主动约束层阻尼振动控制研究进展

主动约束层阻尼(Active Constrained Layer Damping, ACLD)是以可控的压电材料代替被动约束层中不可控的约束层,通过可控的约束层主动地控制黏弹性材料的剪切变形以进一步增大其对振动能量耗散的主动阻尼形式,它充分结合了主动控制与被动阻尼作用各自的优势,使得其在结构振动控制方面显示出极好的应用价值.本文首先解释了ACLD的基本结构和阻尼机理,然后综述了最近几年有关ACLD在结构建模,控制方案及结构优化等方面的最新研究进展,最后指出了应用前景并总结了进一步研究的问题.      

主动约束层阻尼结构的数值分析方法

采用板的一阶剪切理论（ＦＯＳＴ），利用Ｈａｍｉｌｔｏｎ原理推导了分布式主动约束层阻尼结构的有限元控制方程。作为算例，应用模态应变能（ＭＳＥ）方法研究了一边固支板的主动约束层阻尼振动控制，分析了控制系统中阻尼层厚度及反馈增益对振动控制效果的影响。     

主动约束层阻尼圆柱壳体的振动特性研究

基于弹性、粘弹性和压电材料本构方程,应用能量法建立了主动约束层阻尼（ACLD）圆柱壳体的有限元动力学方程。通过对压电传感层自感电压的比例、微分反馈控制,对主动约束层阻尼（ACLD）圆柱壳体进行了主被动一体化振动控制,研究了复合圆柱壳体的动力学响应特性。讨论了主动约束层阻尼（ACLD）片体的位置、覆盖率、粘弹性层厚度及控制增益等关键参数对圆柱壳体振动特性的影响。研究表明：主动约束层阻尼（ACLD）片体的粘贴位置与模态有关,针对不同模态,应采用不同的粘贴位置;覆盖率、粘弹性层厚度及控制增益等直接影响到振幅衰减程度,通过对片体位置、覆盖率、粘弹性层厚度及控制增益等关键参数的优化,能有效降低主动约束层阻尼圆柱壳体的振动,具有十分重要的工程应用价值。     

主动约束层阻尼结构振动控制试验研究

基于主动约束层阻尼结构及独立模态振动控制方法,利用压电驱动器/传感器和粘弹性材料与薄板构成的复合层压阻尼结构,在理论研究的基础上,对一悬壁板结构进行了试验研究,给出了部分试验研究结果,分析总结了主动约束层阻尼结构的主要优缺点.     

磁约束双层夹心悬臂梁的振动分析

采用在约束层端部上设置永磁体的新方法可使阻尼层获得比传统约束阻尼处理方法更高的剪应变，从而增强粘弹层的阻尼耗能，降低共振峰。本文应用Hamilton原理，推导了全覆盖双层约束阻尼悬臂梁的运动方程，对模型进行了实验验证；分析了不同物理和几何参数下该方法的减振效果。研究表明，磁约束能提高阻尼减振效果。随着阻尼层厚度的增加，无磁约束的共振峰降低较少，而有磁约束的共振峰急剧降低，减振效果明显。阻尼层剪切模量G的变化对磁约束减振效果的影响较大；当G小于一定值时，减振效果明显，但当G大于一定值时，减振效果急剧降低。在不同的约束层弹性模量和厚度下，磁约束仍起作用。此外，分析了具有较大控制力的主被动混合磁约束振动控制方法的可行性。     

主动约束阻尼板压电层电压拓扑优化研究

建立主动约束层阻尼板有限元模型,以结构模态阻尼比最大化为目标函数,压电层总电能消耗为约束条件,压电层单元控制电压为设计变量,对主动约束层阻尼板压电层电压进行了拓扑优化,获得了压电层电压最优拓扑分布。通过引入虚拟设计变量,将压电层电压控制不连续问题转化为连续问题。考虑实际工程应用的需要,采用指数函数对电压中间变量进行惩罚。在灵敏度分析基础上,采用移动渐进线(MMA)法,求解了主动约束层阻尼板电压拓扑优化问题。数值算例证实了电压拓扑优化模型以及数值求解方法的有效性。     

