吸 振 器 发 展 、 原 理 及 应 用 机电学院 机械设计制造及其自动化 机电121 朱强 20120334121
绪论 自从人类诞生以来，就不断地在改造着世界。尤其是进入20世纪以来，世界发生了 翻天覆地的变化：科学技术突飞猛进，社会生产力极大提高，经济规模空前扩大，物质 极大丰富。然而，与此同时，人类与自然的关系也在急剧的变化，资源面临枯竭，污染 日益严重，震惊世界的公害事件频频发生……环境问题已经成为了政府、社会关注的焦点，它将通过法律法规、国际公约、公众环保意识以及经济规律影响企业行为，影响社 会经济的变革与发展。因此正确处理环境、经济和技术之间的关系，已经成为决定未来 企业竞争能力的关键因素。 机电产品绿色设计包括振动工程，而振动控制是振动工程的一个重要科学分支。广义 来说，振动控制包含诱发振动和控制振动两个范畴。 振动控制的措施大致分为五种：1.消振或减弱振源 2.隔震 3.动力吸振 4.阻尼减振 5.结构修改。在结构振动控制中，动力吸振器的研究和应用已得到了不断的发展。动力 吸振器是建立在反共振原理基础上的，提摩盛科早在1928年就解决了正弦激励下动力 吸振器的设计问题。80年代，国内曾利用动力吸振器成功排除了某改型飞机尾舵的扰 流振故障。研究动力吸振器模拟问题，归根到底是一个数学优化问题和机械仿真问题。一、发展背景 动力吸振器自1911年问世以来,在实践中得到了广泛的应用。它通过在需要减振的结构(称为主系统)上附加子结构,改变系统的振动能量的分布和传递特性,使振动能量转移到附加的子结构上,从而达到控制主系统振动的目的。传统的动力吸振器多属被动控制,它对于主系统的窄带响应有着良好的吸振效果,但由于其吸振带宽不可调节,对于宽频激励引起的主系统的振动,吸振效果不是很理想。 近年来,对于主动吸振器的大量研究表明,主动吸振器可以根据主系统的振动状态,自动调节自身的结构参数或振动状态,实现宽频吸振,提高了吸振器减振效果,大大拓宽了吸振器的应用范围。根据吸振器自动调节机理的不同,主动吸振器可分为全主动式吸振器和半主动式吸振器。全主动式吸振器是根据主系统的振动状态反馈调节吸振器的振动状态,使其对主
第 22卷第 324期 2007年 8月 实验力学 J OU RNAL OF EXPERIM EN TAL M ECHANICS Vol. 22No. 324 Aug. 2007 文章编号 :100124888(2007 03&0420429206 磁流变弹性体自调谐式吸振器及其优化控制 3 王莲花 , 龚兴龙 , 邓华夏 , 倪正超 , 孔庆合 (中国科学技术大学力学和机械工程系 , 中国科学院材料力学行为与设计重点实验室 , 安徽合肥 230027 摘要 :本文研制了一种基于磁流变弹性体的自调谐式吸振器 , 能材料作为吸振器的弹性元件和阻尼元件 , 吸振器的固有频率 , 实现吸振器的移频。 , 。实验结果表明 , 减振效果最佳点 , 减振效果 , 减振效果最高可达 关键词 :; ; :A 0引言 动力吸振器自 1911年问世以来 [1], 在实践中得到了广泛的应用。它通过在需要减振的结构 (称为主系统上附加子结构 , 改变系统的振动能量的分布和传递特性 , 使振动能量转移到附加的子结构上 , 从而达到控制主系统振动的目的。传
统的动力吸振器多属被动控制 , 它对于主系统的窄带响应有着良好的吸振效果 , 但由于其吸振带宽不可调节 , 对于宽频激励引起的主系统的振动 , 吸振效果不是很理想。近年来 , 对于主动吸振器的大量研究表明 , 主动吸振器可以根据主系统的振动状态 , 自动调节自身的结构参数或振动状态 , 实现宽频吸振 , 提高了吸振器减振效果 , 大大拓宽了吸振器的应用范围。根据吸振器自动调节机理的不同 , 主动吸振器可分为全主动式吸振器和半主动式吸振器。全主动式吸振器是根据主系统的振动状态反馈调节吸振器的振动状态 , 使其对主系统的动态作用力与主系统的振动加速度反相 , 从而实现主系统实时宽频振动控制。 Tewanim 等人首先将主动振动控制技术与动力吸振器结合起来 , 提出了主动动力吸振器 [2]。很多研究都表明全主动式吸振器对宽频振动确实可起到很好的控制作用 [3~6], 但它也不可避免地存在耗能大、系统易出现不稳定等问题。半主动式吸振器则融合了被动吸振器和全主动式吸振器的优点 , 它通过调整动力吸振器的结构参数 , 使之跟踪主系统的外界干扰频率 , 最大限度地抑制主系统的振动 , 其结构相对简单 , 耗能低 , 且能实现宽频吸振。目前半主动式吸振器多为刚度连续可调结构 , 如机械式 [7]、电液式 [8]、电磁式 [9]等 , 而将新材料如压电 [10]、记忆合金 [11]和磁流变弹性体 [12]等用于半主动式吸振器的设计也成为当今研究的热点。 本文在前期工作的基础上 , 以磁流变弹性体作为智能变刚度单元 , 改进设计了一种自调谐式吸振器 (A TVA , 将遗传算法改进移植到吸振器上 , 对其减振性能进行优化控制。 1磁流变弹性体自调谐式吸振器 1. 1吸振器的工作原理 图 1是磁流变弹性体自调谐式吸振器的结构示意图 , 图 2是其实物图。图中 1
