阻尼—Damping

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AI摘要

本文介绍了阻尼这一物理现象，包括其分类、结构、作用、测量方法、状态、减振原理和减振材料。阻尼可分为线性和扭转两种，能减小共振振幅、降低噪声等。测量方法有对数衰减、正弦扫描和随机响应三种。减振可采用黏弹性材料、阻尼金属和附加阻尼结构等。

阻尼—Damping

1. 介绍

阻尼（Damping）是指摇荡系统或振动系统受到阻滞使能量随时间而耗散的物理现象。船舶或漂浮的海洋结构物在波浪中作摇荡运动时，阻尼主要是黏性阻尼、兴波阻尼等外部阻尼。

对船舶或海洋结构物的结构振动而言，则除外部阻尼外，尚有各结构构件在振动时相互摩擦的阻尼和材料的内部阻尼。

2. 分类

阻尼分线性和扭转两种。线性阻尼是两个零部件沿着特定的方向移动一段距离的力。可以指定两个零件上阻尼的位置，COSMOSMmotion据此来计算阻尼力。

3. 结构

动载荷作用下的结构响应很大程度上取决于阻尼特性。因此，了解结构的阻尼极为重要。卫星结构的阻尼机理很难描述。产生阻尼的最重要因素有：材料阻尼、连接部位的阻尼、空气阻尼效应。为了建立适当的阻尼数学模型，研究者们付出了大量的努力，提出了黏性阻尼、结构阻尼、黏弹性阻尼、库仑阻尼或更一般的非线性阻尼。

对空间结构来说，阻尼模型中一般规定阻尼正比于速度。即Fdamping=cx(t)式中，c为阻尼常数(Ns/m)。

4. 作用

（1）阻尼有助于减小机械结构的共振振幅，从而避免结构因动应力达到极限造成结构破坏。

（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。

5. 测量方法

总的来说阻尼测量方法有三种：①对数衰减方法；②正弦扫描方法；③随机响应方法。

对数衰减法是给结构一个初始激励，记录下结构的自由衰减响应时程，得到结构阻尼如图1所示。

正弦扫描或随机响应方法都是给结构施加激励，记录下结构的振动响应时程，并对响应时程做频谱分析，采用半功率带宽法得到结构阻尼，如图1所示。这两种方法的区别在于施加的激励不同，一种是正弦激励，一种是随机激励。图1所示的是理想情况下的频谱图，对于大多数结构来说，频谱分析都不能得到图1所示的光滑单峰的频谱曲线，因此通常先采用最小二乘法对频谱曲线进行拟合(见图2)，再根据图1的方法得到结构阻尼。

图1

图2

6. 状态

无阻尼导航状态

导航过程中，惯性系统的水平和方位回路均不加任何阻尼校正网络的导航工作方式。

根据舒勒调谐原理可知，当系统回路具有84.4min的舒勒调谐周期时，系统能在接近地球表面处以任何方式运动而不会产生受激振荡，即系统不受载体运动加速度的影响。惯性导航系统中常用此原理以消除载体机动时对导航系统的影响。惯性导航系统中，还常用无阻尼导航方式实现加速度计的标定，以使回路振荡周期满足舒勒调谐条件。

水平阻尼导航状态

导航过程中惯导的水平回路加入阻尼校正网络的导航方式。

惯性导航系统中，为缩短惯性平台的水平调平时间，实现水平回路的快速校正，常在水平回路中引入阻尼环节，以提高系统振荡频率，缩短系统振荡周期。

外速度阻尼导航状态

也称外阻尼。导航过程中利用外部速度信息与惯导内部计算得到的速度信息进行比较，以其差值对系统进行阻尼的导航工作方式。

为使舒勒周期振荡加以衰减，常在舒勒回路中加入水平阻尼网络。以系统本身取出的速度信息，通过阻尼网络再加到系统中去，以达到阻尼的目的，这种阻尼方式通常称为内阻尼。内阻尼加到网络中，将导致系统不再满足舒勒调谐条件，破坏了加速度对系统的无干扰条件，因而在载体运动时，必将产生系统误差，这种误差随加速度和速度的增加而增加，而且需要经过几个振荡周期才能逐渐衰减下来。为克服引入阻尼后所产生的误差，通常通过引入外部速度信息，达到既能阻尼，又能补偿加速度和速度对系统产生的误差，这种方式称为外速度阻尼。

陀螺漂移

由干扰力矩引起的陀螺仪自转轴偏离给定方向的进动。

7. 减振原理

有很多噪声是因金属薄板受激发振动而产生的，金属薄板本身阻尼很小，而声辐射效率很高，例如各类输气管道、机器的外罩、车船和飞机的壳体等。降低这种振动和噪声，普遍采用的方法是在金属薄板构件上喷涂或粘贴一层高内阻的黏弹性材料，如沥青、软橡胶或高分子材料。当金属薄板振动时，由于阻尼作用，一部分振动能量转变为热能，而使振动和噪声降低。

8. 减振材料

黏弹性阻尼材料

常用的黏弹性材料是高分子聚合物，如氯丁橡胶，有机硅橡胶，聚氯乙烯，环氧树脂类胶及泡沫塑料构成的复合阻尼。

金属薄板上如果涂敷上黏弹性材料可以减弱金属弯曲振动的强度。当金属发生弯曲振动时，其振动能量迅速传递给紧密贴在薄板上的阻尼材料，引起阻尼材料内部的摩擦和相互错动。由于阻尼材料的内耗损、内摩擦大，使相当部分的金属薄板振动能量被耗损而变成热能散掉，减弱了板的弯曲振动，并且能缩短薄板被激振后的振动时间，从而降低金属板辐射噪声的能量，达到降噪目的。