磁流变弹性体自调谐式吸振器及其优化控制

本文研制了一种基于磁流变弹性体的自调谐式吸振器,它利用磁流变弹性体这种新型智能材料作为吸振器的弹性元件和阻尼元件,通过外加磁场控制磁流变弹性体的剪切模量来改变吸振器的固有频率,实现吸振器的移频.并将遗传算法改进移植到吸振器,对其进行优化控制.实验结果表明,这种遗传算法具有全局搜索和快速收敛的特点,它能使吸振器快速找到吸振器减振效果最佳点,并且经过优化控制的磁流变弹性体自调谐式吸振器在移频范围内具有很好的减振效果,减振效果最高可达25dB.     

磁流变弹性体自调谐式吸振器及其优化控制

本文研制了一种基于磁流变弹性体的自调谐式吸振器，它利用磁流变弹性体这种新型智能材料作为吸振器的弹性元件和阻尼元件，通过外加磁场控制磁流变弹性体的剪切模量来改变吸振器的固有频率，实现吸振器的移频。并将遗传算法改进移植到吸振器，对其进行优化控制。实验结果表明，这种遗传算法具有全局搜索和快速收敛的特点，它能使吸振器快速找到吸振器减振效果最佳点，并且经过优化控制的磁流变弹性体自调谐式吸振器在移频范围内具有很好的减振效果，减振效果最高可达25dB。     

自适应主动共振吸振器的设计和减振性能研究

为了扩大吸振器的工作频带,减小吸振器的阻尼,最终提高吸振器的减振效果,本文设计了一种自适应主动共振吸振器。文中对几种不同种类吸振器的减振原理、动力学特性等进行了理论分析和比较,集成自调谐吸振器和主动吸振器的优点,完成了一种自适应主动共振吸振器的设计,并提出了一种变步长、双寻优的控制算法。在振动台上测试了吸振器的动力学特性并理论分析了吸振器的移频特性和阻尼特性。在两端固支梁上对吸振器的减振效果进行了实验评估。实验结果显示,相比自调谐吸振器,加入主动力控制后,自适应主动共振吸振器的阻尼比从0.04减小至0.02,减振效果得到了显著的提高。     

接地式三要素型动力吸振器性能分析

利用固定点理论优化接地类型的动力吸振器得到的结果可能不是全局最优参数,在选择其他参数时主系统可以获得更小的振幅,接地类型动力吸振器的优化问题值得进一步研究.因此,以一种接地式三要素型动力吸振器为对象,通过研究系统参数变化对固定点位置与主系统最大振幅的影响,得到了此吸振器的局部最优参数并分析了它的性能.首先建立了此系统模型的运动微分方程,得到了主系统振幅放大因子,发现系统存在3个与阻尼无关的固定点.固定点中幅值较大点随系统参数变化的趋势可以代表最大振幅随系统参数变化的趋势,因此利用盛金公式得到了固定点幅值的表达式.为了更加精确,进一步使用数值算法得到了最大振幅与系统参数的关系图,发现系统中存在局部最优参数.通过对比接地式吸振器与接地三要素型吸振器的最大振幅随系统参数变化的趋势,得到了接地式三要素型吸振器的局部最优参数,并发现当固有频率比小于局部最优频率比时,接地式三要素型吸振器模型主系统的最大振幅要远小于接地式动力吸振器模型.     

接地式三要素型动力吸振器性能分析

利用固定点理论优化接地类型的动力吸振器得到的结果可能不是全局最优参数,在选择其他参数时主系统可以获得更小的振幅, 接地类型动力吸振器的优化问题值得进一步研究. 因此,以一种接地式三要素型动力吸振器为对象,通过研究系统参数变化对固 定点位置与主系统最大振幅的影响,得到了此吸振器的局部最优参数并分析了它的性能. 首先建立了此系统模型的运动微分方程, 得到了主系统振幅放大因子,发现系统存在3个与阻尼无关的固定点. 固定点中幅值较大点随系统参数变化的趋势可以代表最大振 幅随系统参数变化的趋势,因此利用盛金公式得到了固定点幅值的表达式. 为了更加精确,进一步使用数值算法得到了最大振幅与 系统参数的关系图,发现系统中存在局部最优参数. 通过对比接地式吸振器与接地三要素型吸振器的最大振幅随系统参数变化的趋 势,得到了接地式三要素型吸振器的局部最优参数,并发现当固有频率比小于局部最优频率比时,接地式三要素型吸振器模型主系 统的最大振幅要远小于接地式动力吸振器模型.      

