工程振動(dòng)分析與控制基礎(chǔ) 課件 第2版-第8-11章 動(dòng)力吸振技術(shù) -振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)

《工程振動(dòng)分析與控制基礎(chǔ)》第8章動(dòng)力吸振技術(shù)第8

章動(dòng)力吸振技術(shù)8.1引言8.2無(wú)阻尼動(dòng)力吸振器8.3有阻尼動(dòng)力吸振器8.4應(yīng)用與研究進(jìn)展8.5工程應(yīng)用實(shí)例23145678.1引言

8.1引言

機(jī)器設(shè)備受到激勵(lì)而產(chǎn)生振動(dòng)時(shí),可以在設(shè)備上附加一個(gè)輔助系統(tǒng)(由輔助質(zhì)量、彈性元件和阻尼元件組成)。當(dāng)設(shè)備(主系統(tǒng))振動(dòng)時(shí),這個(gè)輔助系統(tǒng)也隨之振動(dòng),利用輔助系統(tǒng)的動(dòng)力作用,使其施加到設(shè)備上的動(dòng)力與激振力互相抵消,使得設(shè)備的振動(dòng)得到抑制,這種振動(dòng)控制技術(shù)稱(chēng)為動(dòng)力吸振技術(shù)(又稱(chēng)動(dòng)力減振技術(shù)),所附加的輔助系統(tǒng)稱(chēng)為動(dòng)力吸振器(DynamicVibrationAbsorber,DVA),又稱(chēng)可調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TunedMassDamper,TMD)最具有代表性的應(yīng)用是臺(tái)北101摩天大樓上使用的動(dòng)力吸振器,用來(lái)抵抗風(fēng)致振動(dòng)的影響21345678.2無(wú)阻尼動(dòng)力吸振器8.2.1基本原理-1圖8-2所示為無(wú)阻尼動(dòng)力吸振系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型,圖中主系統(tǒng)的設(shè)備質(zhì)量(主質(zhì)量)為m1,激勵(lì)力為F1ejωt,主系統(tǒng)的剛度為k1;動(dòng)力吸振器的質(zhì)量(輔助質(zhì)量)為m2,剛度為k2原有主系統(tǒng)安裝動(dòng)力吸振器后,由一個(gè)單自由度系統(tǒng)變成了一個(gè)2自由度系統(tǒng),其強(qiáng)迫振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)微分方程為:利用頻響函數(shù)法求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng),易得系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩陣為圖8-2無(wú)阻尼動(dòng)力吸振系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型8.2.1基本原理-2經(jīng)計(jì)算整理后易得主質(zhì)量和輔助質(zhì)量的相對(duì)振幅分別為:從式(8-3)可看出,當(dāng)α=λ時(shí),A1=0,即主系統(tǒng)振幅為零,動(dòng)力吸振器就是利用這一特性來(lái)消除主系統(tǒng)振動(dòng)的。此時(shí),主質(zhì)量靜止,外激勵(lì)力僅僅使動(dòng)力吸振器中的輔助質(zhì)量產(chǎn)生振動(dòng),其最大振幅為:

A2=-F1A/k2(8-4)8.2.2設(shè)計(jì)要點(diǎn)在設(shè)計(jì)無(wú)阻尼動(dòng)力吸振器時(shí),應(yīng)注意考慮以下問(wèn)題:1)為了消除原有主系統(tǒng)的共振振幅,應(yīng)使吸振器的固有頻率ω2等于主系統(tǒng)的固有頻率ω1,即α=1,則當(dāng)λ=α=1時(shí),由式(8-3a)可知主系統(tǒng)的共振振幅A1=0,即達(dá)到減振的目的。2)注意擴(kuò)大吸振器的減振頻帶3)應(yīng)考慮吸振器的振幅A2能否滿足結(jié)構(gòu)空間要求綜上所述,無(wú)阻尼動(dòng)力吸振器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,元件少,減振效果好。但減振頻帶窄,主要適用于激振頻率變化不大的情況21345678.3有阻尼動(dòng)力吸振器8.3.1基本原理在上述無(wú)阻尼動(dòng)力吸振器中,加入適當(dāng)?shù)淖枘?就構(gòu)成了有阻尼動(dòng)力吸振器。它除了具有動(dòng)力吸振作用外,還可利用阻尼消耗振動(dòng)能量,使得減振效果更好,還可使減振頻帶加寬,具有更廣的適用范圍圖8-4所示為有阻尼動(dòng)力吸振系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。