第３６卷第１期２０１９年１月机 电 工 程ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｌ.３６Ｎｏ.１Ｊａｎ.２０１９ 收稿日期:２０１８－０４－２８ 基金项目:国家重点基础研究发展计划(２０１２ＣＢ０２６０００) 作者简介:丁继超(１９９４－)，男，浙江嘉兴人，硕士研究生，主要从事旋转机械动力学及管道振动控制方面的研究三Ｅ-ｍａｉｌ:ｄｉｎｇｊｉｃｈａｏ１６３＠１６３.ｃｏｍ通信联系人:何立东，男，教授，博士生导师三Ｅ-ｍａｉｌ:１９６３ｈｅ＠１６３.ｃｏｍ.ＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００１－４５５１.２０１９.０１.００３ 多重动力吸振器控制单跨转子振动实验研究 ?丁继超，何立东?，冀沛尧，陈 钊 (北京化工大学北京市高端装备健康与自愈化重点实验室，北京１０００２９)摘要:针对大型旋转机械中存在的转子振动问题，对转子的过临界振动和常见故障进行了减振研究，特别是利用动力吸振器对转子系统减振原理和减振效果进行了研究三设计了多重半主动动力吸振器，并搭建了单跨实验台，利用仿真软件验证了实验台参数的合理性；设计了具有四重固有频率的四重动力吸振器，进行了转子系统临界振动控制实验和通过开关控制抑制转子的一阶临界振动实验；进行了多重动力吸振器和双重动力吸振器的对比实验三研究结果表明:开关控制的动力吸振器能将转子全程的振动控制在一个较小的范围内，解决了新的共振峰问题，并能有效拓宽有限减振频带；四重动力吸振器的减振效果比双重动力吸振器高出４％以上，同时在其整个工作频带中都可以对转子振动进行有效控制三关键词:多重动力吸振器；转子系统；半主动控制 中图分类号:ＴＨ１１３.１ 文献标志码:Ａ文章编号:１００１－４５５１(２０１９)０１－００１３－０５ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｓｉｎｇｌｅ-ｓｐａｎｒｏｔｏｒｕｓｉｎｇｍｕｌｔｉｐｌｅｄｙｎａｍｉｃｖｉｂｒａｔｉｏｎａｂｓｏｒｂｅｒｓ ＤＩＮＧＪｉ-ｃｈａｏ，ＨＥＬｉ-ｄｏｎｇ，ＪＩＰｅｉ-ｙａｏ，ＣＨＥＮＺｈａｏ(ＢｅｉｊｉｎｇＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＨｅａｌｔｈＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄＳｅｌｆ-ｒｅｃｏｖｅｒｙｆｏｒＨｉｇｈｅｎｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２９，Ｃｈｉｎａ) Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｒｏｔｏｒｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｎｌａｒｇｅ-ｓｃａｌｅｒｏｔａｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｒｙ，ｔｈｅｃｒｉｔｉｃａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｏｔｏｒａｎｄｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｄａｍｐｉｎｇｏｆｃｏｍｍｏｎｒｏｔｏｒｆａｕｌｔｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｔｈｅｕｓｅｏｆｄｙｎａｍｉｃｖｉｂｒａｔｉｏｎａｂｓｏｒｂｅｒｓｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｄａｍｐｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｄａｍｐｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｒｏｔｏｒｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ.Ｍｕｌｔｉｐｌｅｓｅｍｉ-ａｃｔｉｖｅｄｙｎａｍｉｃｖｉｂｒａｔｉｏｎａｂｓｏｒｂｅｒｓｗｅｒｅｂｕｉｌｔ，ａｎｄａｓｉｎｇｌｅ-ｓｐａｎｔｅｓｔｂｅｎｃｈｗａｓｂｕｉｌｔ.Ｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｂｅｎｃｈｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗａｓｓｅｖｅｒｅｄｂｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅ，ａｆｏｕｒ-ｆｏｌｄｄｙｎａｍｉｃｖｉｂｒａｔｉｏｎａｂｓｏｒｂｅｒｗｉｔｈｆｏｕｒｎａｔ-ｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄｔｈｅｃｒｉｔｉｃａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｔｈｅｒｏｔｏｒｓｙｓｔｅｍｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄ.