电子信息设备用新型油阻尼减振器的抗冲击动态特性试验与建模

本文基于电子信息设备振冲防护中抗大冲击并兼顾衰减振动要求,通过巧妙的油阻尼结构和金属弹性元件相耦合设计了结构微小的产品样机;样机的多参数匹配冲击试验研究表明该耦合减振器具有强非线性冲击动态特征,在此基础上本文结合理论分析形成复合建模方法建立了原理样机冲击动态特性模型,该建模方法直接引入结构参数,为直接设计具体的器件建立了理论基础;研究表明该减振器性能优越并具有良好的设计可控性,具有广泛的应用前景。     

翼型颤振压电俘能器的输出特性研究

压电俘能器能够为自然界中低功率的微机电系统持续供能. 为了模拟机翼的沉浮?俯仰二自由度运动和有效俘获气动弹性振动能量, 本文提出一种新颖的翼型颤振压电俘能器. 基于非定常气动力模型, 推导翼型颤振压电俘能器流?固?电耦合场的数学模型. 建立有限元模型, 模拟机翼的沉浮?俯仰二自由度运动, 获得机翼附近的涡旋脱落和流场特性. 搭建风洞实验系统, 制作压电俘能器样机. 利用实验验证理论和仿真模型的正确性, 仿真分析压电俘能器结构参数对其气动弹性振动响应和俘获性能的影响. 结果表明: 理论分析、仿真模拟和实验研究获得的输出电压具有较好的一致性, 验证建立数学和仿真模型的正确性. 仿真分析获得机翼附近的压力场变化云图, 表明交替的压力差驱动机翼发生二自由度沉浮?俯仰运动. 当风速超过颤振起始速度时, 压电俘能器发生颤振, 并表现为极限环振荡. 当偏心距为0.3和风速为16 m/s时, 可获得最大输出电压为17.88 V和输出功率为1.278 mW. 功率密度为7.99 mW/cm3, 相比较于其他压电俘能器, 能实现优越的俘获性能. 研究结果对设计更高效的翼型颤振压电俘能器提供重要的指导意义.      

线绳驱动转速提升式低频俘能器的设计与研究

俘获周围环境中丰富的低频机械能对减少废旧电池数量、实现自维持传感器、降低传感器网络的使用和维护成本等具有重要意义, 但传统的振动型俘能器对低频机械能的俘获效果不佳. 为了有效收集周围环境中的低频机械能, 本文提出一种线绳驱动、具备转速提升功能的电磁式俘能器, 首先借助线绳驱动转轴结构将低频振动转换为双向旋转运动, 再通过刚度自动改变的拨片和磁齿轮将双向旋转运动转换为转速更高的单向旋转运动, 从而提高输出功率. 对所提出的俘能器建立了机电耦合动力学模型, 并通过样机制作和实验测试证实了理论模型的正确性. 实验研究表明, 在激励幅值40 mm和激励频率2 Hz的条件下, 通过本文设计制作的2.5倍转速提升功能的磁齿轮, 可将线绳驱动电磁式俘能器的最大输出功率增加至7.82 mW, 比对应的无磁齿轮提升转速的线绳驱动电磁式俘能器的最大输出功率(3.22 mW)高约143%. 在相同的激励条件下, 制作的俘能器的交流电能经过桥式整流器转换为直流后, 可在1.2 s内将220 μF储能电容器的电压从0 V提升至1.5 V. 在低频、不规则的振动激励下, 所制作的俘能器仍可提供0.35 mW的输出功率, 为设计高性能低频俘能器提供一条可行的解决方案.      

浮筏多通道协调振动主动控制实验研究

在浮筏上引入主动吸振器可以有效地改善其低频减振性能.建立了带有4个主动吸振器的浮筏振动主动控制实验系统;以提高系统低频减振性能为目标,研究了4个主动吸振器的协调控制问题.首先,通过实验建模获得系统的时域脉冲序列模型;在此基础上设计了基于多通道滤波x-最小均方(Least Mean Square,LMS)算法的自适应前馈控制律;最后,在实验系统上进行了4个目标点的多通道协调主动吸振控制实验,在15～25Hz频段内基本上都取得了15dB以上的主动减振效果.实验结果证明了多吸振器协调主动控制对提高浮筏低频减振能力的有效性.     