薄膜约束磁流变弹性体梁式吸振器调谐能力研究

工业中常使用动力吸振器来吸收主结构的振动.但其仅在很窄的频域才有效的不足制约了吸振器的应用.本文基于可控磁场作用能改变磁流变弹性体(MRE)的剪切模量这一独特之处,调查了带薄膜约束的MRE梁式调谐吸振器的频率可调能力.应用Rayleigh-Ritz法分析了梁的可调谐比s.研究表明,对薄的MRE,增加MRE厚度h2可显著提高可调谐比s,对不同模态和长度,可调谐比s稍有不同.如果MRE非常厚,则各阶模态频率的调谐比几乎相同.当MRE的剪切模量在磁场作用下提高60%时,可调谐比可达26.3%,但当MRE较薄时,也能获得满意的调谐比.此外,MRE梁式吸振器有可能实现对作用在主结构上的任意激励频率调谐.     

一种含放大机构的负刚度动力吸振器的参数优化

在大多数情况下机械振动是有害的,它不仅产生噪声还会降低设备的工作精度和使用寿命.采用正刚度特性的吸振、隔振系统往往难以达到满意效果,这种情况在低频振动控制系统中尤其明显.放大机构与负刚度元件在振动控制领域均表现出良好性能,但是较少有对同时含有放大机构与负刚度装置的动力吸振系统的研究.以Voigt型动力吸振器为基础提出了一种将放大机构应用于含负刚度弹簧元件的动力吸振器模型,对该模型的最优参数进行了研究.首先建立了系统的运动微分方程并得到了其解析解,发现该系统存在两个固定点,利用固定点理论得到了动力吸振器的最优频率比.根据负刚度的特性,在保证系统稳定的前提下得到了最优负刚度比,并推导了系统的近似最优阻尼比.通过数值仿真验证了解析解的正确性.与多种动力吸振器在简谐激励与随机激励下进行了对比,说明了本文模型相比于已有的动力吸振器,能够大幅降低共振振幅、拓宽减振频带并且降低系统的谐振频率,为设计新型动力吸振器模型提供了理论依据.      

主动移频式动力吸振器及其动力特性的研究

动力吸振器是振动控制中比较有效的减振装置,只要吸振器(子系统)的振动固有频率与振动物体(主系统)的振动频率相同,即可有效地消除主系统的振动。但传统动力吸振器的控制频率带宽较窄,限制了其稳定性和减振效果的提高。本文通过独特的机械设计,研制了一种可以通过调节自身的几何参数,使得其固有频率随几何参数线性变化的主动移频的新型动力吸振器,并初步设定了相应的控制方法。文中还对其动力学特性进行了理论分析和实验测试,分析了它的机理,评估了它的实际减振效果。研究结果表明该吸振器可以大范围调节自身固有频率,有效拓宽吸振频带,具有良好的减振性能和稳定性。     

一种含放大机构的负刚度动力吸振器的参数优化

在大多数情况下机械振动是有害的,它不仅产生噪声还会降低设备的工作精度和使用寿命.采用正刚度特性的吸振、隔振系统往往难以达到满意效果,这种情况在低频振动控制系统中尤其明显.放大机构与负刚度元件在振动控制领域均表现出良好性能,但是较少有对同时含有放大机构与负刚度装置的动力吸振系统的研究.以Voigt型动力吸振器为基础提出了一种将放大机构应用于含负刚度弹簧元件的动力吸振器模型,对该模型的最优参数进行了研究.首先建立了系统的运动微分方程并得到了其解析解,发现该系统存在两个固定点,利用固定点理论得到了动力吸振器的最优频率比.根据负刚度的特性,在保证系统稳定的前提下得到了最优负刚度比,并推导了系统的近似最优阻尼比.通过数值仿真验证了解析解的正确性.与多种动力吸振器在简谐激励与随机激励下进行了对比,说明了本文模型相比于已有的动力吸振器,能够大幅降低共振振幅、拓宽减振频带并且降低系统的谐振频率,为设计新型动力吸振器模型提供了理论依据.     