自感知主被动阻尼悬臂梁动态特性分析

由Ｈａｍｉｌｔｏｎ原理导出了压电层作约束层作约束层的自感知主被动阻尼控制结构的振动控制方程;由自感知电压引入速度负反馈闭环控制,并由假设模态法将位移按模态展开,求解了悬臂梁结构的动态特征;对被动控制、自感知主动控制、自感知主被动控制的控制效果进行了分析比较;分析了粘弹层厚度变化、材料参数变化以及压电层厚度、位置等结构参数变化对控制效果及模态频率的影响;并对自感知主被动阻尼控制结构的特点和设计中应注     

过渡约束阻尼板阻尼特性分析

过渡层的存在增加了阻尼层与基层间的距离,能进一步放大阻尼层的剪切变形,使得过渡约束阻尼板具有良好的减振效果。基于薄板理论和粘弹性理论,考虑基层与过渡层、过渡层与阻尼层、阻尼层与约束层间的法向和切向相互作用力及过渡层、阻尼层材料的剪切耗能作用,推导出了过渡约束阻尼板在外谐激励下的一阶矩阵振动控制常微分方程;将齐次扩容精细积分法应用于方程求解,为研究过渡约束阻尼结构阻尼特性提供了一种半解析方法;通过算例与有限元方法对比,其误差最大不超过5%,从而验证了该方法的可靠性,为过渡约束阻尼板的结构设计、阻尼特性及相关参数分析提供了新的思路和参考。     

可控约束阻尼层板的杂交控制

用局部压电层控制约束阻尼约束层产生一种新的主、被动杂交控制形式,称为可控制 约束层。本文根据弹性材料、粘弹性材料、压电材料的本构关系和变形连续条件,建立了可控约束阻尼层板的控制微方程;从理论上证明了用离散小压电片组合来代替整体压电层而不影响作动效果,改善了结构的工艺性;利用Ｇａｌｅｒｋｉｎ方法和ＧＨＭ方法建立了系统的近似低阶方程对一试验模型进行了控制数值模拟和试验实现,结果表明这种杂交控制对控制     

主动约束层阻尼对超声速梁结构颤振特性的影响

本文采用主动约束层阻尼技术研究超声速梁的颤振特性,利用Hamilton原理和假设模态方法建立结构的运动方程,采用活塞理论模拟超声速梁的气动压力,采用速度负反馈控制获得主动阻尼,求解本征值问题得到复特征值,进而得到结构的固有频率和损耗因子.计算结构的固有频率随无量纲气动压力的变化曲线,得到颤振点,分析了主动阻尼和被动阻尼对颤振速度的影响.计算结果表明主动阻尼可以影响梁的气动弹性特性,并增大超声速梁的颤振速度.本文研究结果对超声速飞行器结构的颤振分析和气动设计具有重要意义.     

DYNAMICAL ANALYSIS ON A KIND OF SEMI-ACTIVE VIBRATION ISOLATION SYSTEMS WITH DAMPING CONTROL 1)

研究了一类基于相对速度反馈的含立方刚度的单自由度非线性半主动隔振系统.通过平均法得到了系统分别在基于加速度-相对速度反馈的加速度驱动阻尼控制策略、速度-相对速度反馈的天棚阻尼控制策略和位移-相对速度反馈的地棚阻尼控制策略下主共振响应的近似解析解,并利用数值解验证了近似解析解的准确性.通过 Lyapunov 理论对不同控制策略下系统的稳定性进行了分析,讨论了系统参数对控制效果的影响.分析结果表明,对 3 种基于相对速度反馈的控制策略进行解析研究时,切换条件中的控制参数具有相同的表达式;在抑制共振响应振幅方面,基于速度-相对速度反馈的天棚阻尼控制策略在低频时的减振效果最好,而基于加速度-相对速度反馈的加速度驱动阻尼控制策略在高频时的减振效果最优;在抑制瞬态响应振幅方面,基于速度-相对速度反馈的天棚阻尼控制策略的减振效果最好.此类解析研究方法可应用到其他半主动开关控制策略中,为半主动隔振系统的控制策略研究提供了有效的方法和手段.     