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.      

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.     

钝体表面附着物对低速水流压电俘能器性能影响研究

低速水流能可作为可再生能源的重要补充,适用于低速水流能开发的压电俘能器已在流场中表现出了优异的性能.而在钝体的表面增加附着物可影响压电俘能器的能量转换.通过改变附着物的形状、凸起高度和凹陷深度探究其对驰振式压电俘能器输出特性的影响.利用拓展的哈密顿原理建立俘能器的机械控制方程,引入高斯定理建立电场-位移控制方程,并基于准稳态假设计算驰振的水动力及力矩,进而得到压电俘能器机电耦合分段参数模型.用伽辽金法离散悬臂梁的位移,并在此基础上解耦控制方程,从而得到输出功率及悬臂梁位移近似解.通过水槽实验获得压电俘能器输出功率的实验值,并验证了数学模型的准确性.结果表明:0.51 m/s流速下,-2 mm椭球型凸起的压电俘能器RMS功率为1.411 mW,与无附着物的椭圆柱相比增幅为69.88%;当钝体包裹6 mm凸起的圆柱型附着物时,悬臂梁末端的振幅为3.07 mm,相比于无附着物的情况降低了84.83%.三维数值模拟的结果表明凸起、凹陷为2 mm附着物的应用会使在钝体上形成的压差升高,进而加剧流致振动,且会影响从钝体两侧脱落涡的大小及强度.     

静电力作用下的微梁失稳临界电压分析

针对微机械器件中普遍使用的微梁在静电力作用下的变形、吸附、电压与间距等设计问题,以平行板电容器为原型,利用弹性力学中的板梁静力学方程和静电场分布的拉普拉斯方程建立了微悬臂梁的机电耦合模型。将不均匀分布的静电力载荷等效离散为一组集中载荷,对小变形梁应用叠加法求解耦合模型控制方程,得到微梁失去稳定平衡状态的临界电压和梁的挠曲线。结果表明,电压增高,梁的挠度随之增大,达到临界电压时,梁末端的挠度与变形前的间隙之比为 0 42~0 44。     

时变参数时滞减振控制研究

时滞动力吸振器对谐波激励有着良好的减振控制效果,但对随机激励的减振控制效果却并不明显,具体表现为时滞动力吸振器对随机激励的减振控制效果与被动吸振器几乎相同.针对上述问题,提出了一种新的时变参数时滞减振控制方法.在原有时滞减振控制方法的基础上,首先将时滞增益系数由定值形式变为时间函数形式,然后通过时变优化得到多组时滞控制参数并使其以一定时间周期循环作用于减振控制过程,通过这种方法进一步改善了时滞动力吸振器减振性能.最后以二自由度时滞动力吸振器减振模型为例,以主系统的振动响应为仿真对象,运用精细积分法求解了具有时变时滞参数的时滞动力学方程,以此得到了在谐波激励和随机激励作用下主系统振动的时域仿真结果.研究结果表明,在时变参数时滞动力吸振器的控制下,主系统无论是受谐波激励作用还是受随机激励作用,其振动位移、振动速度和振动加速度均比在定值参数时滞动力吸振器控制下时有大幅的减小,时滞动力吸振器的减振性能有了明显的改善.     

负刚度时滞反馈控制动力吸振器的等峰优化

相比于传统动力吸振器, 负刚度动力吸振器同时具有更好的减振能力和更宽的有效减振频带宽度, 为了进一步降低共振峰幅值, 在负刚度吸振器系统耦合时滞反馈控制. 对负刚度时滞反馈控制动力吸振器系统进行等峰优化设计, 优化设计的准则是:第一和第二共振峰的峰值相等; 同时兼顾两个目标, 一个目标是在优化时的最大共振峰幅值小于被动负刚度吸振器系统的反共振峰幅值, 另一目标是在优化时共振峰幅值与反共振峰幅值差小于被动吸振器系统. 接着, 通过设计和调节负刚度系数、吸振器阻尼系数和时滞反馈控制系数对控制系统进行等峰优化设计. 最后, 在降低幅值的同时, 分析结构参数对有效减振频带宽度的影响. 经过等峰优化之后, 选择本文的一组结构参数与两个典型的模型进行对比. 为了定量比较不同模型的降幅效果, 定义了减幅百分比, 研究发现在有效减振频带区间内减幅百分比超过40%以上. 结果表明, 通过等峰优化准则对结构参数进行优化设计和调节增益系数和时滞量, 共振峰幅值的减幅百分比也近似达到40%, 也可以调节增益系数和时滞量, 使得幅频响应曲线具有较宽的有效减振频带和较低的共振峰幅值与反共振峰幅值的差值.      