非线性碟簧动力吸振器的宽带数值优化设计及其应用

提出了非线性碟簧动力吸振器的宽带数值优化设计,推广了前人在非线性动力吸振器领域的研究．首先提出了计算耦合非线性动力吸振器的主系统的稳态响应的平均法,然后采用数值优化法详细的研究了非线性动力吸振器的宽带优化设计,系统讨论了质量比、主系统阻尼比、吸振器阻尼比、系统频率比、激励频率比、位移比、吸振器刚度非线性系数和吸振器阻尼非线性系数与抑振带宽的关系;最后考虑了非线性动力吸振器的应用实例,指出非线性动力吸振器可以显著拓宽抑振频带．     

不同类型水平弹簧组合刚度非线性吸振器的性能分析及稳定性研究

动力吸振器作为一种振动控制单元被广泛运用于各种工程场合,但传统的线性吸振器只能实现窄带振动控制.文章在线性吸振器的基础上引入对称水平弹簧构建线性刚度与非线性刚度相结合的组合刚度非线性吸振器,以提升吸振器的吸振性能.考虑实际工程中可能的安装方式,分别建立水平弹簧接地安装和不接地安装的组合刚度非线性吸振器模型,利用谐波平衡法结合弧长延拓法解析求解动力学响应,并与数值结果相互验证,证明了求解结果的准确性.随后分析比较两种组合刚度非线性吸振器与线性吸振器以及非线性能量阱之间的吸振性能,发现水平弹簧接地安装类型的组合刚度非线性吸振器在保留线性吸振器优势的同时又改善其吸振频带窄的缺点,且与非线性能量阱相比在主共振频率附近的较宽频内吸振性能更优.在此基础上,讨论了水平弹簧参数以及吸振器阻尼对主结构振动幅频响应和稳定性的影响,最后观察分析主结构幅频响应曲线不稳定区内的复杂动力学行为.研究结果表明合适的设计参数能够使得主结构振动峰值较低的同时,频响曲线不稳定运动区域的范围也较小.     

风力机叶片非线性挥舞分析

将风力机叶片简化为绕轮毂旋转的变截面Euler-Bernoulli悬臂梁,基于Greenberg公式给出非线性气动力,建立叶片挥舞振动非线性控制方程.由于变截面梁的弯曲刚度和线密度是沿梁轴线变化的函数,无法给出模态函数解析式,论文提出使用假设模态法计算的模态函数,作为基函数对控制方程进行Galerkin截断,通过将挥舞振动分解为静态位移和动态扰动合成,对其进行动态响应分析,同时讨论了叶轮转速、风速和旋转位置对振动特性的影响.研究表明:(1)叶轮转速对叶片挥舞特性影响显著,风速和叶片转角对振动特性影响很小.(2)静态位移随风速增加而增大,大体上成线性关系,气动阻尼随风速增加而减小.(3)风速较低时,非线性挥舞振动表现为衰减振动,随着风速增加,振动由衰减振动演化为周期运动,再由周期运动演化为拟周期运动.     

