個の粒子をヘルツ球と見なし、離散要素モデルを用いてこれらの多体運動を記述し、エネルギー散逸を決定した。

Prasadら[ 10 ]は、20種類の異なる粒状物質の減衰性能を調査し、様々な産業向けの粒子ダンパーの設計に活用しています。また、2種類の異なる粒状物質を混合したハイブリッド粒子ダンパーのコンセプトも提唱しており、これにより、単一種類の粒状物質のみを使用した粒子ダンパーと比較して、大幅に高い振動低減効果を実現しています。

プラサドら[ 11 ]は、陸上風力発電機からの低周波振動振幅を低減するために、粒子減衰技術に基づいたハニカム減衰プレートのコンセプトを開発した。

プラサドら[ 12 ]は、風力タービンブレードに粒子ダンパーを実装して振動振幅を低減するための3つの異なる戦略を提案している。

参考文献

  1. ^ HV Panossian、「非閉塞性粒子減衰技術による構造減衰の強化」、Journal of Vibration and Acoustics、114 (1992)、pp. 101–105。
  2. ^ R. Ehrgott、H. Panossian、G. Davis、「ターボ機械における粒子減衰の有効性を評価するためのモデリング技術」、Pratt & Whitney Rocketdyne、カリフォルニア州カノガパーク。PDF
  3. ^ SS Simonian、「粒子ビームダンパー」、 Proceedings of the SPIE、2445 (1995)、pp. 149–160。
  4. ^ S. Ashley、「新しいラケットがテニス界に革命を起こす」、Mechanical Engineering、117 (1995)、pp. 80–81。
  5. ^非閉塞性粒子減衰の経験と能力、パノシアン、H.、Proceedings- Spie The International Society For Optical Engineering、2002年、ISSU 4753; VOL 2、936-941ページ。PDF、Wayback Machineで2016年3月4日にアーカイブ
  6. ^スティーブン・E・オルソン「解析的粒子減衰モデル」、Journal of Sound and Vibration、264 (2003)、pp. 1155–1166。doi: 10.1016 /S0022-460X(02)01388-3
  7. ^ Bryce L. Fowler、Eric M. Flint、Steven E. Olson、「粒子減衰の有効性と予測可能性」、SPIE 3989巻の議事録、Smart Structures and Materials 2000、Damping and Isolation、2000年。PDF、 2011年9月11日Wayback Machineにアーカイブ
  8. ^ Bryce L. Fowler、Eric M. Flint、Steven E. Olson、「粒子減衰の設計方法論」、SPIE Con​​ference on Smart Structures and Materials、2001年。PDF、Wayback Machineで2012年3月25日にアーカイブ
  9. ^ Kuanmin Mao, Michael Yu Wang, Zhiwei Xu, Tianning Chen, 粒子減衰のDEMシミュレーション, Powder Technology, 142 (2004), pp. 154– 165. doi : 10.1016/j.powtec.2004.04.031
  10. ^ Prasad BB; Duvigneau, F.; Juhre, D.; Woschke, E. 異なる粒状材料およびその混合物を用いた粒子ダンパーの減衰性能、Applied Acoustics 2022, 200, 109059. doi : 10.1016/j.apacoust.2022.109059
  11. ^ Prasad BB; Duvigneau, F.; Juhre, D.; Woschke, E. 小型風力発電機への粒子ダンパーの適用による低周波振動音響挙動の改善、Appl. Sci. 2022, 12, 671. doi : 10.3390/app12020671
  12. ^ Prasad BB; Duvigneau, F.; Juhre, D.; Woschke, E. 風力タービンブレードに低周波音の放出を低減するための粒子ダンパーの実験的研究、INTER-NOISEおよびNOISE-CON会議およびカンファレンス議事録。2021年。doi： 10.3397 /IN-2021-1125
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