Ａｆｉｒｓｔ-ｏｒｄｅｒｃｒｉｔｉｃａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｆｏｒｓｕｐｐｒｅｓｓｉｎｇｔｈｅｒｏｔｏｒｂｙｓｗｉｔｃｈｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄ，ａｎｄａｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｆｏｒａｍｕｌｔｉｐｌｅｄｙｎａｍｉｃｖｉｂｒａｔｉｏｎａｂ-ｓｏｒｂｅｒａｎｄａｄｕａｌｄｙｎａｍｉｃｖｉｂｒａｔｉｏｎａｂｓｏｒｂｅｒｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ.Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｗｉｔｃｈ-ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｄｙｎａｍｉｃｖｉｂｒａｔｉｏｎａｂｓｏｒｂｅｒ ｃａｎｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｒｏｔｏｒｉｎａｓｍａｌｌｅｒｒａｎｇｅ，ｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｎｅｗｆｏｒｍａｎｔａｎｄｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｂｒｏａｄｅｎｔｈｅｌｉｍｉｔｅｄｖｉｂｒａ-ｔｉｏｎａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｂａｎｄ，ａｎｄｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｒｅｄｕｃｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｑｕａｄｒｕｐｌｅｄｙｎａｍｉｃｖｉｂｒａｔｉｏｎａｂｓｏｒｂｅｒｉｓｍｏｒｅｔｈａｎ４％ｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｄｏｕｂｌｅｄｙ-ｎａｍｉｃｖｉｂｒａｔｉｏｎａｂｓｏｒｂｅｒｓ.Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｒｏｔｏｒｖｉｂｒａｔｉｏｎｃａｎｂｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｉｎｉｔｓｅｎｔｉｒｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙｂａｎｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｍｕｌｔｉｐｌｅｄｙｎａｍｉｃｖｉｂｒａｔｉｏｎａｂｓｏｒｂｅｒ；ｒｏｔｏｒｓｙｓｔｅｍ；ｓｅｍｉ-ａｃｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌ万方数据
宽带动力吸振器优化设计 某炮舱在特定工况下壁板振动比较剧烈，需要采取有效措施抑制壁板振动。文章根据炮舱前两阶固有频率设计宽带动力吸振器，综合利用MATLAB和NASTRAN编制优化程序，提出了一种设计动力吸振器的新方法。计算炮舱安装吸振器前后的振动特性和频率响应特性。结果显示，综合优化后吸振器能够有效降低炮舱壁板的振动，说明这种优化方法是可行的。 标签：动力吸振器；参数优化；动力学设计 引言 振动工程实际中经常采用动力吸振的方法来抑制结构振动。根据结构动力学原理，某结构受到简谐激励的频率接近其的固有频率时便会发生共振。若此时在这个结构上附加动力吸振器，合理优化动力吸振器的结构参数，便可以吸收主结构的能量，达到动力吸振的效果。 目前，动力学优化的商业软件有iSIGHT和HyperWorks等。这些软件功能强大，对尺寸优化和材料优化等通用性的优化可以很好的完成。但是，动力吸振器的优化设计有其自身的特殊性，这些软件并不能完全适应这种情况。 以梁式动力吸振器为例，通用商业软件只能优化材料的密度、厚度或者针对几何体的边缘进行小范围的形貌优化；本文综合运用MATLAB计算软件和NASTRAN有限元软件，设计了一种优化程序。将优化变量设置为质量块的质量、梁的长度和厚度。同时，本文给出了这种优化方法的基本原理和可行性。 1 优化的基本思想 利用MATLAB可以调用外部程序的特点和其数据处理能力，对具有不同几何参数和物理参数的结构进行分析。具体步骤如下： （1）在Patran中建立舱体和吸振器的初始模型，提交Nastran分析，得到初始的bdf文件；（2）使用MATLAB修改初始BDF文件，从而改变相应的几何参数和物理参数；（3）用Nastran调用bdf文件进行动力学分析得到结果文件；（4）使用MATLAB编制程序提取出相关数据作为目标函数和约束。以上四个步骤依次迭代，直到满足优化条件为止。 2 优化算法的实现 2.1 确定优化变量 确定优化变量为吸振器的厚度t1、t2和吸振器上附加质量m1、m2。如图1，beam01的厚度为t1，beam02的厚度为t2，mass01的质量为m1，mass02的质量