一种赤道刻线静电陀螺仪主动阻尼控制方案及其实验研究

提出一种采用转子赤道刻线，利用赤道光电传感器的输出来控制阻尼力矩方向的半球施矩主动阻尼控制方案。在气浮装置上用大球转子进行了模拟试验。试验表明该主动阻尼控制方案可在大范围内对转子进行阻尼，大大减少了阻尼时间。中对大球转子及实心转子主动阻尼结果进行了对比分析，表明对于实心转子ESG，赤道刻线主动阻尼方案能将阻尼时间减少到被动阻尼的10％。     

一类阻尼控制半主动隔振系统的解析研究

研究了一类基于相对速度反馈的含立方刚度的单自由度非线性半主动隔振系统.通过平均法得到了系统分别在基于加速度-相对速度反馈的加速度驱动阻尼控制策略、速度-相对速度反馈的天棚阻尼控制策略和位移-相对速度反馈的地棚阻尼控制策略下主共振响应的近似解析解,并利用数值解验证了近似解析解的准确性.通过 Lyapunov 理论对不同控制策略下系统的稳定性进行了分析,讨论了系统参数对控制效果的影响.分析结果表明,对 3 种基于相对速度反馈的控制策略进行解析研究时,切换条件中的控制参数具有相同的表达式;在抑制共振响应振幅方面,基于速度-相对速度反馈的天棚阻尼控制策略在低频时的减振效果最好,而基于加速度-相对速度反馈的加速度驱动阻尼控制策略在高频时的减振效果最优;在抑制瞬态响应振幅方面,基于速度-相对速度反馈的天棚阻尼控制策略的减振效果最好.此类解析研究方法可应用到其他半主动开关控制策略中,为半主动隔振系统的控制策略研究提供了有效的方法和手段.      

阻尼参数连续可调的惯导水平内阻尼方法

针对惯导系统传统阻尼方法存在的阻尼网络设计复杂、状态切换产生较大超调误差等主要问题,提出了一种基于变阻尼比例控制的惯导水平内阻尼方法,在无阻尼惯导东向、北向水平修正回路中增加一条前向比例环节通道,通过合理设计比例参数,利用提取的加速度信息进行惯导水平内阻尼,抑制惯导中舒拉振荡误差.相对于传统阻尼方法,该方法使得阻尼网络设计大为简化.该方法通过连续调整比例控制系数,可实现阻尼系数的连续线性修正,能有效抑制无阻尼状态向阻尼状态切换时超调误差.     

采用压电机敏元件进行结构振动控制Ⅲ：控制系统设计与实验研究

采用作者在上篇导出的压电耦合体动力学模型，给出了压电主动阻尼控制系统的设计方法；导出了压电耦合梁系统的作动方程和检测方程的显式表达式。以此为基础，以简单梁为对象，对压电检测器和作动器的性能、粘结层的影响、压电主动阻尼控制及压电主、被动阻尼双控制进行了实验研究     

