Демпфирующий материал что это

Что такое демпфер: устройство и применение

Хотя слово демпфер каждый человек слышал в жизни не один раз, но мало кто полностью представляет, о чем идет речь. Разновидностей подобного устройства достаточно много, они окружают людей буквально повсюду.

Чтобы разобраться в применении приспособления, с ним нужно познакомиться поближе, рассмотрев принцип работы, каждый сделает вывод для себя, полезная это вещь или нет. Не менее интересно будет узнать все возможные сферы применения демпфера, ведь их немало.

Общая информация

В переводе с немецкого языка слово означает «заглушить» или «глушитель», что объясняет его применение. Устройство предназначено для своеобразной амортизации, не менее важной функцией будет устранение всяческих колебаний, которые возникают во время работы таких приспособлений как:

Демпфером можно смело назвать любое оборудование, способное успокаивать и смягчать нагрузку, действие достаточно востребованное и применяется людьми повсеместно.

Использование демпферов позволяет увеличить КПД двигателей за счет снижения колебаний и потери энергии.

Разновидности устройств

Существует огромное количество типов изделий, направленных на смягчение какого-либо процесса, обычную прокладку из резины также можно назвать демпфер, ведь функция выполняется по максимуму, а строение составляющей очень простое.

Приспособления делятся на группы, принято различать гидравлические и пневматические устройства, которые делятся на виды, первый тип подразделяется на:

Гидравлические приспособления могут выступать в виде мембранных, поршневых и баллонных аккумуляторов, направленных на смягчение какого-либо действия.

Общепринятые сферы применения

Увидеть демпфер в работе можно довольно часто, нужно лишь обращать внимание на мелочи, которые подскажут, что это именно это устройство.

Демпферы различных видов могут стать незаменимой составляющей для измерительных приборов, регуляторов с автоматикой. С его помощью можно существенно снизить риск возникновения колебаний токов, оградить технику от резкого увеличения напряжения и многого другого.

Автомобилестроение уже давно внедряет демпфера в различные участки конструкции, без амортизаторов подвеска транспортного средства не сможет долго прослужить, а сама езда покажется невыносимо напряженной как водителю, так и пассажирам.

Авиационные технологии

Модели современного типа невозможно представить без демпфера, который отвечает за устранение аэроупругих колебаний. Такое явление можно встретить в любом летательном аппарате, устройство довольно хорошо гасит кратковременные эксцессы даже в автоматическом режиме, без прямого участия человека.

Роль такого приспособления очень важна, говорить о максимальной безопасности полета нельзя, если в самолете отсутствует неотъемлемая деталь. Демпфер включает в себя целую систему гироскопических датчиков, без устройства аппарат попросту разрушится или возникнут перегрузки, а они представляют большую опасность при покорении внушительных высот.

Наглядные примеры применения

Демпфер можно увидеть в акустических колонках, эти системы представлены в виде ободка из металла, который закреплен на мембранной раме. Если оборудование высокочастотное, то для изготовления приспособления берут полимерные материалы, для низких частот могут использоваться поролон или резина.

Целью детали является устранение остаточных колебаний, которые исходят из звуковой мембраны, тогда звук не будет смешиваться.

Музыкальные струнные инструменты также нельзя представить без успокаивающего устройства, натяжные элементы нужно вовремя глушить, чтобы звук стал четким, ведь своеобразных колебаний не избежать.

Некоторые детали музыкальных инструментов обклеивают, чтобы достичь максимального результата, такое исполнение можно заметить в фортепиано, если заглянуть внутрь.

Свойства приспособления в рулевой системе

Владельцы мотоциклов точно могут описать, что такое демпфер, ведь он ярко выражен на руле такого транспортного средства. Выйти из строя элемент может при езде по неровной местности, его основная задача состоит в том, чтобы глушить неприятные удары при попадании в яму или на бугор развивая высокие скорости.

Детали наполняются маслом и оборудуются специальным поршнем, существуют также воздушные образцы, которые считаются устаревшими. Профессиональные байкеры знают, что существуют довольно практичные и надежные модели, такими конструкциями принято считать:

Демпферные устройства для важной системы также можно встретить на четырехколесном друге, его называют рулевой рейкой.

Амортизатор такого типа способен работать в двухстороннем действии, его зачастую крепят особенным образом. При езде по камням или ямам рулевое колесо не выскакивает из рук водителя, тем самым предотвращая несчастные случаи.