磁力耦合道路能量收集设计与动力学分析

通过在交通环境布置无线传感器等小型机电系统, 实现交通状况监测、交通系统管控、交通设施健康状态监测等, 可以使交通系统更加安全、有序、高效地运行. 但是, 如何为这些广泛分布的小型机电系统供能？本文提出了一种磁力耦合道路能量收集设计, 用以收集车辆滚压能量并转换成电能. 通过磁力耦合进行无接触能量传递, 减小了装置受到的冲击并使得装置具有良好密封性, 从而提升装置的鲁棒性. 通过升频齿轮机构、棘轮机构将车辆滚压激励转换为高速单向旋转, 并且通过换向齿轮机构能够继续收集复位弹性势能, 提高了收集装置的输出功率. 基于磁力耦合道路能量收集系统的工作原理建立了机电耦合动力学模型. 数值仿真探究了减速带限位距离和复位弹簧刚度等关键设计参数对能量采集系统动力学和电学性能的影响. 能量采集系统在车速为50 km/h时最大输出电压为76.28 V, 最大功率为59.94 W. 磁力耦合道路能量收集装置可以成为未来智慧交通系统的重要组成部分, 俘获交通环境能量为交通环境中小型机电系统提供可持续的绿色无碳电力.      

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。     

面内压电振动能量采集动力学设计与性能研究

压电振动能量采集将环境中普遍存在的机械能转换为电能,可以实现自供能传感、控制与驱动,具备灵活、节能环保、可持续的优势,具有广阔的应用前景。为了促进压电振动能量采集器件的集成与融合,提出面内压电振动能量采集,将压电振动能量采集器进行扁平化设计,使其在二维平面内采集振动能量,在保证较大功率输出下能够显著减小器件所需三维空间。为了提高输出功率与工作频宽,设计了具有双稳态与力放大机制的面内压电振动能量采集器。考虑弯张小变形,通过能量法建立了面内压电振动能量采集器的机电耦合动力学模型。分析了关键设计参数对面内压电振动能量采集器性能的影响。数值仿真了面内压电振动能量采集器在简谐激励下的俘能性能,结果表明,通过合理的设计,面内压电振动能量采集器可以低频、宽频弱激励下有效俘获能量。面内压电振动能量采集设计方法有利于推动便携式、可穿戴式自供能等方面的应用和产业化。     

机械臂臂杆刚度主动控制下的末端振动特性研究

机械臂在运动过程中会因臂杆柔性引发结构变形和弹性振动,降低机械臂末端的定位精度和运动稳定性,将结构振动控制方法用于机械臂的振动抑制研究具有重要意义. 基于变刚度主动控制的设计思想,提出了臂杆刚度主动控制方法,通过改变机械臂臂杆的轴向受力状况来主动改变机械臂的刚度. 采用变形耦合法描述了机械臂的非线性变形,进而结合假设模态法和拉格朗日方程建立了臂杆的变刚度动力学模型,并进行了数值仿真. 在此基础上,设计了基于臂杆刚度主动控制方法的单自由度实验台,分析了不同预紧力下机械臂末端的振动特性. 数值仿真和实验结果表明,随着预紧力的增加,机械臂末端的振动幅值得到衰减,验证了臂杆刚度主动控制方法的有效性. 通过采用响应面法建立了机械臂末端的振动响应与预紧力的关系,并基于内部映射牛顿法的子空间置信域法优化算法对预紧力进行了优化分析,得到了最优预紧力. 该研究可为机械臂的精细动力学建模和振动抑制提供一定的理论依据,并为研究经济型低刚度材料的刚化问题提供了方向,以利用廉价低刚度材料取代目前所应用的昂贵高刚度材料.      