Vibration absorbers for a rotating flexible structure with cyclic symmetry: nonlinear path design

This paper analytically investigates the nonlinear dynamics of order-tuned vibration absorbers applied to cyclic rotating flexible structures under traveling wave (TW) engine-order excitation. The primary cyclic structure is assumed to be governed by linear vibrations and the nonlinear absorber response arises from large amplitude kinematic effects. These dynamics are captured by a lumped-parameter model that consists of N blades with one blade mode and one absorber per blade, which are arranged with cyclic symmetry on a rotating disk. The governing equations of motion are formulated for arbitrary absorber paths to allow investigation of the absorber path design for nonlinear response. This paper extends previous work by the authors, which considered the linearized blade and absorber dynamics of a similar system. Several intriguing features of the dynamics were uncovered, most notably the existence of an absorber tuning range that avoids resonance at any rotation speed. Of particular interest is the existence and stability of the steady-state TW response to TW excitation, as experienced in turbomachinery, and how these are affected by selection of the absorber paths, which fix the linear and nonlinear tuning characteristics. It is shown that the TW response, which is unique for the linearized system, also exists for the weakly nonlinear model and can be captured by an equivalent two degree of freedom model obtained using the symmetry of the excitation and system response. The forced response exhibits the usual characteristics of a weakly nonlinear system, specifically, bistability and the attendant hysteresis near resonance. More significantly, it does not experience any additional instabilities associated with the symmetry. That is, the desired TW response is robust to nonlinear effects in the absorber, which allows use of the simple equivalent model for selection of absorber tuning parameters. For good performance and robustness, the linear absorber tuning should be in the “no-resonance zone” described by the linear theory and the absorber paths should have a slightly softening nonlinear characteristic.     

DYNAMIC CHARACTERISTICS OF LAG VIBRATION OF A WIND TURBINE BLADE

Lagwise dynamic characteristics of a wind turbine blade subjected to unsteady aero- dynamic loads are studied in this paper. The partial differential equations governing the coupled longitudinal-transverse vibration of the blade with large bending deflection are obtained by ap- plying Hamilton＇s principle. The modal problem of the coupled vibration is handled by using the method of numerical integration of Green＇s function. Influences of the rotating speed, the pitch angle, the setting angle, and the aerodynamic loads on natural frequencies are discussed. Results show that： （I） Lagwise natural frequencies ascend with the increase of rotating speed; effects of the rotating speed on low-frequencies are dramatic while these effects on high-frequencies become less. （2） Influences of the pitch angle on natural frequencies are little; in the range of the normal rotating speed, the first frequency ascends with the increase of the absolute value of the pitch angle, while it is contrary to the second and third frequencies. （3） Effects of the setting angle on natural frequencies depend on the rotating speed; influences are not significant at low speed, while they are dramatic on the first frequency at high speed. （4） Effects of the aerodynamic loads on natural frequencies are very little; frequencies derived from the model considering aerodynamic loads are smaller than those from the model neglecting aerodynamic loads; relative errors of the results corresponding to two models ascend with the increase of the absolute value of the setting angle.     

Numerical and experimental studies on the hydrodynamic damping of a zero-thrust propeller

Fluid added mass and damping are significant parameters when predicting the dynamic response of a submerged structure. The hydrodynamic damping of underwater rotating machinery is numerically and experimentally investigated by a zero-thrust propeller in this paper. The lifting surface method(LSM) combined with forced vibration was introduced as the numerical method to compute the corresponding unsteady thrust, while the experimental method of measuring added damping was accomplished by a propeller undergoing rotation combined heave motion. Results of the theoretical method are in good agreement with the experimental results before cavitation occurs, as cavitation is regarded to weaken the unsteady response of the propeller partly. The calculation results also show that both the frequency ratio(vibration frequency divided by rotation frequency) and the blade angle have a significant influence on the hydrodynamic damping. Therefore, the effect of blade angle on hydrodynamic damping should be considered during the design phase.     

