吸振器在浮筏上减振应用的有限元分析

浮筏隔振系统是一种广泛应用的减振降噪装置,但它在低频减振方面还存在较大不足。研究表明通过安装吸振器可以改善原系统的隔振性能。本文针对吸振器在浮筏系统中减振应用的问题,采用有限元方法,通过分析比较安装吸振器前后浮筏系统频响特性的变化情况,对吸振器在实际浮筏上的减振效果进行了模拟计算;同时采用自行研制的磁流变弹性体半主动吸振器进行了吸振器在浮筏上的减振实验。通过计算结果与实验测试值的对比,验证了用该方法对吸振器在实际浮筏上的减振效果进行预报的可行性。     

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。     

磁流变阻尼器半主动控制方法的实验研究

由于磁流变阻尼器是一种高度非线性的装置,因此建立与之相适应的控制系统是半主动控制问题的关键。本文采用改进的Bingham模型建立了磁流变阻尼器的动力学特性模型,根据天棚阻尼开关控制、天棚阻尼连续控制和模糊控制三种控制方法,确立了从系统速度响应到磁流变阻尼器励磁电流之间的关系,并开发了一套半主动控制系统。在一个两自由度的简化车辆试验平台上进行半主动控制试验,对比研究了三种控制方法的控制效果。实验结果表明,在1.3Hz~2.0Hz的低频段内,开关控制的最佳减振效果为15.1%,连续控制的最佳减振效果为14.9%,模糊控制的最佳减振效果为20.1%。可见,三种控制方法都能有效的减小车体的振动,模糊控制的减振效果最佳。     

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.      

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.     

介电弹性作动器主动隔振模糊控制试验研究

采用模糊控制策略,开展介电弹性作动器的主动隔振性能试验研究。基于介电弹性材料的Maxwell应力模型建立了作动器的力电耦合模型,分析了作动器的非线性特性;针对隔振系统设计了Mamdani型模糊控制器,建立了控制电压信号与振动响应之间的关系;在此基础上,开展了介电弹性作动器主动隔振试验研究,并与加速度反馈控制进行了对比。试验结果表明,在相同驱动电压的情况下,基于模糊控制策略的主动隔振性能要优于加速度反馈控制,且能够显著降低由于非线性驱动力导致的倍频响应幅值,有助于提高隔振系统的稳定性。     

基于遗传算法优化的磁流变减震结构模糊控制研究

基于模糊控制的磁流变减震器能够实现对框架结构的减震,但模糊控制器的设计容易受人主观经验的影响而导致控制效果不够理想。为此,本文提出一种遗传算法双优化模糊控制器设计方法,即运用遗传算法同时优化模糊控制器的模糊规则和隶属函数以改善控制效果。为了验证该方法的有效性,对每层均装有一个磁流变减震器的一个三层框架结构进行了仿真分析。分析结果表明:与未控结构、模糊控制器未优化的结构、模糊控制器只优化模糊规则的结构的位移和加速度反应比较,采用遗传算法双优化模糊控制器选择磁流变减震器控制电流的结构的振动控制效果较好。     

基于橡胶等效动态模量的惯导减振装置设计方法

针对惯导系统小型化以及大动态、强冲击等恶劣力学环境的使用需求,开展了与惯导系统适配的橡胶减振装置的设计,并提出一种实用的基于橡胶等效动态模量的设计方法。通过理论推导加试验拟合的方法构建了橡胶材料硬度参数和动态弹性模量的等价关系式,建立了适合于工程仿真分析的橡胶减振装置数学模型,在此基础上提出橡胶减振装置设计方法。该方法改变了传统橡胶减振装置试制-试验-改进的设计流程,直接通过三维结构模型模拟出对应力学环境下系统的真实响应数值解。通过与试验结果对比,仿真值与试验值符合精度大于80%,验证了该模型及设计方法具有精度高、可操作性强、求解效率高等优点,对惯导橡胶减振装置的设计具有指导意义。     

天然橡胶基磁流变弹性体的研制与表征

磁流变弹性体又称磁敏高弹体,是一种由高分子聚合物和磁性颗粒构成的新型智能材料,它的力学、电学、磁学等诸性能可以由外加磁场来控制,因此磁流变弹性体在舰船、振动控制等领域具有广泛的应用前景.但目前国际上研制的磁流变弹性体存在机械性能不够好和磁致效应不够强的问题,这制约了基于磁流变弹性体器件的设计和应用.为了制备出实用型磁流变弹性体,本文对其制备条件进行了研究,包括基体类型、预结构化时磁场强度和温度、增塑剂和磁性颗粒含量对磁流变弹性体磁致效应的影响.结果表明,以天然橡胶为基体的磁流变弹性体,在高于600mT外加磁感应强度下,当磁性颗粒含量为80%(质量比)时,剪切模量的相对增量达133%;而当磁性颗粒含量为90%时,剪切模量的绝对增量达4.5MPa.本文还对磁流变弹性体应用环境进行了实验研究,结果表明磁流变弹性体在小应变下显示出更强的磁致效应,而激励频率不改变材料的磁致模量.     