动力吸振器复合非线性能量阱对线性镗杆系统的振动控制

研究了线性动力吸振器复合非线性能量阱对线性镗杆在外部简谐激励下的振动控制. 忽略镗杆系统中的非线性因素, 建立了附加线性动力吸振器和非线性能量阱的镗杆系统的三自由度运动方程, 研究了附加复合式动力吸振器的镗杆系统的受迫振动. 通过平均法得到了附加复合式动力吸振器的镗杆系统的近似解析解, 并利用数值解验证了近似解析解的准确性, 两者具有很好的一致性. 利用近似解析解详细分析了线性动力吸振器和非线性能量阱的参数对镗杆振动抑制性能的影响. 对给定质量的复合式动力吸振器进行了参数优化, 其中线性动力吸振器参数采用H_∞优化方法的近似解析解进行了优化, 非线性能量阱的阻尼利用系统的近似解析解进行了优化. 分析结果表明, 线性动力吸振器与非线性能量阱组合可以有效抑制线性镗杆系统的振动, 而且采用参数优化后的复合式动力吸振器可以获得更好的减振效果. 通过附加非线性能量阱, 不但可以提高线性动力吸振器的振动抑制效果, 而且还可以提高振动控制系统的鲁棒性.      

RESEARCH ON VIBRATION CHARACTERISTICS OF THE MANIPULATOR END UNDER ACTIVE CONTROL OF ARM STIFFNESS$^{\bf 1)}$

机械臂在运动过程中会因臂杆柔性引发结构变形和弹性振动,降低机械臂末端的定位精度和运动稳定性,将结构振动控制方法用于机械臂的振动抑制研究具有重要意义. 基于变刚度主动控制的设计思想,提出了臂杆刚度主动控制方法,通过改变机械臂臂杆的轴向受力状况来主动改变机械臂的刚度. 采用变形耦合法描述了机械臂的非线性变形,进而结合假设模态法和拉格朗日方程建立了臂杆的变刚度动力学模型,并进行了数值仿真. 在此基础上,设计了基于臂杆刚度主动控制方法的单自由度实验台,分析了不同预紧力下机械臂末端的振动特性. 数值仿真和实验结果表明,随着预紧力的增加,机械臂末端的振动幅值得到衰减,验证了臂杆刚度主动控制方法的有效性. 通过采用响应面法建立了机械臂末端的振动响应与预紧力的关系,并基于内部映射牛顿法的子空间置信域法优化算法对预紧力进行了优化分析,得到了最优预紧力. 该研究可为机械臂的精细动力学建模和振动抑制提供一定的理论依据,并为研究经济型低刚度材料的刚化问题提供了方向,以利用廉价低刚度材料取代目前所应用的昂贵高刚度材料.     

On energy pumping, synchronization and beat phenomenon in a nonideal structure coupled to an essentially nonlinear oscillator

In this paper, we investigated the effectiveness of the linear electromechanical vibration absorber (LEVA) and a nonlinear electromechanical vibration absorber (NEVA) in the vibration attenuation for nonideal structures (NIS). This electromechanical damping device consists of an electrical system coupled magnetically to a mechanical structure under a nonideal excitation. An analysis of the effects of the parameters of coupling and of nonlinear coefficients with increasing of constant torque of the DC motor is presented.     

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.      

压电与摩擦电复合型旋转能量采集动力学协同调控机制研究

低转速激励下能量采集性能差是目前制约旋转能量采集技术应用的瓶颈问题. 本文提出了动力学协同调控机制, 并用于调控系统的动力学行为, 可以使器件在低转速激励下有效工作, 提高了旋转能量采集系统的电学性能. 旋转刚度软化、非线性磁力、几何边界的协同调控既可以增加系统在低速下的振动位移以及压电材料的形变, 也可调控系统的最大位移, 使其振动可控并限制位移过大提高可靠性. 此外, 几何边界可以方便地集成摩擦纳米发电机, 实现压电与摩擦两种机电转换机制在振动和碰撞过程中协同发电, 有效利用空间和提高输出电能. 基于哈密顿原理建立了系统的机电耦合动力学模型并进行了实验验证. 实验结果表明系统能够在0~250 r/min的低转速范围内有效工作, 在转速为250 r/min时, 压电单元和摩擦纳米发电机的最大峰峰值电压分别为132 V和1128 V, 总平均功率为1426 μW. 本文提出的动力学协同调控机制为能量采集系统动力学和电学性能改进提供新的途径, 有益于促进自供能物联网技术的发展与应用.