Мебельная промышленность

Любая современная конструкция снабжается демпфером, ведь с такой составляющей вещи могут стать намного практичнее и удобней.

Устройство специально разрабатывается для каждой модели мебели, подгоняется размер и нагрузка. Двери в помещениях могут открываться плавно, стук от закрытия максимально сглаживается именно за счет такого современного приспособления.

Откидные створки уже невозможно представить без меблированных образцов, ведь они не только предотвращают шум, но и способны сделать использование комфортным. Все детали изготавливают из высококачественных материалов, срок службы достаточно большой, если вещь была произведена с учетом технологических требований.

Источник

Теория и механизмы демпфирования в механике конструкций

Если ударить по стеклянной или металлической чаше, то она будет издавать затухающий со временем звон. В мире без демпфирования этот звон продолжался бы вечно. В реальности же, благодаря нескольким физическим процессам, кинетическая энергия и (потенциальная) энергия упругой деформации чаши переходят в другие формы энергии. В этой статье мы обсудим, как описывать демпфирование в моделях и какие физические явления его вызывают затухание в вибрирующих механических системах.

Как математически описывается демпфирование?

Есть несколько математических подходов к описанию и учету демпфирования. Давайте кратко резюмируем самые популярные из них.

Самое заметное проявления демпфирования — падение (затухание) амплитуды свободных колебаний со временем, как, например, в случае с «поющей» чашей. Скорость ослабления амплитуды зависит от того, насколько большое демпфирование в системе. Обычно амплитуда колебаний экспоненциально затухает со временем. В таком случае потери энергии за период пропорциональны амплитуде колебаний (на этом периоде).

Классическая «поющая» чаша. Изображение предоставлено Sneharamm0han — собственное произведение. Доступно по лицензии CC BY-SA 4.0 на Викискладе.

Давайте начнем с уравнения движения для системы из одной степени свободы с вязким трением в отсутствии внешних нагрузок.

Разделив на массу m, мы получим отнормированное уравнение, которое обычно записывают в виде

Здесь \omega_0 — это собственная частота недемпфированных колебаний, а \zeta — относительный коэффициент демпфирования (damping ratio).

Чтобы движение было периодическим, относительный коэффициент демпфирования должен оставаться в диапазоне 0 \le \zeta Амплитуда свободных колебаний в этой системе будет падать пропорционально множителю

где T₀ — период колебаний без затухания.

Затухание свободных колебаний с тремя разными значениями относительного коэффициента демпфирования.

В данном контексте существует еще один часто используемый критерий — это логарифмический декремент δ. Это логарифм отношения амплитуд в двух последовательных периодах:

Связь между логарифмическим декрементом и относительным коэффициентом демпфирования следующая:

Еще одним случаем, когда эффект демпфирования играет ключевую роль, является возбуждение в конструкции гармонических колебаний на частоте, близкой к собственной частоте системы. При точном резонансе амплитуда колебаний будет стремиться к бесконечности, пока не будет учитываться демпфирование. Фактическая амплитуда в резонансе фактически определяется величиной такого демпфирования.

Частотный (резонансный) отклик системы с одной степенью свободы при различных относительных коэффициентах демпфирования.

В таких системах, как резонаторы, мы хотим добиться как можно большего усиления. С этим связан еще один критерий, описывающий демпфирование — добротность (Q-factor). Добротность можно определить как усиление в резонансе. Она связана с относительным коэффициентом демпфирования:

Другой формализм математического описания демпфирования построен на предположении о наличии некого фазового сдвига между приложенной силой и итоговым смещением, или, другими словами, между напряжением и деформацией. Обсуждение таких фазовых сдвигов целесообразно только в случае установившихся гармонических колебаний. Если построить график зависимости напряжения от деформации для полного периода, вы увидите эллипс — петлю гистерезиса.

Кривая нагружения.

В таком варианте можно представить свойства материала как комплекснозначные величины. Для одноосной линейной упругой деформации комплексное соотношение между напряжением и деформацией можно записать в виде

Действительная часть модуля Юнга в этом соотношении называется модулем накопления (storage modulus), а мнимая часть — модулем потерь (loss modulus). Модуль потерь обычно описывают через коэффициент гистерезисных потерь (loss factor) η, а именно:

В этом выражении E совпадает с модулем накопления E’. Можно встретить и другое определение, в котором за E обозначается отношение между амплитудой напряжения и амплитудой деформации, то есть

Это различие важно только при больших значениях коэффициента гистерезисных потерь. Эквивалентной метрикой является тангенс угла потерь, а именно

Угол потерь δ определяет фазовый сдвиг между напряжением и деформацией.

