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.      

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性;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意的问题作了分析.     

覆盖约束层阻尼的柔性机械臂抑振仿真分析

针对柔性空间机械臂容易发生振动的问题,以柔性空心圆壳机械臂为对象,在其上覆盖分段约束层阻尼、全覆盖主动约束层阻尼和全覆盖被动约束层阻尼,运用有限元软件进行动力学仿真计算分析,研究比较了三种模型的抑振效果和阻尼特性。由于分段约束层阻尼结构中切口的存在,黏弹性材料的剪切变形增大,相较于其他两种结构可有效提高结构阻尼特性,并且研究发现分段方法的适用性与阻尼层内剪切应变水平有关。

     

基于遗传算法的约束阻尼梁减振优化分析

约束阻尼结构能有效减振, 但会增加结构的质量和体积, 基于此有必要对其 结构进行优化. 本文应用有限元软件ANSYS建立增设支撑层的约束阻尼梁模型, 根据模态应 变能原理提取约束阻尼梁的模态损耗因子, 并建立以阻尼段长度、约束层厚度、支撑层厚度、 阻尼段数目为设计变量的目标函数, 利用MATLAB多目标遗传算法进行优化运算. 计算结果表 明, 优化后的约束阻尼结构能够在引入质量较小情况下有效减小梁振动幅度, 使振动在较短 的时间内衰减.     

TRANSFER MATRIX METHOD FOR ANALYZING VIBRATION AND DAMPING CHARACTERISTICS OF ROTATIONAL SHELL WITH PASSIVE CONSTRAINED LAYER DAMPING TREATMENT

The first order differential matrix equations of the host shell and constrained layer for a sandwich rotational shell are derived based on the thin shell theory.Employing the layer wise principle and first order shear deformation theory, only considering the shearing deformation of the viscoelastic layer, the integrated first order differential matrix equation of a passive constrained layer damping rotational shell is established by combining with the normal equilibrium equation of the viscoelastic layer.A highly precise transfer matrix method is developed by extended homogeneous capacity precision integration technology.The numerical results show that present method is accurate and effective.     

几何非线性摩擦阻尼隔振系统动力学行为研究

非线性隔振系统由于具有较线性系统更优的隔振性能,因此在工程中应用广泛.本文通过配置与被隔振对象的运动方向相垂直的库伦摩擦阻尼器,构建了几何非线性摩擦阻尼模型.由于引入了几何非线性,因此其摩擦力与位移正相关,这与传统与位移无关摩擦力模型有显著不同.首先,建立了具有几何非线性摩擦阻尼的数学模型以及隔振系统的受迫振动方程;然后,使用谐波平衡法求解了动力学方程,并使用数值仿真方法验证了谐波平衡法求解的准确性;最后,研究了几何非线性摩擦阻尼隔振器的绝对位移传递率和相对位移传递率.研究结果表明,在库伦摩擦阻尼选择适当,非线性摩擦阻尼系统可以在保持高频振动衰减效果的前提下,显著降低系统共振峰,其性能优于传统的恒定摩擦阻尼隔振模型.同时,几何非线性摩擦阻尼系统能够避免传统摩擦阻尼系统中的“锁定”现象,从传递率角度来说,不利于共振峰控制;但从激励环境改变引发隔振系统失效的角度来看,几何非线性摩擦阻尼系统可以拓宽系统对激励幅值的适应范围,避免隔振系统失效.本文的研究结果对此类隔振系统的设计和摩擦阻尼参数的选择具有通用的指导意义.      

采用压电和粘弹性材料的杂交控制的研究进展

杂交阻尼控制技术是许多工程结构减振和改善性能的重要方法之一.本文主要从杂交阻尼结构的几个特征方面:阻尼结构形式、建模假设、黏弹性材料建模、响应分析方法、控制方法、参数研究和结构选择来研究杂交阻尼结构的研究进展和主要研究成果.研究发现绝大多数的文献只局限于研究梁板的问题.因此很有必要加强对壳体等复杂结构的研究.最后文中指出了有关杂交阻尼结构继续发展的有待深入研究的几个方面.图0参72     

接触非线性对声黑洞梁减振效果的影响

声黑洞(acoustic black hole, ABH)效应是基于弯曲波在变厚度薄壁结构中的传播性质发展起来的一种被动减振技术. 本文针对传统的线性声黑洞在高频段具有显著减振效果,而在低频段减振性能欠佳的问题,利用接触非线性提出了将能量从低频段传递到高频段的想法,旨在提升声黑洞的总体性能. 考虑声黑洞梁和位于其下方的接触挡板的碰撞振动问题,首先,通过实验验证了引入接触碰撞后系统的非线性机制及能量传递效应. 随后,基于欧拉-伯努利梁理论建立了声黑洞梁和挡板碰撞振动的数值模型,并分析了模型的收敛性. 该模型遵循模态法的求解过程,并利用有限差分法处理变厚度梁的特征值问题. 接触作用力借鉴于Hertzian接触定律来刻画,阻尼层的影响则通过Ross-Kerwin-Ungard模型求解. 基于数值模型,着重分析了含接触非线性时,声黑洞梁的能量传递与衰减特性及其对声黑洞减振性能的提升,并考察了接触刚度、接触点位置和初始间隙等接触参数的影响. 结果表明引入接触非线性后,振动能量可以从声黑洞性能欠佳的低频段传递到声黑洞效果显著的高频区域,梁的能量衰减速度显著加快,声黑洞的整体减振性能得到了有效地提高.      