與圖8-1相比可知,輔助質(zhì)量m2與主質(zhì)量m1之間除了彈性元件k2外,還加入了阻尼元件c2,則相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)微分方程為:同樣利用頻響函數(shù)法可求得主質(zhì)量和輔助質(zhì)量的相對(duì)振幅分別為:式中,ζ=c2/(2)為吸振器的阻尼比,其他參數(shù)的含義同前8.3.2設(shè)計(jì)要點(diǎn)在設(shè)計(jì)有阻尼動(dòng)力吸振器時(shí),應(yīng)注意以下兩個(gè)問(wèn)題1)為保證吸振器在整個(gè)頻率范圍內(nèi)都有較好的減振效果,在設(shè)計(jì)吸振器參數(shù)時(shí),應(yīng)滿足使P、Q兩點(diǎn)的縱坐標(biāo)相等且成為曲線上的最高點(diǎn)的條件(見(jiàn)圖8-6)。為滿足這一條件,最優(yōu)的吸振器參數(shù)如下:2)為了保證減振效果達(dá)到預(yù)定的要求,在滿足上述最佳參數(shù)的情況下,還應(yīng)使P和Q兩點(diǎn)縱坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的振幅小于允許的振幅,即圖8-6安裝有阻尼動(dòng)力吸振器后主質(zhì)量的幅頻響應(yīng)(μ=0.1,α=αopt,ζ=ζopt)21345678.4應(yīng)用與研究進(jìn)展8.4.1被動(dòng)式動(dòng)力吸振技術(shù)-11.軌道車(chē)輛動(dòng)力吸振技術(shù)圖8-9所示為國(guó)外研制的鋼軌動(dòng)力吸振器,能夠有效地抑制鋼軌的共振,降低輪軌噪聲3dB圖8-9鋼軌動(dòng)力吸振器8.4.1被動(dòng)式動(dòng)力吸振技術(shù)-22.直升機(jī)旋翼動(dòng)力吸振技術(shù)減振技術(shù)一直是直升機(jī)型號(hào)發(fā)展中要解決的一個(gè)重要問(wèn)題,也是伴隨直升機(jī)誕生而來(lái)的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn),直升機(jī)設(shè)計(jì)階段必須盡最大努力控制和降低振動(dòng)水平目前,直升機(jī)上廣泛采用的是被動(dòng)式吸振技術(shù),主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)原結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品不做任何修改,可以作為選裝件。被動(dòng)式動(dòng)力吸振器包括旋翼動(dòng)力吸振器和機(jī)身常規(guī)動(dòng)力吸振器直升機(jī)槳轂雙線擺式動(dòng)力吸振器的結(jié)構(gòu)如圖8-15所示,一般布置在相鄰兩片槳葉之間,支臂固定在槳轂上,用以吸收旋翼水平振動(dòng)。其動(dòng)力吸振原理是:當(dāng)直升機(jī)旋翼旋轉(zhuǎn)時(shí),配重塊就在銷(xiāo)子上做純滾動(dòng),產(chǎn)生離心力分量來(lái)平衡由旋翼產(chǎn)生的激振力,達(dá)到吸振的目的8.4.2主動(dòng)式動(dòng)力吸振技術(shù)-11.主動(dòng)式動(dòng)力吸振器主動(dòng)式動(dòng)力吸振器工作的過(guò)程中,吸振器會(huì)根據(jù)作用于主系統(tǒng)上外激勵(lì)力的變化隨時(shí)調(diào)整作動(dòng)力大小,產(chǎn)生一個(gè)與外激勵(lì)力大小相等但是方向相反的力作用在主系統(tǒng)上,從而盡可能地使主系統(tǒng)所受的力為零,以此減弱主系統(tǒng)的振動(dòng)水平,實(shí)現(xiàn)振動(dòng)控制的目的主動(dòng)式動(dòng)力吸振器由于能夠快速準(zhǔn)確地追蹤主系統(tǒng)外激勵(lì)力的變化,因而具有較好的寬頻控制效果與良好的魯棒性與減振量級(jí)主動(dòng)式吸振技術(shù)的作動(dòng)器需要較大的能量輸入,以提供抵消受控對(duì)象的作用力,特別是在外激勵(lì)頻率與吸振頻率有一定偏差時(shí),其所需的能量輸入將急劇上升,這會(huì)增加系統(tǒng)的負(fù)擔(dān),同時(shí)其穩(wěn)定性也會(huì)受到影響,使得其應(yīng)用受到限制8.4.2主動(dòng)式動(dòng)力吸振技術(shù)-22.