沖擊減振方法的研究進展

張來喜，錢 峰，吳明亮

(蘭州理工大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730050)

振動是日常生活中常見的一種物理現象。對于有利振動，可以對其加以利用，對于有害振動，則需要避免甚至是消除。為減小有害振動，可以利用隔振、動力吸振、沖擊減振等方法進行振動控制。其中，沖擊減振器因結構簡單、抑振頻帶寬、減振效果穩定，吸引了國內外學者廣泛研究。沖擊減振是通過在振動結構的內腔中安裝沖擊質量塊，或者在振動主結構上附加沖擊減振裝置，當主結構在外界激勵下發生大幅度振動時，利用沖擊質量塊在腔體中與兩側壁面往返碰撞來轉移和耗散振動能量，并且由碰撞引起的能量損耗越大，減振效果越好，因此被廣泛應用于建筑、機械領域。沖擊減振效果會受到系統參數的影響，包括沖擊質量塊的質量、碰撞表面的彈性恢復系數、碰撞間隙等。因此，需要探究系統各參數對減振的影響規律，以此將參數調節到最佳值從而達到相對最佳的減振效果，并且不同的外界激勵條件下會存在不同的最佳碰撞間隙。沖擊減振由于碰撞過程復雜還具有非線性特性，一般用數值方法進行求解，而用解析法求解會有一定難度。

本文主要對沖擊減振理論、沖擊減振方法類型及應用方面展開分析研究，為沖擊減振技術的發展提供一定的參考。

1 理論分析

國內外學者從沖擊減振的理論分析、穩定性求解、系統參數、碰撞耗散能量等方面進行了大量深入研究。

Masri等[1-2]較早對沖擊減振進行了研究，用解析法導出了沖擊阻尼器的精確解，確定了其漸近穩定區域，研究了帶有沖擊減振器的多自由度系統穩態運動的精確解，發現沖擊減振器可以有效降低多自由度系統的振動；Nigm等[3]對裝有沖擊阻尼器的多自由度系統的穩態振動運動進行了理論分析，探究了質量比、頻率比、間隙比、阻尼系數和碰撞恢復系數對穩態振動運動的影響，并驗證了理論分析與實驗結果相吻合；蔡雅江[4]通過激振實驗和切削實驗，分析了沖擊塊質量和間隙對沖擊式鏜桿減振效果的影響；喬世民等[5]用模擬試驗裝置對沖擊減振器進行了試驗研究，揭示了沖擊減振器的運動特性，探究了質量比、無量綱間隙、摩擦系數、阻尼參數對沖擊減振器減振效果的影響；徐興等[6]用數值仿真方法對沖擊減振器進行了研究，結果表明沖擊減振器在主系統的固有頻率附近有很強的減振能力，研究發現沖擊塊與主質量之間的摩擦是減振的不利因素；胡衛兵等[7]給出了一種碰撞減振系統在諧振力作用下的穩態精確解，并根據分段線性系統的特點給出了解的漸近穩定判別準則，根據準則給出了穩定域，為設計、使用該系統提供了理論基礎；徐志偉等[8]對垂直運動方向的沖擊減振系統進行了理論分析和數值仿真，并與水平運動方向的沖擊減振系統進行比較，發現垂直比水平的減振效果略有提升；趙文禮等[9]研究發現利用碰撞阻尼器可有效抑制振動，但這種非線性振動在一定參數條件下會產生倍周期分岔、HOPF分岔及擬周期環面破裂等分岔而進入混沌運動，為避免由于非線性特性而產生渾沌運動，設計和使用碰撞阻尼器時應考慮其參數滿足周期運動的條件；盧緒祥等[10]建立了含對稱間隙結構的碰撞振動動力學模型，對不同頻率比、激振力幅值、間隙下的該模型的非線性振動特性進行了研究；王棟[11]詳細分析了沖擊減振器對結構振動能量的耗散過程，揭示了碰撞發生時刻，振動能量在系統各階模態上轉移、擴散規律，還探討了提高沖擊減振器快速耗能性能的途徑。

經典的沖擊減振器是由1個自由運動的沖擊質量塊和2個擋板組成，沖擊質量塊通過與2個擋板發生碰撞對能量進行耗散來起到減振作用。為了解決不同工程領域的振動問題，近年來人們基于沖擊減振理論，在經典沖擊減振器的基礎上對沖擊減振器的結構形式不斷推陳出新，提出多種類型的新型沖擊減振器并進行了相關研究和應用，分類討論如下。