Демпфирование, заданное через коэффициент гистерезисных потерь, несколько отличается от случая вязкого демпфирования. Гистерезисные потери пропорциональны амплитуде смещений, а вязкое демпфирование пропорционально скорости. Таким образом, эти величины невозможно однозначно связать друг с другом.

На рисунке ниже сравнивается отклик системы с одной степенью свободы при использовании двух разных моделей демпфирования. Можно заметить, что модель вязкого демпфирования предсказывает более сильное затухание на частотах выше резонансной по сравнению с моделью через коэффициент гистерезисных потерь и более слабое затухание на частотах ниже резонансной.

Сравнение динамического отклика для модели вязкого демпфирования (сплошные линии) и для модели через коэффициент гистерезисных потерь (пунктирные линии).

Сравнение динамического отклика для модели вязкого демпфирования (сплошные линии) и для модели через коэффициент гистерезисных потерь (пунктирные линии) в системе с двумя степенями свободы.

Концепцию коэффициента гистерезисных потерь можно обобщить, определив его через энергию. Можно показать, что в вышеописанной модели материала энергия, рассеиваемая за один период, равна

где \varepsilon_a — амплитуда деформации.

Схожим образом, максимальная энергия упругой деформации за период равна

Коэффициент гистерезисных потерь тогда можно записать через энергетические величины:

Это определение через рассеянную энергию можно использовать, даже если петля гистерезиса не выглядит как идеальный эллипс; достаточно лишь иметь возможность определить две эти энергетических величины.

Источники демпфирования

Физических механизмов демпфирования огромное множество. Во всех естественных процессах энергия так или иначе рассеивается.

Внутренние потери в материале

Во всех реальных материалах энергия рассеивается при деформации. Можно считать это разновидностью внутреннего трения. Обратите внимание, что кривая нагружения для полного периода не укладывается на идеально прямую линию. Она больше похожа на вытянутый эллипс.

Обычно для описания демпфирования в материале применяется модель через коэффициент гистерезисных потерь, так как на опыте оказывается, что потери энергии за период слабо зависят от частоты и амплитуды. При этом математическое описание в модели коэффициента потерь основано на комплексных величинах, то есть подразумевает только случай гармонических колебаний. Поэтому эту модель демпфирования можно использовать только для исследований в частотной области.

Коэффициенты гистерезисных потерь в материале могут сильно различаться в зависимости от точного состава материала и источников данных, которыми вы пользуетесь. В таблице ниже приведены некоторые грубые оценки.

Коэффициенты потерь и схожие модели демпфирования используются, если физические механизмы затухания в материале неизвестны или не важны в контексте рассматриваемой задачи. В некоторых моделях материала, например, в вязкоупругих материалах, рассеивание энергии изначально заложено в математическую модель.

Трение в соединениях

Конструкции часто соединяются болтами или другими типами креплений. Если при колебаниях соединенные поверхности двигаются относительно друг друга, энергия рассеивается через трение. Если величина силы трения не меняется за период, потери энергии за период слабо зависят от частоты. В этом смысле трение схоже с внутренними потерями в материале.

Болтовые соединения широко распространены в задачах механики конструкций. Величина рассеиваемой в болтовых соединениях энергии может сильно зависеть от конструкции. Если важно снизить потери, болты должны плотно прилегать друг к другу и быть хорошо затянуты, чтобы уменьшить макроскопическое проскальзывание между поверхностями.

Излучение звука

Вибрирующая поверхность будет приводить в движение окружающий воздух (или другую среду) и испускать звуковые (акустические) волны. Эти волны уносят часть энергии, из-за чего конструкция теряет энергию.

Излучение звука преобразователем типа Tonpilz.

Анкерные потери

Часто небольшой компонент крепится к большой конструкции (основанию/подложке), которая не включается в расчетную модель. Когда деталь вибрирует, в несущей конструкции возникают упругие волны, также являющимися источником рассеяния энергии. В контексте микроэлектромеханических систем (МЭМС), этот эффект называют анкерные потери (anchor losses).