半主動(dòng)式動(dòng)力吸振器半主動(dòng)式動(dòng)力吸振技術(shù)通過(guò)在主系統(tǒng)上安裝動(dòng)態(tài)特性參數(shù)可調(diào)的動(dòng)力吸振器,使得主系統(tǒng)的固有頻率能夠隨著外界激勵(lì)的變化而變化,充分吸收主系統(tǒng)的振動(dòng),以達(dá)到最好的吸振效果半主動(dòng)式動(dòng)力吸振技術(shù)不需要提供很大的外界能量,系統(tǒng)相對(duì)較為簡(jiǎn)單、穩(wěn)定,吸振效果良好,兼具了主動(dòng)式動(dòng)力吸振器和被動(dòng)式動(dòng)力吸振器的優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用前景更為廣闊,已廣泛應(yīng)用于土木與建筑工程以及車(chē)輛工程等領(lǐng)域按照調(diào)諧參數(shù)的不同,半主動(dòng)式動(dòng)力吸振器又可分為阻尼可調(diào)式和剛度可調(diào)式兩大類(lèi)21345678.5工程應(yīng)用實(shí)例8.5.1多跨轉(zhuǎn)子軸系臨界振動(dòng)控制電力、石化等領(lǐng)域的許多大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械普遍采用多跨串聯(lián)運(yùn)行方式,如低壓和高壓離心壓縮機(jī)串聯(lián)機(jī)組等對(duì)不平衡轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡是降低轉(zhuǎn)子臨界共振的常用措施圖8-22雙跨轉(zhuǎn)子軸系試驗(yàn)臺(tái)8.5.2輕型客車(chē)動(dòng)力總成振動(dòng)控制汽車(chē)的動(dòng)力總成由發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器及其附件組成,它是汽車(chē)的動(dòng)力源和動(dòng)力的傳輸機(jī)構(gòu),也是汽車(chē)上最主要的振動(dòng)噪聲源,圖8-24所示為安裝在轎車(chē)副車(chē)架上的動(dòng)力吸振器,用以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的轟鳴聲圖8-24安裝在轎車(chē)副車(chē)架上的動(dòng)力吸振器8.5.3衛(wèi)星飛輪振動(dòng)控制研究發(fā)現(xiàn),飛輪振動(dòng)是影響衛(wèi)星有效載荷性能指標(biāo)的主要因素,對(duì)其進(jìn)行有效振動(dòng)控制顯得十分必要本例采用動(dòng)力吸振技術(shù)對(duì)飛輪振動(dòng)進(jìn)行控制。所設(shè)計(jì)的飛輪動(dòng)力吸振器結(jié)構(gòu)如圖8-26所示圖8-26飛輪動(dòng)力吸振器結(jié)構(gòu)8.5.4硬巖掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)振動(dòng)控制硬巖掘進(jìn)機(jī)(TunnelBoringMachine,TBM)是隧道掘進(jìn)的重大裝備，廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、水利、市政建設(shè)等,其推進(jìn)系統(tǒng)主要由刀盤(pán)、主梁、后支撐、鞍架和撐靴等圖8-29海瑞克敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)謝謝?！豆こ陶駝?dòng)分析與控制基礎(chǔ)》第8章編寫(xiě)組《工程振動(dòng)分析與控制基礎(chǔ)》第9章黏彈阻尼技術(shù)第9章黏彈阻尼技術(shù)9.1引言9.2材料的阻尼耗能機(jī)理9.3黏彈材料9.4應(yīng)用與研究進(jìn)展9.5工程應(yīng)用實(shí)例23145679.1引言

9.1引言

阻尼是振動(dòng)系統(tǒng)損耗振動(dòng)能量的能力,與慣性和彈性一起均屬于系統(tǒng)的固有屬性對(duì)于工程結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),增加阻尼不僅可以降低結(jié)構(gòu)的共振振幅,避免結(jié)構(gòu)因動(dòng)應(yīng)力達(dá)到極限而破壞,提高結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性,而且有助于減少結(jié)構(gòu)的輻射噪聲適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)阻尼是抑制工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)的一種重要手段,目前已發(fā)展成為一門(mén)專(zhuān)門(mén)的技術(shù),通常稱(chēng)為阻尼減振技術(shù)阻尼減振技術(shù)根據(jù)增加阻尼方式的不同而多種多樣,其中尤以通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)附加黏彈材料(ViscoelasticMaterial,VEM)來(lái)增加結(jié)構(gòu)阻尼的黏彈阻尼(ViscoelasticDamping,VED)技術(shù)最為常用21345679.2材料的阻尼耗能機(jī)理9.2材料的阻尼耗能機(jī)理-1一個(gè)振動(dòng)著的固體,即使與外界完全隔離,它的機(jī)械能也會(huì)轉(zhuǎn)換成熱能,從而使振動(dòng)在一定時(shí)間內(nèi)逐漸衰減下來(lái),這種由于材料內(nèi)部的原因而使機(jī)械能消耗的現(xiàn)象稱(chēng)為阻尼,或稱(chēng)作內(nèi)耗。