天然橡胶基磁流变弹性体的研制与表征

磁流变弹性体又称磁敏高弹体，是一种由高分子聚合物和磁性颗粒构成的新型智能材料，它的力学、电学、磁学等诸性能可以由外加磁场来控制，因此磁流变弹性体在舰船、振动控制等领域具有广泛的应用前景。但目前国际上研制的磁流变弹性体存在机械性能不够好和磁致效应不够强的问题，这制约了基于磁流变弹性体器件的设计和应用。为了制备出实用型磁流变弹性体，本文对其制备条件进行了研究，包括基体类型、预结构化时磁场强度和温度、增塑剂和磁性颗粒含量对磁流变弹性体磁致效应的影响。结果表明，以天然橡胶为基体的磁流变弹性体，在高于600mT外加磁感应强度下，当磁性颗粒含量为80％（质量比）时，剪切模量的相对增量达133％；而当磁性颗粒含量为90％时，剪切模量的绝对增量达4．5MPa。本文还对磁流变弹性体应用环境进行了实验研究，结果表明磁流变弹性体在小应变下显示出更强的磁致效应，而激励频率不改变材料的磁致模量。     

磁流变弹性体剪切性能的动态实验研究

简述了一种磁流变弹性体(MRE)剪切性能的动态测试装置,其主要结构是由一块磁流变弹性体和一个质量块组成的单自由度振动系统。在磁场作用下,磁流变弹性体的力学性能发生相应的改变。通过该装置测出有场下的MRE受剪切激励后的自由衰减特性,并建立理论模型,从而间接得到剪切模量G(BMRE)和材料损耗因子βm(BMRE)。这样的处理方法使得实验条件得到简化且不依赖于初始激励状态。所得到的剪切模量的变化性能与文献中报道的一致(在没有达到磁饱和的条件下,剪切模量随外加磁场的变化而改变),但剪切模量的改变量是零场下剪切模量的60%,磁控性能也有所提高,并得到了材料损耗因子。     

多个磁流变弹性体自调谐式吸振器的联合控制研究

遗传算法是一种自适应、启发式、全局优化的搜索算法,在结构振动控制等复杂控制领域得到了广泛的应用,本文针对磁流变弹性体自调谐式吸振器难以建立准确的控制模型的特点,通过改进基本遗传算法,设计和实现了一种同时控制多个吸振器的联合控制算法,该方法在协调控制时,根据多个吸振器协调控制对控制量的要求采用指定位交叉产生新个体,与通过随机位交叉产生的新个体相比,这样能以较大的概率产生更健壮的新个体,从而使算法更快收敛.将该算法应用到两个吸振器联合控制的实验系统中,在吸振器移频范围内,被减振系统各观测点均有较好的减振效果,当吸振器与主系统质量比为1∶19.8时,减振效果最高约12dB,主被动减振效果之差最佳时达7dB.     

磁流变整星隔振平台频域加权LQR控制研究

设计磁流变六杆隔振平台,以改善星箭界面低频振动环境.采用牛顿-欧拉法建立整星隔振平台动力学模型,利用固定界面模态综合法得到卫星和隔振平台动力学模型.由于星箭界面低频振动环境在特定频段存在振动量级较大的问题,采用频域加权LQR(linear quadratic regulator)方法,利用直接分解法扩展系统状态变量,进行磁流变阻尼器半主动控制系统设计.仿真结果表明,相对传统控制方法,频域加权LQR方法在特定频段减振效果明显改善,且在其他频段没有恶化,验证了算法有效性.     

FREQUENCY-SHAPING LQR CONTROL OF WHOLE-SPACECRAFT VIBRATION ISOLATION PLATFORM BASED ON MR DAMPER1)

设计磁流变六杆隔振平台,以改善星箭界面低频振动环境.采用牛顿-欧拉法建立整星隔振平台动力学模型,利用固定界面模态综合法得到卫星和隔振平台动力学模型.由于星箭界面低频振动环境在特定频段存在振动量级较大的问题,采用频域加权LQR (linear quadratic regulator)方法,利用直接分解法扩展系统状态变量,进行磁流变阻尼器半主动控制系统设计.仿真结果表明,相对传统控制方法,频域加权LQR方法在特定频段减振效果明显改善,且在其他频段没有恶化,验证了算法有效性.     

