[科普中国]-粘性阻尼

简介

粘性阻尼，是指振动系统的运动受力大小与运动速度成正比而方向相反的阻力所引起的能量损耗。粘性阻尼发生在物体内振动而产生形变的过程中。物体振动时，部分振动能量损耗在物体所处的环境的阻力中，比如说振动物体受到空气或水的阻力，并被转换为热能。在实际的振动系统中，除粘性阻尼外，还有结构阻尼（结构本身振动时其结构内部分子或原子之间的能量耗散引起的阻尼），干阻尼（例如轴承内或零件接合处的摩擦作用）等其它能量损耗。但在振动很大的情况，粘性阻尼引起的损耗占优势，这时振动振幅按时间的几何级数规律衰减。2在有些自动控制系统或机械系统，为了能有粘性摩擦或者阻尼，经常会用到阻尼器，阻尼器是一种产生粘性摩擦或阻尼的装置。

作用粘性阻尼的作用主要有以下五个方面：

（1）阻尼有助于减少机械结构的共振振幅，从而避免结构因震动应力达到极限造成机构破坏；

（2）阻尼有助于机械系统受到瞬时冲击后，很快恢复到稳定状态；

（3）阻尼有助于减少因机械振动产生的声辐射，降低机械性噪声。许多机械构件，如交通运输工具的壳体、锯片的噪声，主要是由振动引起的，采用阻尼能有效的抑制共振，从而降低噪声；

（4）可以提高各类机床、仪器等的加工精度、测量精度和工作精度。各类机器尤其是精密机床，在动态环境下工作需要有较高的抗震性和动态稳定性，通过各种阻尼处理可以大大的提高其动态性能；

（5）阻尼有助于降低结构传递振动的能力。在机械系统的隔振结构设计中，合理地运用阻尼技术，可使隔振、减振的效果显著提高。

粘滞阻尼理论结构阻尼是对振动结构所耗散的能量的测量，通常用振动一次的能量耗散率来表示结构阻尼的强弱。典型结构体系的真实阻尼特性是很复杂和难于确定的。近几十年来，人们提出了多种阻尼理论假设，在众多的阻尼理论假设中，用得较多的是两种线性阻尼理论：粘滞阻尼理论和复阻尼理论（滞变阻尼理论）。

粘滞阻尼理论可导出简单的运动方程形式，因此被广泛应用。可是它有一个严重的缺点，即每周能量损失依赖于激励频率。这种依赖关系是与大量试验结果不符的，试验结果表明阻尼力和试验频率几乎是无关的。因此，自然期望消除阻尼力对频率的依赖。这可以用称为滞变阻尼的形式代替粘滞阻尼来实现。滞变阻尼可定义为一种与速度同相而与位移成比例的阻尼力。在考虑阻尼时在弹性模量或刚度系数项前乘以复常数 即可，v为复阻尼系数。复阻尼理论对于一般的结构动力响应来说，计算过程非常复杂，因此，在动力响应分析中，复阻尼理论应用不多，本文限于篇幅，也就不再展开了。

粘滞阻尼理论假定阻尼力与运动速度成正比，通常是用不同频率的阻尼比ζ来表征系统的阻尼：

粘滞阻尼理论最显著的特点在于其阻尼力是直接根据与相对速度成正比的关系给出的，不论是简谐振动或是非简谐振动，都可直接写出系统的运动方程，而且均为线性微分方程，给理论分析带来了很大的方便。3

应用粘性阻尼抑制系统谐振用粘性阻尼抑制机械系统的谐振，这在一般有关研究机械运动的文献都有介绍。经典的振动理论认为，粘性阻尼的抑振效果是不容置疑的。

在大型精密跟踪雷达的传动系统中，由于其结构谐振频率一般都比较低，常常限制了伺服系 统工作带宽不能做宽。因此，希望在此传动系统中增加机械阻尼机构，用粘性阻尼抑制系统 的谐振，保证系统工作的稳定性，达到改善伺服系统工作带宽的目的。

造成粘性阻尼在不同系统中抑振效果不同的因素，主要来自两个方面。其一是外部因素；其二是系统本身的内在因素。外部因素只能造成理论计算和实际应用之间的差别。内在因素才是造成理论研究出现差别的主要原因。这个所谓的内在因素，就是系统本身各个参数之间的比例关系。由振动理论分析可知，一个系统的参数配置情况，决定系统谐振时的振动形态-即振型。由于粘性耦合器的阻尼能否充分发挥作用与其主。从动件的运动状态有关，阻尼的抑振效果直接与组合系统的振型有关。4

粘性阻尼在软特性刚度隔冲系统中的作用长期以来，一直认为对于持续时间很短的( 毫秒范围内) 的冲击, 阻尼对最大的结构响应没有显著的影响，因此隔冲系统通常都只是从刚度上进行设计。 随着磁流变 / 电流变阻尼器等的出现，在冲击隔离中使用阻尼或半主动阻尼逐渐成为研究的热点。 但主要集中在地震防护等冲击持续时间较长或只关心相对位移幅值的应用中。 而对于舰船设备这类，遭受持续时间很短( 十毫秒量级 ) 的冲击， 但又对冲击隔离效率和相对位移幅值都有严格要求的冲击隔离问题，这方面的研究很少，通过对粘性阻尼在软特性刚度隔冲系统中的作用的研究，表明阻尼可以改善软特性刚度隔冲系统的隔冲性能， 但是，随着刚度的软特性的增强, 阻尼对隔冲性能的提升作用随之下降。5