它是指材料在振動(dòng)過(guò)程中通過(guò)其內(nèi)部因素將機(jī)械振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能而耗散于材料和環(huán)境之中,這樣在宏觀層面上就減少了材料的物理振動(dòng),從而達(dá)到阻尼的效果從耗能機(jī)理角度來(lái)說(shuō),材料阻尼通常分為動(dòng)滯后阻尼和靜滯后阻尼兩類(lèi)9.2材料的阻尼耗能機(jī)理-21.動(dòng)滯后阻尼(滯彈性阻尼)對(duì)于理想的完全彈性體而言,其產(chǎn)生的應(yīng)力與應(yīng)變之間為單值函數(shù)關(guān)系。這樣的固體在加載和卸載時(shí),應(yīng)變總是瞬時(shí)達(dá)到其平衡值在發(fā)生振動(dòng)時(shí),應(yīng)力和應(yīng)變始終保持同相位,而且呈線性關(guān)系,稱(chēng)為“彈性”,不會(huì)產(chǎn)生阻尼,如圖9-1a所示

圖9-1材料應(yīng)力—應(yīng)變曲線9.2材料的阻尼耗能機(jī)理-32.靜滯后阻尼靜滯后阻尼是指材料的應(yīng)變并不滯后于應(yīng)力,但應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系不是單值函數(shù),當(dāng)去掉應(yīng)力時(shí)還保留著一個(gè)殘余變形,只有加上反向應(yīng)力時(shí)變形才會(huì)消失。在循環(huán)應(yīng)力下同樣可以得到應(yīng)力—應(yīng)變曲線。靜滯后阻尼與頻率無(wú)關(guān),而與振幅有顯著的依賴(lài)關(guān)系21345679.3黏性材料9.3.1概述2.靜滯后阻尼黏彈材料是一種高分子聚合物,主要有橡膠類(lèi)和塑料類(lèi),由小而簡(jiǎn)單的化學(xué)單元(鏈節(jié))構(gòu)成長(zhǎng)鏈分子,分子與分子之間依靠化學(xué)鍵或物理纏結(jié)相互連接起來(lái),在三維方向上如樹(shù)枝狀地連成三維分子網(wǎng),成千上萬(wàn)個(gè)分子共聚或縮緊而形成黏彈材料的阻尼屬于典型的動(dòng)滯后阻尼黏彈材料的阻尼性能(阻尼損耗因子)主要受溫度和頻率的影響,頻率高到或溫度低到一定的程度時(shí),黏彈材料呈現(xiàn)玻璃態(tài),失去阻尼性能;而在低頻或高溫時(shí),黏彈材料呈現(xiàn)橡膠態(tài),損耗因子也很小,只有在某一溫度和頻率范圍內(nèi)損耗因子才存在峰值利用黏彈材料的高阻尼特性,將其附加在結(jié)構(gòu)體表面或作為阻尼器使用來(lái)增加結(jié)構(gòu)的內(nèi)阻尼,以降低結(jié)構(gòu)體的振動(dòng)的技術(shù)稱(chēng)為黏彈阻尼技術(shù)9.3.2使用方法黏彈材料主要有生膠和成品膠片兩種形式,如圖9-2所示自粘型阻尼材料時(shí),首先要求清除結(jié)構(gòu)表面的銹蝕油跡,用一般溶劑(汽油、丙酮、工業(yè)酒精等)擦去油污。然后按粘貼面積大小,裁剪阻尼膠片,待擦拭結(jié)構(gòu)表面的溶劑揮發(fā)后,撕去自粘型阻尼膠片背面的隔離紙,即可粘貼圖9-2黏彈材料的生膠與成品膠片9.3.3附加阻尼結(jié)構(gòu)/阻尼器黏彈阻尼技術(shù)增加結(jié)構(gòu)內(nèi)阻尼的方式往往是通過(guò)附加阻尼結(jié)構(gòu)或阻尼器得以實(shí)施的,其中的附加阻尼結(jié)構(gòu)是指在需要減振的結(jié)構(gòu)體表面上直接粘附一種包含黏彈材料在內(nèi)的結(jié)構(gòu)層,而附加阻尼器則是將黏彈材料制作成一種器件附加在結(jié)構(gòu)體上1.自由層阻尼結(jié)構(gòu)2.約束層阻尼結(jié)構(gòu)3.可調(diào)諧黏彈阻尼器4.附加阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)21345679.4應(yīng)用與研究進(jìn)展9.4.1直升機(jī)旋翼擺振阻尼器直升機(jī)旋翼擺振阻尼器是用來(lái)抑制旋翼的擺振運(yùn)動(dòng),防止直升機(jī)產(chǎn)生“地面共振”和“空中共振”不可缺少的重要部件黏彈阻尼器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn),是目前最為成熟的抑制直升機(jī)旋翼擺振的阻尼器之一,它利用槳葉的擺振運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)阻尼器中的黏彈材料發(fā)生剪切變形,從而將振動(dòng)能量耗散掉,以提高飛行的穩(wěn)定性常見(jiàn)的直升機(jī)旋翼黏彈阻尼器如圖9-5所示,主要分為平板式、筒式和層壓式三種9.4.2車(chē)輛與飛機(jī)的阻尼減震-1汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)的罩板、車(chē)身壁板、列車(chē)車(chē)廂壁板以及飛機(jī)蒙皮等大都具有大面積薄壁結(jié)構(gòu)形式,采用黏彈阻尼技術(shù)對(duì)其進(jìn)行處理一直是上述相關(guān)工程領(lǐng)域重要的減振技術(shù)措施之一,對(duì)于降低車(chē)輛與飛機(jī)的振動(dòng)與艙內(nèi)噪聲,提高乘坐舒適性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義1.