Термоупругое демпфирование

Даже если в процессе совершенно упругой деформаций энергия не рассеивается, деформация материала слегка изменяет его температуру. Локальное растяжение приводит к снижению температуры, а сжатие — к нагреву.

Это принципиально обратимый процесс, так что при снятии напряжения температура вернется к исходному значению. Однако часто в поле напряжения есть ненулевые градиенты, которым соответствуют градиенты распределения температуры. Они вызывают тепловые потоки от теплых областей к холодным. Когда по ходу цикла нагружения напряжение «убирают», распределение температуры уже отличается от того, что было при нагрузке. Поэтому локальный возврат к исходному состоянию невозможен. Это приводит к рассеиванию энергии.

Термоупругое демпфирование (thermoelastic damping) важно при исследовании высокочастотных колебаний на малых масштабах. Например, оно может значительно снизить добротность микроэлектромеханических резонаторов.

Демпферы и гасители

Иногда в конструкцию включают специализированные выделенные гасители колебаний, например, рессоры в подвеске колес.

Рессоры. Автор изображения — Avsar Aras, собственное произведение. Доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 на Викискладе.

Естественно, такие компоненты сильно влияют на суммарное демпфирование, по крайней мере, для некоторых мод колебаний.

Сейсмогасители

Особое внимание искуственному демпфированию колебаний уделяется при строительстве в сейсмоопасных районах. Чрезвычайно важно снизить амплитуду колебаний в зданиях при землетрясении. При этом гасители могут как изолировать здание от фундамента, так и рассеивать энергию.

Сейсмогасители в общественном здании. Изображение предоставлено Shustov — собственное произведение. Доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 на Викискладе.

Продолжение

Во второй части данной серии вы сможете найти информацию о том, как задавать демпфирование в COMSOL Multiphysics®.

Источник

Что такое демпфер. Объясняем простыми словами

Представьте, что вы производите уникальный и нужный всем продукт. Вы можете, как и аналогичные производители, поднять цену так, как вам будет выгодно. Но правительство вам говорит: «Нет, так не пойдёт. Давайте вы не будете поднимать цены, а мы вам за это заплатим?»

Примерно так работает в России демпфирующий механизм в нефтеперерабатывающей отрасли. Он сдерживает цены на бензин на российском рынке. В 2019 году правительство и нефтяники договорились: если за рубежом цены на бензин высокие, то из российского бюджета нефтяникам компенсируют сумму, которую они теряют, не поднимая цен в России.

А если цены на бензин в стране становятся выше экспортных, то тогда наоборот: нефтяные компании сами перечисляют деньги в бюджет.

Пример употребления на «Секрете»

«Благодаря работе демпфера наблюдающаяся волатильность оптовых цен на топливо не приведёт к опережающему росту розничных цен на АЗС и сохранит его в пределах инфляции».

(Замглавы Минэнерго Павел Сорокин — о ситуации на топливном рынке.)

Мнение

Российская экономика нуждается в демпфере на бензин, потому что снижения цен в этом секторе вообще не предполагается — так устроено налоговое законодательство, объясняет Forbes. Как в анекдоте, где глава «Роснефти» Игорь Сечин докладывает президенту Владимиру Путину: «Цены на нефть падают, Владимир Владимирович. Но есть и хорошие новости — цены на бензин удалось удержать».

Критика

У демпферного механизма есть серьёзный недостаток. По сути, россияне оплачивают поступления в бюджет, но не получают от ситуации на внешнем рынке совсем никакой выгоды. Отменить его быстро нельзя. Более того, при отмене демпфера велика опасность, что деньги могут не конвертироваться в снижение цен на заправках и «застрять» внутри нефтяных компаний.

В 2021 году в России заговорили не только о топливном демпфере, но и о зерновом. Он призван защитить россиян от подорожания цен на хлеб и будет работать аналогично нефтяному.

Источник

Демпфирующий материал что это

ГОСТ ИСО 10112-2002

Графическое представление комплексных модулей упругости

Damping materials. Graphical presentation of the complex modulus

Дата введения 2007-11-01

Цели, основные принципы и основной порядок проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены ГОСТ 1.0-92 «Межгосударственная система стандартизации. Основные положения» и ГОСТ 1.2-97 «Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Порядок разработки, принятия, применения, обновления и отмены»

Сведения о стандарте

1 ПОДГОТОВЛЕН Открытым акционерным обществом «Научно-исследовательский центр контроля и диагностики технических систем» на основе собственного аутентичного перевода стандарта, указанного в пункте 4

2 ВНЕСЕН Госстандартом России

3 ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол N 22 от 6 ноября 2002 г.)