含机械调频式动力吸振器的准零刚度隔振系统隔振性能分析

基于动力吸振器原理,在单自由度准零刚度隔振器基础上耦合可调频动力吸振器构成两自由度隔振系统。首先,对动力吸振器工作原理进行理论分析并提出其力学模型;其次,通过静力学分析,推导出系统满足零刚度条件时,各参数间的关系并分析其对系统刚度特性的影响;然后,建立两自由度隔振系统非线性动力学方程,利用谐波平衡法进行幅频响应解析分析,得到力传递率表达式;最后,数值分析动力吸振器阻尼、刚度、质量、激励力幅值和弹簧片有效长度对力传递率的影响规律,并与单自由度准零刚度隔振系统及两自由度线性隔振系统对比分析。结果表明：通过选择适当的动力吸振器参数不仅可以减小系统的起始隔振频率,增宽隔振频带,且还能加快系统力传递率在特定频段内的衰减速率,改善系统的低频隔振性能,实现激励频率的可适应性。     

一种含惯容和接地刚度的动力吸振器参数优化

大多数机械振动属于有害振动, 不仅会产生噪声还会降低设备的使用寿命和工作性能. 接地刚度和惯容这两种器件均能改变系统的固有频率, 在振动控制领域中有着良好的效果. 但目前的大部分研究仅着眼于单一元件对系统产生的影响, 而此类吸振器逐渐难以满足设备对振动控制需求的增长. 在Voigt型动力吸振器模型的基础上, 提出了一种含有惯容和接地刚度的新型动力吸振器模型, 详细研究了该模型的最优设计参数, 推导出最优设计公式的解析解. 首先通过牛顿第二定律建立起二自由度系统的运动微分方程, 计算出系统解析解, 发现系统存在3个与阻尼比无关的固定点, 利用固定点理论得到了动力吸振器的最优频率比. 为保证系统稳定性, 筛选最优接地刚度比时, 发现不恰当的惯容系数会导致系统产生失稳现象, 进而推导出惯容最佳工作范围, 最终得到了最优接地刚度比和近似最优阻尼比. 分析了惯容系数取值在最佳范围以外时系统的工作情况, 并给出了实际应用中的建议. 通过数值仿真验证了推导得到解析解的正确性. 与多种已有的动力吸振器在简谐激励和随机激励的工况下进行对比, 说明了该模型能够大幅降低主系统振幅, 拓宽减振频带, 为设计新型吸振器提供了理论依据.      

双通道旋转输流管临界流速和振动模态分析

旋转叶片是航空发动机重要零件之一,服役条件十分恶劣,常常因振动过量导致其失效.为了合理设计含冷却通道的叶片,保证其可靠性与安全性,需对含冷却通道的叶片的振动特性进行研究.基于EulerBernoulli梁理论,将叶片简化为含两通道的悬臂旋转输流管,考虑了通道轴线偏移量对流体动能的影响,采用Lagrange原理结合假设模态法建立包含双陀螺效应的运动控制方程,采用降阶扩维的方法求解系统特征值.研究两通道模型的流速比、转速和长细比等对前3阶特征根曲线影响.将文章模型退化为简支单通道输流管,与文献报道结果进行对比,部分验证建模方法的正确性.研究发现:在相同的管道截面积下,两通道模型的临界流速值大于单通道模型的;旋转运动引入的陀螺效应会使得第2, 3阶特征根轨迹发生绕圈现象,并多次穿越虚轴;随着长细比的增大,系统会表现出类似非旋转的悬臂输流管的动力学行为;系统的横向位移模态响应呈现出行波特性,且在不同参数组合下,阻尼因子对前3阶模态产生不同的增强或减弱作用.     

Vibration control of nonlinear Absorber–Isolator-Combined structure with time-delayed coupling

A nonlinear combined structure consisted of isolator and absorber with time-delayed coupling active control is proposed in this study, whose vibration suppression effectiveness and control mechanism are investigated. The mathematical model of the combined structure is obtained and stability analysis for different structural parameters and time delay are firstly carried out, which provides a general guideline for the ranges of active control parameters. Then the combined effect of nonlinearity and time delay on vibration suppression and energy transfer is discussed in details based on the analysis of control mechanism by the method of multiple scales. Since the time-delayed nonlinear absorber can induce internal resonance between different modes, the vibration energy at low frequencies can be transferred to high frequency mode and the vibration of the fundamental frequency range is thus suppressed. This paper provides a novel application of internal resonance in vibration suppression of an Absorber–Isolator-Combined structure.