汽車(chē)黏彈阻尼技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用,是汽車(chē)NVH(Noise,VibrationandHarshness)技術(shù)中重要的技術(shù)手段之一目前,對(duì)車(chē)體和底板進(jìn)行阻尼處理是公認(rèn)的最為有效的抑制100~500Hz頻帶的結(jié)構(gòu)聲、增加空氣聲隔聲量的NVH技術(shù)措施近年來(lái),一種新型阻尼夾層玻璃已用于汽車(chē)側(cè)、后窗中,這種三明治型夾層玻璃是采用熱壓工藝將一層聚乙烯醇縮丁醛高分子材料粘接在雙層玻璃中間,可使車(chē)輛的胎噪和風(fēng)噪明顯降低9.4.2車(chē)輛與飛機(jī)的阻尼減震-22.列車(chē)(1)列車(chē)車(chē)廂隨著列車(chē)運(yùn)行速度的提高,乘坐舒適性越來(lái)越受到重視,作為車(chē)輛NVH技術(shù)的重要手段之一,黏彈阻尼技術(shù)也廣泛應(yīng)用于列車(chē)車(chē)廂的振動(dòng)與噪聲控制領(lǐng)域(2)列車(chē)車(chē)輪采用黏彈阻尼技術(shù)的阻尼車(chē)輪是目前抑制列車(chē)輪軌噪聲的主要技術(shù)手段之一,通常采用兩種方式,一種是在車(chē)輪輪輞內(nèi)外兩側(cè)嵌入鋼制阻尼環(huán),如圖9-11所示圖9-11帶有鋼制阻尼環(huán)的列車(chē)車(chē)輪9.4.2車(chē)輛與飛機(jī)的阻尼減震-33.商用飛機(jī)降低艙內(nèi)噪聲的方法很多,其中尤以采用黏彈阻尼技術(shù)對(duì)機(jī)身蒙皮進(jìn)行阻尼處理的方法最為常用。由于質(zhì)量限制,阻尼處理方案需要經(jīng)過(guò)認(rèn)真設(shè)計(jì),以保證阻尼最優(yōu)而質(zhì)量最小,因而約束層材料最好采用復(fù)合材料人們?cè)O(shè)計(jì)了一種阻隔層阻尼(Stand-OffLayerDamping)結(jié)構(gòu),如圖9-15所示,其作用相當(dāng)于一種運(yùn)動(dòng)放大器,可顯著增加黏彈材料層的剪切變形,從而極大地提高結(jié)構(gòu)的阻尼性能,同時(shí)制成溝槽形式,有利于降低彎曲剛度和附加質(zhì)量圖9-15阻隔層阻尼結(jié)構(gòu)9.4.3主動(dòng)約束層阻尼技術(shù)-1隨著振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展,一種新穎的主動(dòng)約束層阻尼(ActiveConstrainedLayerDamping,ACLD)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,它是傳統(tǒng)的被動(dòng)約束層阻尼技術(shù)與主動(dòng)控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物,通過(guò)將前者的被動(dòng)約束層改用機(jī)敏材料(如壓電材料)制成的主動(dòng)約束層代替并配置以一套控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)約束層阻尼結(jié)構(gòu)的減振機(jī)理是:當(dāng)結(jié)構(gòu)體(基本彈性層)產(chǎn)生振動(dòng)時(shí),黏彈材料層發(fā)生剪切變形而消耗振動(dòng)能量,與此同時(shí),傳感器拾取結(jié)構(gòu)體的振動(dòng)信號(hào),并通過(guò)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)約束層使其發(fā)生變形,從而加劇黏彈材料層的剪切變形,增強(qiáng)振動(dòng)的耗散能力,進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)體的振動(dòng)實(shí)現(xiàn)控制由于壓電材料頻響范圍寬、響應(yīng)速度快、質(zhì)量小、價(jià)格低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,且能夠?qū)崿F(xiàn)電能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