Indenter–Foam Dampers Inspired by Cartilage: Dynamic Mechanical Analyses and Design
Indenter–Foam Dampers Inspired by Cartilage: Dynamic Mechanical Analyses and Design
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Indenter——受软骨启发的泡沫阻尼器：动态机械分析和设计
DOI：
10.1115/1.4047418
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发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Eriten, Melih
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Han, Guebum;Boz, Utku;Liu, Lejie;Henak, Corinne R.;Eriten, Melih
关节软骨是一层薄的固体基质，被液体溶胀，它通过多孔粘弹性阻尼保护关节免受损伤。我们前期的实验和仿真研究表明，类软骨多孔粘弹性阻尼可以在低频范围内（<100 Hz）拓宽阻尼方法的应用范围。因此，目前的研究旨在实现软骨样阻尼能力的单压头和双压头泡沫多孔粘弹性阻尼器在低频范围内。将不同孔径的泡沫板和不同半径的压头组合，设计了多个单压头泡沫阻尼器。在0.5-100 Hz的频率范围内，通过动态力学分析研究了它们的阻尼能力。单压头泡沫阻尼器提供的峰值阻尼频率取决于泡沫的孔径和特征扩散长度（接触半径）。这些阻尼器在所需频率下使阻尼能力最大化（窄带性能）。结合简单的比例律的力学模型，孔隙弹性的峰值阻尼频率相当好。最后，单压头泡沫阻尼器的组合进行了优化，以获得一个双压头泡沫阻尼器，提供几乎率无关的阻尼能力在0.5-100赫兹（宽带性能）。这些研究结果表明，软骨状多孔粘弹性阻尼器可以是一种有效的被动阻尼窄带和宽带应用的手段。
Articular cartilage is a thin layer of a solid matrix swollen by fluid, and it protects joints from damage via poroviscoelastic damping. Our previous experimental and simulation studies showed that cartilage-like poroviscoelastic damping could widen the range of damping methods in a low-frequency range (<100 Hz). Thus, the current study aimed to realize cartilage-like damping capacity by single- and two-indenter–foam poroviscoelastic dampers in a low-frequency range. Multiple single-indenter–foam dampers were designed by combining foam sheets with different pore diameters and indenters with different radii. Their damping capacity was investigated by dynamic mechanical analysis in a frequency range of 0.5–100 Hz. Single-indenter–foam dampers delivered peak damping frequencies that depended on the foam’s pore diameter and characteristic diffusion length (contact radii). Those dampers maximize the damping capacity at the desired frequency (narrowband performance). A mechanical model combined with simple scaling laws was shown to relate poroelasticity to the peak damping frequencies reasonably well. Finally, combinations of single-indenter–foam dampers were optimized to obtain a two-indenter–foam damper that delivered nearly rate-independent damping capacity within 0.5–100 Hz (broadband performance). These findings suggested that cartilage-like poroviscoelastic dampers can be an effective mean of passive damping for narrowband and broadband applications.
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