Współczynnik strat

Współczynnik strat (loss factor) jest parametrem opisującym zdolność materiału lub układu do rozpraszania energii podczas drgań. Określa, jaka część energii mechanicznej zostaje utracona w jednym cyklu drgań wskutek tłumienia.

Parametr ten odgrywa istotną rolę w analizie dynamicznej, analizie harmonicznej oraz modelowaniu tłumienia w metodzie elementów skończonych (MES).

Idea tłumienia energii

Każdy rzeczywisty układ mechaniczny traci energię podczas ruchu lub drgań. Energia ta rozpraszana jest między innymi poprzez:

• tarcie wewnętrzne materiału,
• lepkość,
• tarcie kontaktowe,
• straty histerezowe,
• opory powietrza.

W rezultacie amplituda drgań stopniowo maleje.

Definicja współczynnika strat

Współczynnik strat definiuje się jako stosunek:

• energii utraconej w jednym cyklu drgań,
• do maksymalnej energii zgromadzonej w układzie podczas tego cyklu.

Im większy współczynnik strat, tym większa zdolność układu do tłumienia drgań.

Straty histerezowe

W wielu materiałach energia tracona jest wskutek histerezy materiałowej.

Oznacza to, że podczas cyklicznego odkształcania:

• część energii sprężystej nie zostaje odzyskana,
• energia zamieniana jest na ciepło.

Zjawisko to jest szczególnie istotne dla:

• gum,
• elastomerów,
• materiałów polimerowych,
• materiałów tłumiących drgania.

Zespolony moduł sprężystości

W analizie harmonicznej tłumienie często opisuje się za pomocą zespolonego modułu sprężystości.

W takim modelu:

• część rzeczywista odpowiada sztywności materiału,
• część urojona odpowiada tłumieniu energii.

Współczynnik strat służy do określenia wielkości tej części urojonej.

Zależność od współczynnika tłumienia

Dla drgań harmonicznych współczynnik strat jest powiązany ze współczynnikiem tłumienia względnego.

W przybliżeniu:

η≈2ζ

gdzie:

• η — współczynnik strat,
• ζ — względny współczynnik tłumienia.

Wartości dla różnych materiałów

Materiały różnią się zdolnością do rozpraszania energii.

Niski współczynnik strat

Typowy dla:

• stali,
• aluminium,
• żeliwa.

Materiały te dobrze przenoszą drgania i mają niewielkie tłumienie wewnętrzne.

Wysoki współczynnik strat

Typowy dla:

• gumy,
• korka,
• elastomerów,
• materiałów tłumiących.

Przykładowo:

• korek: około 0,13–0,17,
• twarda guma: około 1,0.

Znaczenie praktyczne współczynnika strat

Materiały o wysokim współczynniku strat są często stosowane do:

• tłumienia drgań,
• izolacji wibracyjnej,
• redukcji hałasu,
• amortyzacji,
• ochrony konstrukcji przed rezonansami.

Dlatego elementy gumowe są powszechnie stosowane w:

• zawieszeniach,
• amortyzatorach,
• podporach maszyn,
• izolatorach drgań.

Współczynnik strat w MES

W metodzie elementów skończonych współczynnik strat wykorzystywany jest szczególnie w:

• analizie harmonicznej,
• analizie modalnej,
• analizach NVH,
• symulacjach drgań,
• modelowaniu materiałów tłumiących.

Pozwala on uwzględnić rzeczywiste rozpraszanie energii w układzie dynamicznym.