2 質量塊碰撞阻尼器

經典的碰撞阻尼器利用自由運動的沖擊質量塊在結構腔體中與碰撞壁面發生沖擊碰撞，通過轉移和損耗振動能量進行減振。Wang等[12]將沖擊減振器應用到車輛的底盤上，通過動能轉移和目標能量轉移可以減小慣性沖擊力對乘客座艙的振動影響；李繼偉等[13]在非線性能量阱(nonlinear energy sink，NES)結構的基礎上附加沖擊減振器，證明了沖擊減振器與非線性能量阱耦合系統具有更好的減振效果；Nucera等[14-15]研究了沖擊減振非線性能量阱(vibro-impact nonlinear energy sink，VI NES)對三層框架模型在地震激勵下的減振效果，證實了沖擊減振結構具有減振作用；Karayannis等[16]研究了不同主結構附加沖擊減振裝置后的減振效果，發現合適的沖擊振動裝置可以在寬頻范圍內顯著減小主系統的最大振動響應；Li等[17]對裝有緩沖碰撞阻尼器的三自由度試驗結構進行了自由振動和受迫振動試驗，研究發現緩沖碰撞阻尼器不僅可以降低峰值接觸力和碰撞產生的加速度與噪聲，還可以增強包括試驗結構固有頻率在內的廣泛頻率范圍內的阻尼效果；Nakamura等[18]利用平衡沖擊阻尼器(balanced impact damper，BID)來抑制行走和垂直地震作用下的樓板振動，通過振動臺測試評估了安裝在鋼板上的BID的效果，結果表明在正弦波、地震運動和行走激勵作用下，BID可以有效抑制鋼板的垂直振動；Geng等[19]建立了帶有沖擊阻尼器的懸臂梁模型，如圖1所示，研究了沖擊減振器參數對減振效果的影響，結果表明該沖擊阻尼器可以有效抑制懸臂梁的多個共振峰。

圖1 帶有沖擊減振器的懸臂梁模型

經典的碰撞阻尼器僅有一個沖擊質量塊，由于其減振效果對碰撞間隔較為敏感，因此多單元碰撞阻尼器被提出以加強其減振性能。Masri[20]推導了多單元碰撞阻尼器用于控制簡諧激勵下的單自由度結構的精確解，并解釋了動力穩定與非穩定區域等非線性行為；Lu等[21]研究多單元沖擊阻尼器在隨機和地震激勵下對基準結構的振動控制效果，發現最優參數的多單元沖擊阻尼器可以降低基準結構的響應，但是結構非線性會導致多單元沖擊阻尼器的振動控制性能下降，有效動量交換和能量耗散也會下降，圖2所示為多單元碰撞阻尼器；Gharib等[22]對線性粒子鏈沖擊阻尼器與單自由度系統耦合的時間響應進行了數值模擬與實驗驗證，得出增加碰撞球的數量可以加快系統振動的衰減速度。

圖2 多單元碰撞阻尼器

質量塊碰撞阻尼器有如下特點：

1)質量塊碰撞阻尼器結構簡單，控制方便，對工程中發生的振動現象可實現有效抑制。

2)質量塊碰撞阻尼器會對被控結構產生較大脈沖力，這種效應會引起被控結構的加速度響應出現脈沖波峰和高頻振動。巨大的碰撞力還可能引起沖擊塊或碰撞擋板發生塑性變形，并且還會產生噪聲。

為了避免以上碰撞阻尼器所產生的不利影響，密閉容器中帶有許多顆粒的顆粒阻尼器被提出用于減小結構振動響應。

3 顆粒碰撞阻尼器

顆粒碰撞阻尼器是將顆粒材料按某一填充率放入結構內部或特定的空腔容器中而形成的耗能裝置，主體結構振動時，顆粒與腔體之間、顆粒與顆粒之間不斷發生碰撞和摩擦，產生動量交換并消耗系統的動能，從而減輕結構的振動[23]。

為解決飛機管道振動超標的問題，於為剛等[24]設計了一種基于顆粒碰撞阻尼技術的管道減振器，利用振動臺試驗研究了顆粒填充率對減振效果的影響，隨顆粒填充率增加，管道的振動先減小后增大，將顆粒阻尼減振器安裝在液壓動力源管道上進行實際減振試驗，發現安裝顆粒阻尼減振器后，液壓管道壓力脈動頻率下的振動水平得到了明顯抑制，驗證了所設計的飛機管道顆粒減振器的有效性和實用性；楊智春等[25]將顆粒碰撞阻尼器和動力吸振器結合，提出一種顆粒碰撞阻尼動力吸振器設計概念，以一個五層樓房框架模型為振動抑制對象進行了減振性能實驗研究，并與相同質量的經典單質塊動力吸振器進行比較，結果表明顆粒碰撞阻尼動力吸振器擴展了經典單質塊動力吸振器的工作頻率范圍，對寬頻帶隨機激勵的振動響應具有良好的抑制效果，可應用于高層建筑的地震和風振響應控制；馬崇武等[26]用“彈簧-質量塊”系統模擬“懸臂梁-顆粒阻尼器”結構的一階振動模態，研究發現隨著顆粒阻尼器填充率的增大，阻尼比先增大后減小，存在最優填充率使得阻尼比達到最大值；杜妍辰等[27]提出了具有雙重減振結構的帶彈性支撐的顆粒碰撞阻尼，研究發現其具有優秀的減振性能并存在最優參數組合，如圖3所示。