约束层阻尼板动力学问题的半解析解

利用条形传递函数方法(SDTFM)得到了约束层阻尼(CLD)板动力学问题的半解析解.首先对CLD板沿纵向离散成多个条形单元,基于Hamilton原理推导出条形单元的刚度矩阵和质量矩阵,仿照有限元法组集得到系统的总刚度矩阵和总质量矩阵.经Laplace变换后引入状态向量,采用分布参数传递函数方法在状态空间内建立CLD板的控制方程并进行求解.最后以对边固支和悬臂CLD板为例,得到了板的动力学特性和频响曲线,并与NASTRAN或相关文献结果进行了比较,吻合良好,验证了该方法的有效性.从推导过程和算例可以看出,该方法所需的单元数目少,获得的是半解析解,计算效率高且准确可靠.     

黏弹性阻尼作用下轴向运动Timoshenko梁振动特性的研究

黏弹性阻尼一直是轴向运动系统的研究热点之一.以往研究轴向运动系统大都没有考虑黏弹性阻尼的影响.但在工程实际中, 存在黏弹性阻尼的轴向运动体系更为普遍.本文研究了黏弹性阻尼作用下轴向运动Timoshenko梁的振动特性.首先, 采用广义Hamilton原理给出了轴向运动黏弹性Timoshenko梁的动力学方程组和相应的简支边界条件.其次, 应用直接多尺度法得到了轴速和相关参数的对应关系, 给出了前两阶固有频率和衰减系数在黏弹性作用下的近似解析解.最后, 采用微分求积法分析了在有无黏弹性作用下前两阶固有频率和衰减系数随轴速的变化; 给出了前两阶固有频率和衰减系数在黏弹性作用下的近似数值解, 验证了近似解析解的有效性.结果表明: 随着轴速的增大, 梁的固有频率逐渐减小.梁的固有频率和衰减系数随着黏弹性系数的增大而逐渐减小, 其中衰减系数与黏弹性系数成正比关系, 黏弹性系数对第一阶衰减系数和固有频率的影响很小, 对第二阶衰减系数和固有频率的影响较大.      

考虑剪切效应及阻尼时双模量梁的动载荷计算

在考虑剪切效应及阻尼的基础上,采用线性振动理论研究了双模量梁动载荷问题的冲击计算. 建立了双模量梁动载荷问题的振动微分方程,推导出了双模量梁动载荷问题的动位移、动载荷系数、冲击时间的表达式,并讨论分析了剪切效应及阻尼对双模量梁动载荷冲击问题的影响. 算例分析表明,对于某些双模量梁动载荷冲击问题,剪切效应及阻尼的影响是不能忽略的.     

具有约束层阻尼贮液圆柱容器的耦振与减振特性分析

该文在对空圆柱层合壳(不充液)振动分析研究的基础上,借助线性势流理论,进一步考虑液固耦合效应,导出了敷有CLD贮液圆柱层合壳谐耦振的一阶常微分矩阵方程,该方程右边多了液动压力项.由于它不能预先给定,导致方程中出现未知项.为了克服这一困难,文中研究了液动压力的解式,并采用新型齐次扩容精细积分技术,提出了一种高效率和高精度的半解析半数值解法.进而还求解了CLD贮液圆柱容器在地面谐运动激励下的响应;通过大量数值计算分析了CLD的厚度、长度、敷设位置以及粘弹芯的复剪切模量对减振效果的影响.计算还表明了有液体的存在,这些影响和空容器时是不一样的.文中方法为CLD贮液容器的控制优化提供了有力手段.     

FREE VIBRATION ANALYSIS OF SIMPLY SUPPORTED BEAM WITH BREATHING CRACK USING PERTURBATION METHOD

In this paper, a new analytical method for vibration analysis of a cracked simply supported beam is investigated. By considering a nonlinear model for the fatigue crack, the governing equation of motion of the cracked beam is solved using perturbation method. The solution of the governing equation reveals the superhaxmonics of the fundamental frequency due to the nonlinear effects in the dynamic response of the cracked beam. Furthermore, considering such a solution, an explicit expression is also derived for the system damping changes due to the changes in the crack parameters, geometric dimensions and mechanical properties of the cracked beam. The results show that an increase in the crack severity and approaching the crack location to the middle of the beam increase the system damping. In order to validate the results, changes in the fundamental frequency ratios against the fatigue crack severities are compared with those of experimental results available in the literature. Also, a comparison is made between the free response of the cracked beam with a given crack depth and location obtained by the proposed analytical solution and that of the numerical method. The results of the proposed method agree with the experimental and numerical results.     