化,已成為主動(dòng)約束層阻尼結(jié)構(gòu)中最常用的主動(dòng)約束層材料9.4.3主動(dòng)約束層阻尼技術(shù)-2主動(dòng)約束層阻尼結(jié)構(gòu)的布局主要有兩種,如圖9-21所示主動(dòng)約束層阻尼結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn):①當(dāng)對(duì)主動(dòng)壓電約束層施加一定的電壓時(shí),就可以增加黏彈材料的剪切變形,從而增加其振動(dòng)耗散能力;②振動(dòng)控制頻帶更寬;③增加了振動(dòng)控制系統(tǒng)的魯棒性,主動(dòng)控制失效時(shí),主動(dòng)約束層阻尼結(jié)構(gòu)就退化為傳統(tǒng)的被動(dòng)約束層阻尼(PCLD)結(jié)構(gòu),系統(tǒng)仍具有一定的振動(dòng)控制效果圖9-21主動(dòng)約束層阻尼結(jié)構(gòu)布局9.4.4阻尼合金-1阻尼合金屬于材料減振的范疇,可以從根本上抑制設(shè)備本體的振動(dòng),特別適用于工作在復(fù)雜動(dòng)力工況或惡劣環(huán)境下的設(shè)備或結(jié)構(gòu)的減振阻尼合金(DampingAlloy)是一類(lèi)阻尼大、能使振動(dòng)迅速衰減的新型金屬功能材料,能夠明顯地減輕各種應(yīng)變載荷引起的振動(dòng)及噪聲圖9-22主動(dòng)約束層阻尼技術(shù)應(yīng)用于懸臂梁的振動(dòng)控制9.4.4阻尼合金-21.分類(lèi)阻尼合金按其阻尼機(jī)理可分為復(fù)相型、鐵磁型、位錯(cuò)型和孿晶型4類(lèi)(1)復(fù)相型復(fù)相型合金是在強(qiáng)韌的基體上分布著軟的第二相,通過(guò)相界面的塑性流動(dòng)或第二相的塑性變形吸收振動(dòng)能并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?屬于滯彈性阻尼(2)鐵磁型鐵磁型合金是由于外力和磁致伸縮效應(yīng)的相互作用產(chǎn)生的磁性-力學(xué)滯后效應(yīng)而消耗振動(dòng)能量的,屬于靜滯后阻尼(3)位錯(cuò)型位錯(cuò)型合金晶體組織中存在析出相或雜質(zhì)原子,對(duì)位錯(cuò)有釘扎作用,在外力作用下位錯(cuò)線做不可逆的往復(fù)運(yùn)動(dòng),因而產(chǎn)生阻尼作用,屬于靜滯后阻尼(4)孿晶型孿晶型合金中一般存在熱彈性馬氏體,基體與馬氏體相界面的移動(dòng)、馬氏體相亞晶界的移動(dòng)或者孿晶界的移動(dòng)所產(chǎn)生的損耗是該類(lèi)合金產(chǎn)生阻尼的原因,屬于滯彈性阻尼9.4.4阻尼合金-32.應(yīng)用概況阻尼合金經(jīng)過(guò)多年的不斷發(fā)展,現(xiàn)已有上百種新型阻尼合金問(wèn)世,并投入實(shí)際應(yīng)用,其中尤以孿晶型Mn-Cu系合金最具有代表性目前阻尼合金已被用于很多工程領(lǐng)域,在航天航空領(lǐng)域,用于制造飛船、衛(wèi)星、火箭、飛機(jī)的控制盤(pán)和陀螺儀等精密儀器;在船舶工程領(lǐng)域,用于制造螺旋槳和發(fā)動(dòng)機(jī)等部件;在車(chē)輛工程領(lǐng)域,用于制造車(chē)輪、車(chē)體、制動(dòng)器、發(fā)動(dòng)機(jī)變速器、減振輪轂等;在土木建筑工程領(lǐng)域,用于制造大型建筑物、橋梁、鑿巖機(jī)等;在機(jī)械工程領(lǐng)域,用于制造機(jī)床、風(fēng)機(jī)葉片、圓盤(pán)鋸、各種齒輪等21345679.5工程應(yīng)用實(shí)例9.5.1

16m立式車(chē)床的振動(dòng)控制16m立式車(chē)床是一種重型機(jī)床,其立柱用22mm厚的鋼板焊接,高度為13m,是板厚的600倍左右。由于鋼材阻尼只有鑄鐵的1/3,因此該立柱結(jié)構(gòu)抗振性能較差。為此,采用黏彈阻尼技術(shù)來(lái)增加立柱的結(jié)構(gòu)阻尼,從而改善機(jī)床的抗振性能立柱-橫梁模型采用局部約束阻尼處理,處理位置如圖9-25所示:立柱僅在1/3高度內(nèi)的外表面,橫梁在靠近固定端1/2長(zhǎng)度內(nèi)的外表面。阻尼層為厚度1mm的ZN05型阻尼材料,約束層采用1.2mm厚鋼板。試驗(yàn)結(jié)果表明這種阻尼處理是有效的圖9-25