剪切阀式磁流变减振器力学特性实验研究

本文对剪切阀式磁流变减振器的结构和工作原理作了介绍,基于平板模型对其结构进行简化,采用叠加法得出了其阻尼力的理论计算模型。利用材料试验机(MTS)分别在不同电流、振幅、速度和频率等条件下,对自行研制的剪切阀式磁流变减振器的动态特性进行了实验研究,得出了相应的实验曲线。实验结果表明剪切阀式磁流变减振器具有优良的电控阻尼力特性,且振幅、速度和频率等因素对其阻尼力有着重要影响,另外也对其阻尼力的理论计算公式作了验证。     

基于混杂双稳定层合板的准零刚度隔振装置

准零刚度隔振装置(quasi-zero stiffness,QZS)在其平衡位置处的刚度接近于零,能够有效地隔离加速度幅值较低的微振动.因此,准零刚度隔振装置在卫星等航天器结构的微振动抑制领域有较好的应用前景.准零刚度隔振装置通常由正刚度部件及负刚度部件并联而成.在众多准零刚度隔振装置概念中,负刚度部件通常需要多个弹性部件及特定约束边界形成负刚度特性,导致准零刚度隔振装置的整体质量及体积相对较大.然而,航天器结构对隔振装置的质量特性及安装空间提出较高要求,因此需开发新型准零刚度隔振装置,降低隔振装置的质量及体积以满足航天器结构的使用要求.本文提出了一种基于混杂双稳定复合材料层合板的准零刚度隔振装置.通过利用混杂双稳定复合材料层合板自身的负刚度特性,降低了准零刚度隔振装置的结构复杂程度.本文对提出的准零刚度隔振装置的力学原理进行说明,对其隔振效果进行了仿真分析,并进行了隔振效果验证试验.隔振试验表明,准零刚度隔振装置的振动传递率曲线不再具有峰值,其实际振动传递率低于具有相同正刚度的线性隔振系统.基于试验及仿真分析结果,本文对隔振装置隔振性能的影响因素进行了分析讨论.分析结果显示,隔震装置中线性弹簧刚度与双稳定层合板负刚度之间的差异以及微小装配误差将导致隔振装置的隔振效果出现降低.     

基于混杂双稳定层合板的准零刚度隔振装置

准零刚度隔振装置(quasi-zero stiffness,QZS)在其平衡位置处的刚度接近于零,能够有效地隔离加速度幅值较低的微振动.因此,准零刚度隔振装置在卫星等航天器结构的微振动抑制领域有较好的应用前景.准零刚度隔振装置通常由正刚度部件及负刚度部件并联而成.在众多准零刚度隔振装置概念中,负刚度部件通常需要多个弹性部件及特定约束边界形成负刚度特性,导致准零刚度隔振装置的整体质量及体积相对较大.然而,航天器结构对隔振装置的质量特性及安装空间提出较高要求,因此需开发新型准零刚度隔振装置,降低隔振装置的质量及体积以满足航天器结构的使用要求.本文提出了一种基于混杂双稳定复合材料层合板的准零刚度隔振装置.通过利用混杂双稳定复合材料层合板自身的负刚度特性,降低了准零刚度隔振装置的结构复杂程度.本文对提出的准零刚度隔振装置的力学原理进行说明,对其隔振效果进行了仿真分析,并进行了隔振效果验证试验.隔振试验表明,准零刚度隔振装置的振动传递率曲线不再具有峰值,其实际振动传递率低于具有相同正刚度的线性隔振系统.基于试验及仿真分析结果,本文对隔振装置隔振性能的影响因素进行了分析讨论.分析结果显示,隔震装置中线性弹簧刚度与双稳定层合板负刚度之间的差异以及微小装配误差将导致隔振装置的隔振效果出现降低.      

一种改进的磁流变阻尼器模型及其对振动主动控制的应用

本文对一个带有磁流变阻尼器的二自由度弹簧阻尼系统的基础激励响应进行了主动控制数值仿真.使用改进的P-模型模拟磁流变阻尼器的力学性能,应用H2/LQG方法设计了状态反馈增益矩阵,选用Clipped-Optimal控制律完成磁流变阻尼器控制电流的确定.仿真结果表明受控系统的响应水平显著小于无控系统,改进的P-模型运作良好,可以在数值仿真过程中代替真实磁流变阻尼器的工作.     

主动隔振中气动压力跟踪的预测控制研究

气动伺服系统的压力跟踪是主动隔振系统中的一个重要环节。本文根据气动伺服系统的特点，建立了系统压力工作点的模型，应用基于状态空间的预测控制方法对系统压力进行了轨迹跟踪控制。首先，提出了一种控制器切换的方法来消除压力跟踪过程中的稳态误差；其次，通过对预测控制算法的改进减小了滞后对闭环系统动态性能和稳定性的影响。实验表明，本文提出的方法有效地解决了主动隔振系统中的气动压力跟踪问题。