圖3 帶彈性支撐的顆粒碰撞阻尼器結構示意圖

閆維明等[28]提出了一種適合沉管隧道使用的隔艙式顆粒阻尼器，并制作了模型隧道，對設置顆粒阻尼器前后的模型隧道進行了振動臺試驗，結果表明該顆粒阻尼器對沉管隧道縱向的減震控制效果良好，能有效降低模型隧道接頭軸力和相對位移響應；閆維明等[29]還提出了一種針對土木工程減震需求的并聯式單向單顆粒阻尼器，該顆粒阻尼器對不同場地下的地震均有良好的減震效果，并且場地效應對其減震效果影響不明顯，更加適用于中低層結構；Sims等[30]使用顆粒阻尼器對工件加工中產生的振動進行控制，其研究表明顆粒阻尼器可以提升彈性加工件在機械切割時的顫振穩定性；Lu等[31]對帶有顆粒阻尼器的多自由度系統進行了振動臺試驗研究，結果表明附加很小質量比的顆粒阻尼器即可以減小主體結構的響應，但是激勵特性會影響顆粒阻尼器的減振性能；Wong等[32]研究了顆粒阻尼器的能量消耗機理，并通過離散元法精確預測了顆粒阻尼器的力學行為；王寶順等[33]將顆粒阻尼器和調諧質量阻尼器(tuned mass damper，TMD)的減振效果進行對比，發現TMD對共振時的減振效果更加顯著，顆粒阻尼器對非共振時的減振效果更加顯著，并且減小碰撞恢復系數或增大滾動摩擦系數可以提高顆粒阻尼器在非共振條件下的減振效果，圖4為其所研究的顆粒阻尼器。

圖4 顆粒阻尼器

顆粒碰撞阻尼器有如下特點：

1)顆粒碰撞阻尼器具有眾多微顆粒，在沖擊碰撞過程中可以有效減小碰撞力，降低沖擊碰撞所產生的噪聲，并且仍然具有良好的減振效果。

2)顆粒碰撞阻尼器由于顆粒微小且數量多，具有較強非線性特性，對其控制相對困難。

3)顆粒碰撞阻尼器和質量塊碰撞阻尼器發生沖擊碰撞對振動能量進行耗散，然而發生沖擊碰撞需要一定的起振條件。當主體結構輕微振動時，碰撞機制不會發生導致顆粒碰撞阻尼器和質量塊碰撞阻尼器不發揮減振作用。

由此出現了碰撞式調諧質量阻尼器(pounding tuned mass damper, PTMD)，其可以根據激勵選擇能量耗散部件，相比顆粒碰撞阻尼器和質量塊碰撞阻尼器不需要起振條件，減振適應性更強。

4 碰撞式調諧質量阻尼器

PTMD是在 TMD的基礎上，在質量塊兩側一定間距處加裝碰撞擋板，形成了一種新型的轉移和消耗能量的裝置。在主體結構劇烈振動時通過質量塊沖擊碰撞擋板來耗散振動能量，在主體結構輕微振動時以傳統TMD模式耗散振動能量。

常見的碰撞式調諧質量阻尼器一般是指雙面碰撞式調諧質量阻尼器(double-side pounding tuned mass damper，DS-PTMD)，如圖5(a)所示。

圖5 碰撞式調諧質量阻尼器

為解決水流中主結構系統受渦激振動影響的問題，Yang等[34]提出了一種具有雙L型懸臂梁和流線型質量塊的新型PTMD，結果表明當主體結構因水流的渦旋脫落而振動時，PTMD可以有效地對振動進行抑制并具有強魯棒性；Xue等[35]研究了帶有黏彈性沖擊層的碰撞式調諧質量阻尼器的振動控制性能，通過輸入地震激勵來驗證PTMD裝置在多自由度系統中的性能，發現優化后的PTMD比傳統TMD具有更好的抑振性能，其中黏彈性層的性質和碰撞間隔是影響PTMD振動控制性能的關鍵因素；孔凡等[36]利用碰撞式調諧質量阻尼器PTMD控制近海單樁風力渦輪機塔身在風浪聯合作用下的結構振動，以美國國家可再生能源實驗室的5 MW基準海上單樁風力渦輪機為研究對象，研究結果表明PTMD對塔頂響應的控制效果較好，PTMD比TMD魯棒性高，在參數失調時仍能保持較好的振動控制效果；Song等[37]提出利用PTMD對海底管道的渦激振動進行控制，通過數值分析和實驗對其振動控制性能進行驗證，發現安裝PTMD可以有效提高管道結構的阻尼比，并有效降低管道結構的振動；李書進等[38-39]將滾動型調制質量阻尼器(TRMD)和PTMD結合，提出了一種可以置入空腔樓板內部空間的滾動碰撞式調制質量阻尼器(pounding tuned rotary mass damper，PTRMD)，如圖6所示，并對其減振性能進行了研究，結果表明結構在自由振動、簡諧激勵及地震作用下都具有良好的減振性能。