16m立式車(chē)床的立柱-橫梁模型9.5.2飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的振動(dòng)控制約束阻尼層由鋁箔和黏彈性阻尼層(采用3M粘合劑)交替包覆葉片組成。為了使粘結(jié)牢靠,采用了真空袋加壓和熱壓罐固化等工藝。處理中,鋁箔有兩種厚度,一種厚0.05mm,另一種厚0.127mm,阻尼層厚0.05mm。葉片及其阻尼處理形式如圖9-26所示實(shí)踐表明這種阻尼處理可以很好地解決該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口導(dǎo)流葉片的疲勞開(kāi)裂問(wèn)題,經(jīng)阻尼處理后葉片的動(dòng)應(yīng)力峰值顯著降低,使用壽命大為延長(zhǎng)(>1200h)。原先用于進(jìn)口導(dǎo)流葉片修補(bǔ)和更換的費(fèi)用每年約需150萬(wàn)美元,采用阻尼處理后可節(jié)省120萬(wàn)美元圖9-26某航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口導(dǎo)流葉片阻尼處理形式9.5.3機(jī)床床身?yè)u擺振動(dòng)控制機(jī)床床身的低頻搖擺振動(dòng)(RockingVibration)直接影響機(jī)床的加工質(zhì)量,一直是機(jī)床設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題圖9-28中阻尼器的材料采用聚異丁烯基熱塑性彈性體,這種材料抑制剪切應(yīng)力的效果非常顯著,常用于抑制地震時(shí)家具的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),因此用這種材料制作的黏彈阻尼器對(duì)于抑制機(jī)床床身的水平往復(fù)搖擺振動(dòng)是十分有效的圖9-28機(jī)床床身改進(jìn)型支撐結(jié)構(gòu)示意圖謝謝?！豆こ陶駝?dòng)分析與控制基礎(chǔ)》第9章編寫(xiě)組《工程振動(dòng)分析與控制基礎(chǔ)》第10章顆粒阻尼技術(shù)第10

章顆粒阻尼技術(shù)10.1引言10.2沖擊阻尼技術(shù)10.3顆粒阻尼技術(shù)10.4應(yīng)用與研究進(jìn)展10.5工程應(yīng)用實(shí)例231456710.1引言

10.1引言為了解決在極端惡劣條件下(高溫、極寒、高壓、油污以及酸堿腐蝕等惡劣環(huán)境)工作的結(jié)構(gòu)寬頻振動(dòng)控制問(wèn)題,研究和發(fā)展新型被動(dòng)減振技術(shù)就變得十分必要和迫切顆粒阻尼以?xún)?yōu)良的減振效果以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、易于實(shí)施、適用于惡劣環(huán)境等一系列優(yōu)點(diǎn),在工程實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用,并取得了良好的效果為了便于更好地理解和掌握顆粒阻尼技術(shù),本章將首先對(duì)沖擊阻尼技術(shù)進(jìn)行概述,然后重點(diǎn)對(duì)顆粒阻尼技術(shù)的分類(lèi)及其減振機(jī)理與特性、應(yīng)用與研究進(jìn)展進(jìn)行詳細(xì)的介紹,并給出工程應(yīng)用實(shí)例213456710.2沖擊阻尼技術(shù)10.2沖擊阻尼技術(shù)-1沖擊阻尼技術(shù)是利用兩物體進(jìn)行非彈性碰撞后經(jīng)過(guò)動(dòng)量交換而耗散能量的它是通過(guò)在結(jié)構(gòu)體(主系統(tǒng))內(nèi)部空腔放置一個(gè)起沖擊作用的沖擊體(剛性質(zhì)量塊或球體顆粒),或者在結(jié)構(gòu)體表面附加一個(gè)帶有沖擊體的腔體[即沖擊阻尼器(ImpactDamper),又稱(chēng)加速度阻尼器]來(lái)實(shí)現(xiàn)的當(dāng)結(jié)構(gòu)體振動(dòng)時(shí),沖擊體將進(jìn)行沖擊運(yùn)動(dòng),與結(jié)構(gòu)體反復(fù)碰撞將其振動(dòng)能量耗散,達(dá)到減振的目的圖10-1單體沖擊阻尼器動(dòng)力學(xué)模型10.2沖擊阻尼技術(shù)-2一般而言,為提高沖擊阻尼器的減振效果,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下準(zhǔn)則:1)要實(shí)現(xiàn)沖擊減振,首先要使沖擊體對(duì)結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)周期性沖擊運(yùn)動(dòng),因此合理選擇沖擊體與結(jié)構(gòu)體腔體之間的運(yùn)動(dòng)間隙是關(guān)鍵,同時(shí)希望沖擊體和結(jié)構(gòu)體都以最大運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行碰撞,以獲得有力的碰撞條件,造成最大的能量損失2)沖擊體質(zhì)量越大,碰撞時(shí)消耗的能量就越大。因此,在結(jié)構(gòu)空間尺寸允許的前提下,選用盡可能大質(zhì)量比的沖擊體。