Active and passive magnetic constrained damping treatment

This paper has presented a new class of active and passive magnetic constrained layer damping (APMCLD) treatment for controlling vibration of three-layer clamped–clamped beams. Firstly, optimal placement strategies of discrete patches are investigated. The predictions of model are validated experimentally using three-layer clamped–clamped beams treated with fully or segmented passive magnetic constrained layer damping (MCLD) treatments. The results indicate that full MCLD treatment induces less improvement of damping characteristics. Also, the obtained results illustrate that, the improvement of damping performance using two-patched MCLD treatment becomes more apparent at the first mode compared to the corresponding performance using a single-patched MCLD treatment when the total length of damping layer is from 0.3L to 0.65L under considered magnetic force. Further, damping performances of APMCLD using several control strategies including simple PD controllers are investigated. The analytical results show that it induces less improvement of damping characteristics for higher modes using simple positive proportional feedback controllers whereas higher modes can been suppressed effectively using negative derivative feedback controllers. For broad band control of structural vibration, it is more effective using APMCLD treatments with combined proportional and derivative controllers. Moreover, the MCLD treatment still plays an important role in damping out structural vibrations even though active control systems fail.     

On damping properties of a frictionless physical pendulum with a moving mass

The damping effects are generated in a frictionless oscillating physical pendulum by a continuous motion of an auxiliary mass. The main parameters affecting the damping properties of the pendulum-mass system are identified. In particular, the effective damping ratio for a cycle is introduced and derived in a closed form from the energy considerations and then independently from Mathieu's equation. It is shown that a continuous damping can be achieved if the mass motion is synchronized with the pendulum rotation. Otherwise the system becomes prone to ‘beating’ phenomenon. The results presented may be useful for design of active control strategy of autonomous systems with negligible passive damping.     

Parametric vibration stability and active control of nonlinear beams

The vibration stability and the active control of the parametrically excited nonlinear beam structures are studied by using the piezoelectric material. The velocity feedback control algorithm is used to obtain the active damping. The cubic nonlinear equation of motion with damping is established by employing Hamilton’s principle. The multiple-scale method is used to solve the equation of motion, and the stable region is obtained. The effects of the control gain and the amplitude of the external force on the stable region and the amplitude-frequency curve are analyzed numerically. From the numerical results, it is seen that, with the increase in the feedback control gain, the axial force, to which the structure can be subjected, is increased, and in a certain scope, the structural active damping ratio is also increased. With the increase in the control gain, the response amplitude decreases gradually, but the required control voltage exists a peak value.     

导管架式海洋平台阻尼隔振及减振技术研究

分析和研究了导管架式海洋平台结构采用阻尼隔振技术的基本原理，建立了阻尼隔振体系简化计算模型，推导了两自由度简化模型，采用强行解耦方法计算结构第一振型阻尼比的计算公式，研究了隔振层参数与结构阻尼比的关系以及它们对结构整件和隔振层层间相对位转的控制效果，进行了在波浪力和地震工况下的数值模拟，结果表明，阻尼隔振方案是导管架式海洋平台的一种有效减振措施，当阻尼隔振层刚度较大时，可以有效控制平台结构的振动。     

基于反激变压器的压电振动能量双向操控技术

压电材料因其具有良好的机电耦合特性, 在振动能量俘获和结构振动控制领域有着良好的应用前景. 基于同步开关和电感的压电元件接口控制电路, 可以通过振荡电路工作原理调节压电元件的电压幅值和相位, 优化压电振动系统的机电能量转化. 优化型同步电荷提取技术即基于上述接口控制电路实现了压电振动能到电能的高效转换. 本文提出了一种衍生于优化型同步电荷提取电路的压电阻尼半主动控制电路, 借鉴反激变压器的原、副边能量转换特性, 实现了压电振动控制系统从电能到机械能的能量操控, 进而达到结构振动抑制的效果. 至此, 结合了压电电荷能提取与压电阻尼半主动控制技术的新电路, 以反激变压器为核心实现了压电振动能量的双向操纵. 论文首先介绍了相应的控制电路及工作原理, 推导了新型同步开关阻尼技术下的结构的振动阻尼比模型, 搭建了压电悬臂梁振动控制实验平台, 最终通过实验验证了理论模型, 并使用更简单的控制方法解决了振动控制系统的稳定性问题.