圖6 滾動碰撞式調制質量阻尼器

隨著對PTMD研究的不斷深入，出現了單面碰撞式調諧質量阻尼器(single-side pounding tuned mass damper，SS-PTMD)，該型阻尼器取消了沖擊塊與擋板之間的間距這一參數，相比于DS-PTMD設計更簡單，不受最優碰撞間隙參數的限制。Wang等[40-41]在雙面碰撞式調諧質量阻尼器的基礎上取消了一個限位擋板，使質量塊在靜平衡時剛好與碰撞擋板接觸，碰撞間隙為零，由此提出了單面碰撞式調諧質量阻尼器(SS-PTMD)，如圖5(b)所示。Wang等[42]還對單面碰撞式調諧質量阻尼器的性能進行了大量研究，例如通過風洞試驗，驗證了SS-PTMD可以有效控制風激勵下的橋面模型渦激振動，其中SS-PTMD的質量比大于1%時，質量比的增加對SS-PTMD的性能不會有很大提高。王文熙[43]進行了洞庭湖大橋拉索減振試驗，發現合理選擇SS-PTMD的安裝位置能有效提高SS-PTMD對大橋拉索的減振性能。

葉德惠[44]研究了溫度變化對SS-PTMD振動控制效果的影響，并在不同溫度下進行了振動控制實驗，由實驗得出在-20～45 ℃范圍內，碰撞調諧質量阻尼器在自由振動和受迫振動兩種加載方式下都具有較好的魯棒性；何禹忠等[45]采用Wang等[41]提出的SS-PTMD基本力學模型，設計了懸臂式SS-PTMD，對其減振性能進行仿真分析與試驗研究，研究發現碰撞調諧質量阻尼器在優化頻率比條件下具有良好的減振效果，當頻率比偏離時，減振效果降低，但仍具有較好的減振效果，證明了其具有較好的控制魯棒性；李欣等[46]在SS-PTMD的基礎上，創新提出了雙重單面碰撞式調諧質量阻尼器(DSS-PTMD)，并對比了SS-PTMD和DSS-PTMD在自由振動與簡諧激勵下的減振性能，研究發現最優參數下DSS-PTMD的減振效果要好于SS-PTMD，當頻率完全調諧和失調較小時，DSS-PTMD的減振效果更優，當頻率失調較大時，反而SS-PTMD的減振效果更優。

碰撞式調諧質量阻尼器有如下特點：

1)PTMD結合了調諧質量阻尼器與碰撞阻尼器兩者的優點。當發生輕微振動時，未發生碰撞，此時通過調諧作用來轉移、消耗能量。當發生強烈振動時，發生碰撞，此時通過碰撞產生動能轉移與碰撞耗能。

2)SS-PTMD取消了碰撞間隙這一參數，不論振動幅值的大小，碰撞總能發生并消耗振動能量。

5 結束語

對生產生活中的振動進行控制，一直是人們所關心并要解決的問題，而沖擊減振因為具有出色的抑振效果，得到了人們持續不斷的深入研究。最常見的3種沖擊減振機構為質量塊碰撞阻尼器、顆粒碰撞阻尼器、碰撞式調諧質量阻尼器。

1)質量塊碰撞阻尼器結構簡單，控制方便，但是產生的巨大碰撞力可能引起沖擊塊或碰撞擋板發生塑性變形，并會產生噪聲。

2)顆粒碰撞阻尼器內部填充眾多微小顆粒，有效降低了碰撞力和噪聲，但是由于顆粒微小且數量多，具有非線性特性，導致對其控制相對較難。

3)碰撞式調諧質量阻尼器將碰撞阻尼器和調諧質量阻尼器相結合，既可以通過調諧作用轉移和消耗能量，又可以通過碰撞轉移和耗散能量，但是當振動輕微時，碰撞機制不會發生作用。

由此可見，3種沖擊減振機構各有優勢與不足，需結合實際工況擇優利用。

以上3種沖擊減振機構都利用了沖擊減振理論進行振動控制，但是由于碰撞間隙的存在，碰撞過程需要一定的時間，當激勵頻率過高、振動頻次過快時，沖擊塊來不及與碰撞壁面發生規律碰撞，導致對高頻抑振性能欠佳?？梢詫_擊減振方法與動力吸振等減振方法相結合來提高減振性能。