具有分支电路的可控压电阻尼减振技术

对近10年来国内外关于具有分支电路的可控压电阻尼减振技术研究的进展进行了较为详细的评述和讨论.文中首先说明了具有分支电路的压电阻尼减振技术的基本原理和基本形式,然后较为全面的评述不同形式基本分支电路压电阻尼系统的基本特点和研究进展,在讨论了以基本分支电路压电阻尼系统为基础的各种具有可控特性的分支电路压电阻尼系统(包括半主动的和主动-被动杂交的分支电路压电阻尼系统)的研究与发展之后,说明了这种技术在实际工程中的应用,最后建议了今后应深入研究的问题.      

新型轻质阻尼基座设计与隔振性能研究

为了减少船体振动与辐射噪声,采用声子玻璃和弧形衔接结构设计了一种新型轻质阻尼基座。然后用加速度振级落差表征其隔振性能,开展了水泵电机激励下的基座隔振性能试验研究, 结果表明阻尼基座在20$\sim$10 000 Hz的频率范围具有显著的隔振效果,相较于同尺寸钢制基座,其振动落差总级可达12.93dB。研究结果充分验证了本文设计的轻质阻尼基座具备高强度、高阻尼、宽频隔振的特点,在舰船机械设备等减振降噪领域具有广泛的潜在应用价值。     

MODELING AND DYNAMICS ANALYSIS OF SHELLS OF REVOLUTION BY PARTIALLY ACTIVE CONSTRAINED LAYER DAMPING TREATMENT

A new model for a smart shell of revolution treated with active constrained layer damping （ACLD） is developed, and the damping effects of the ACLD treatment are discussed. The motion and electric analytical formulation of the piezoelectric constrained layer are presented first. Based on the authors~ recent research on shells of revolution treated with passive constrained layer damping （PCLD）, the integrated first-order differential matrix equation of a shell of revolution partially treated with ring ACLD blocks is derived in the frequency domain. By virtue of the extended homogeneous capacity precision integration technology, a stable and simple numerical method is further proposed to solve the above equation. Then, the vibration responses of an ACLD shell of revolution are measured by using the present model and method. The results show that the control performance of the ACLD treatment is complicated and frequency-dependent. In a certain frequency range, the ACLD treatment can achieve better damping characteristics compared with the conventional PCLD treatment.     

弹簧-金属丝网橡胶组合减振器迟滞力学模型及实验研究

金属丝网橡胶材料是一种完全由金属丝编织成的多孔复合材料,与传统螺旋卷制金属橡胶材料相比,其改进了成型工艺,剔除了制备过程中大量的手工工艺干扰,提高机械化程度,重合度更高,拥有更稳定的力学性能.由于金属丝网橡胶材料具有承载能力高、阻尼大、耐高温、耐低温、耐老化、抗油抗腐蚀等优良特性,在很多方面强于传统橡胶,多用于航空航天、船舶、军事武器等军工工业.弹簧$\!$-$\!$-$\!$金属丝网橡胶组合减振器具有可设计刚度和较高承载能力,但因其具有复杂的非线性迟滞特性,目前相关材料的本构模型还难以准确描述其力学特性.本文在弹簧$\!$-$\!$-$\!$金属丝网橡胶组合减振器静态迟滞力学性能实验的基础上,结合其干摩擦阻尼迟滞特性,提出了一种迟滞力学性能理论模型.根据减振器迟滞实验恢复力$\!$-$\!$-$\!$位移曲线特点,利用参数分离的方法将迟滞曲线分解为弹性恢复力和干摩擦阻尼力,分别建模求解等效刚度和干摩擦阻尼系数,以此建立了组合减振器理论模型,并与实验结果进行对比及进行误差分析,验证了理论模型的准确性.      

带有环形阀片的阻尼阀可靠性研究

针对跑车试验时油气弹簧中节流阀片受冲击失效的现象,提出了研究阻尼阀水击压强的必要性,建立了带有环形节流阀片的阻尼阀物理模型. 运用水击理论及解偏微分方程的特征线法,创造性地对给定阻尼阀结构进行了水击建模计算. 编程分析节流阀片失效的原因,系统研究了常通孔结构参数变化对阻尼阀所受瞬态冲击及其阻力值的影响规律,提出需从屈服和疲劳强度两个方面入手对阀门可靠性进行校核,并给出计算实例,完善了现有阀系设计的算法. 所得结论可以作为可靠性研究的参考,同时避免了阀片断裂的再次发生.      

有约束阻尼的非保守力学系统的稳定性

利用Ｌｙａｐｕｎｏｖ直接法，研究了有势力、陀螺力、Ｒａｙｌｅｉｇｈ阻尼和约束阻尼同时作用的非线性非保守力学系统的稳定性．假设陀螺力依赖某参数ｈ，得到系统渐近稳定的两个定理．     

考虑阻尼影响时结构动载荷问题的冲击计算

在考虑阻尼影响的基础上,采用线性振动理论研究了动载荷问题的冲击计算. 利用振动方程推导出了结构动位移、动载荷系数、冲击时间的表达式,并讨论分析了结构阻尼对动载荷问题的影响.