За принятие проголосовали:

Краткое наименование страны по МК (ИСО 3166) 004-97

Сокращенное наименование национального органа по стандартизации

Госстандарт Республики Беларусь

Госстандарт Республики Казахстан

Настоящий стандарт идентичен ГОСТ Р ИСО 10112-99

5 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 24 апреля 2007 г. N 84-ст межгосударственный стандарт ГОСТ ИСО 10112-2002 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 ноября 2007 г.

Информация о введении в действие (прекращении действия) настоящего стандарта публикуется в указателе «Национальные стандарты».

Механические свойства большинства демпфирующих материалов зависят от частоты, температуры, а при больших деформациях и от амплитуды деформации. Поскольку настоящий стандарт распространяется только на линейные случаи, зависимость от амплитуды деформации в нем не рассматривается.

Основной задачей настоящего стандарта является улучшение взаимопонимания между специалистами различных отраслей техники, в которых используется понятие вибродемпфирующего материала.

1 Область применения

Настоящий стандарт устанавливает форму представления в графическом виде комплексного модуля упругости вязкоупругого вибродемпфирующего материала, обладающего свойствами однородности (на макроскопическом уровне), линейности и термореологической простоты (см. приложение А). Такими комплексными модулями упругости могут быть, например, модуль сдвига, модуль Юнга, модуль объемной упругости или постоянная Ламе. Графическое представление этих физических величин является общепринятым и в большинстве случаев позволяет получить достаточную информацию о свойствах вибродемпфирующих материалов.

В приложении А определены предпочтительные параметры и символы, используемые для представления комплексного модуля упругости.

2 Определения и обозначения

В настоящем стандарте используют следующие обозначения:

— комплексный модуль упругости;

— абсолютное значение комплексного модуля упругости;

— действительная часть комплексного модуля упругости;

— мнимая часть комплексного модуля упругости;

— функция температурного смещения;

— приведенная циклическая частота;

— приведенная угловая частота.

Пояснение терминов и обозначений, используемых в настоящем стандарте, дано в приложении А.

3 Контроль данных

В настоящем стандарте предполагается, что все экспериментальные данные, связанные с комплексным модулем упругости, получены в соответствии с хорошо зарекомендовавшими себя методами (см., например, [1]). Тем не менее, целесообразно осуществлять контроль достоверности данных. Для этого следует, по крайней мере, построить график зависимости от (см. в качестве примера рисунок 1). Если данные соответствуют термореологически простому материалу, получены в одном масштабе и в них не наблюдается значительного разброса, тогда эти данные на графике зависимости должны лежать на некоторой плавной кривой.

Каждая точка на этой кривой соответствует одному значению приведенной частоты [см. формулу (А.6)]. Однако сам график не предназначен для определения данной величины. Коэффициент потерь в материале и абсолютное значение комплексного модуля упругости связаны между собой параметрической зависимостью через приведенную частоту, которая (так же, как и частота, и температура) не присутствует на графике в явном виде. Ни в какой части разброс в данных на графике не может быть отнесен на счет функции температурного смещения.

График зависимости коэффициента потерь от комплексного модуля упругости, построенный в логарифмическом масштабе, помогает выявить ценную информацию о разбросе в экспериментальных данных. Этот разброс может быть охарактеризован шириной полосы, в которой лежат данные, а также выбросами отдельных точек относительно средней линии полосы. Насколько данный разброс допустим, зависит от конкретных приложений. По данному графику, однако, ничего нельзя узнать о точности измерений температуры и частоты, а также о наличии каких-либо систематических ошибок.

4 Функция температурного смещения

Данные о комплексном модуле упругости, если они получены во всем экспериментальном диапазоне температур и частот, определяют функцию температурного смещения (при условии, что эта функция единственная).

Рекомендуется, чтобы для всего экспериментального диапазона температур были построены графики трех величин, связанных с функцией температурного смещения, которые наиболее широко используются в практических приложениях (см. в качестве примера рисунок 2):

— самой функции температурного смещения ;

— ее углового коэффициента ;

— полной энергии активации [2].

Последнюю величину определяют по формуле

, (1)

5 Представление данных

5.1 График приведенной частоты

Источник