若空間尺寸受限制,沖擊體的材料可選用密度大的材料(如鉛、鎢等),以增加沖擊質(zhì)量3)沖擊體一般安裝在結(jié)構(gòu)體振動(dòng)幅值最大的位置,以提高減振效果213456710.3顆粒阻尼技術(shù)10.3.1概述沖擊阻尼的局限性：①?zèng)_擊體與結(jié)構(gòu)體之間碰撞而引發(fā)的沖擊阻尼效應(yīng)較弱,耗散振動(dòng)能量的能力不高;②寬頻和多模態(tài)耦合狀態(tài)下的減振效果不好;③減振的同時(shí)由于沖擊作用而產(chǎn)生較高的沖擊噪聲以及較大的接觸應(yīng)力顆粒阻尼技術(shù)是在傳統(tǒng)的沖擊阻尼技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新型阻尼減振技術(shù),是一種廣義沖擊阻尼技術(shù)技術(shù)用大量顆粒代替?zhèn)鹘y(tǒng)的沖擊體,阻尼效應(yīng)不僅包含顆粒與結(jié)構(gòu)體之間的碰撞與摩擦效應(yīng),還包含顆粒之間的碰撞與摩擦效應(yīng),阻尼耗能能力顯著增強(qiáng),因此顆粒阻尼可以認(rèn)為是傳統(tǒng)沖擊阻尼和摩擦阻尼效應(yīng)的疊加顆粒阻尼技術(shù)的實(shí)施也主要分為兩種:①顆粒阻尼器②非阻塞性顆粒阻尼10.3.2顆粒阻尼器-1

1.傳統(tǒng)顆粒阻尼器動(dòng)態(tài)載荷環(huán)境下的非黏性顆粒群具有良好的動(dòng)態(tài)和波傳播性能,可以用于制作被動(dòng)阻尼減振裝置與傳統(tǒng)沖擊阻尼器相比,其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將原來(lái)的單顆粒沖擊體用眾多微小顆粒代替,這樣的顆粒群所呈現(xiàn)的阻尼性能以及減振降噪能力是單顆粒無(wú)法比擬的圖10-4顆粒材料:鉛粒(左)和鎢粉(右)圖10-5傳統(tǒng)顆粒阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖10.3.2顆粒阻尼器-22.豆包阻尼器豆包阻尼器的包袋材料采用了具有良好恢復(fù)性能的皮革或人造革等,因此在沖擊碰撞時(shí),包袋層首先與固連在結(jié)構(gòu)體上的阻尼器殼體接觸,起到了一種緩沖作用由于柔性約束的效應(yīng),帶動(dòng)包袋內(nèi)的金屬顆粒先后不一地參與碰撞接觸,不但大大延長(zhǎng)了總體接觸時(shí)間,而且起到了一種使沖擊力大大減小的非線性緩沖作用由于包袋層的柔性約束作用,加劇了顆粒間的相互碰撞和摩擦作用,消耗了更多的能量,從而使豆包阻尼器表現(xiàn)出良好的減振效果圖10-6豆包阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖10.3.3非阻塞性顆粒阻尼技術(shù)-1非阻塞性顆粒阻尼技術(shù)是在結(jié)構(gòu)體的振動(dòng)劇烈部位或振動(dòng)傳輸路徑上加工一定數(shù)量的孔洞,其中填充適當(dāng)數(shù)量的、直徑介于0.05~5mm之間的金屬或非金屬顆粒,使之在孔中處于非阻塞狀態(tài)(見(jiàn)圖10-7)。隨著結(jié)構(gòu)體的振動(dòng),顆粒相互之間以及顆粒與結(jié)構(gòu)體之間不斷地碰撞和摩擦,以此消耗結(jié)構(gòu)體的振動(dòng)能量,達(dá)到減振或隔振的目的圖10-7非阻塞性顆粒阻尼結(jié)構(gòu)示意圖10.3.3非阻塞性顆粒阻尼技術(shù)-2非阻塞性顆粒阻尼技術(shù)是在結(jié)構(gòu)體的振動(dòng)劇烈部位或振動(dòng)傳輸路徑上加工非阻塞性顆粒阻尼技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是①基本上不增加結(jié)構(gòu)體的總體質(zhì)量,有利于輕量化;②無(wú)須改變結(jié)構(gòu)部件的總體外形設(shè)計(jì);③阻尼效果十分顯著;阻尼特性基本不受環(huán)境條件的影響,性能穩(wěn)定,不老化;⑤具有良好的減振、隔振和抗沖擊綜合特性,減振頻帶寬,其中尤以中、高頻減振效果更為突出,在有效減振頻帶內(nèi)幾乎對(duì)系統(tǒng)所有的共振模態(tài)都有減振作用,而且較小的質(zhì)量比就能取得很好的減振效果;⑥顆粒的密度以及顆粒間的摩擦系數(shù)越大,減振效果越好10.3.3非阻塞性顆粒阻尼技術(shù)-3一般而言,為提高非阻塞性顆粒阻尼的減振效果,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下準(zhǔn)則:1)應(yīng)用非阻塞性顆粒阻尼技術(shù)時(shí),必定要在原結(jié)構(gòu)體上鉆孔,對(duì)原結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或多或少地產(chǎn)生一定的影響2)非阻塞性顆粒阻尼技術(shù)的施加位置很重要3)孔徑的大小也影響減振效果4)顆粒材料應(yīng)盡可能選擇密度大的材料(如鉛、鎢等)5)顆粒的填充數(shù)量常用體積填充比(定義為所有顆粒占據(jù)的體積與孔腔總體積之比)和質(zhì)量填充比(定義為顆粒實(shí)際填充質(zhì)量與最大可填充質(zhì)量之比)表示10.3.4顆粒阻尼減震機(jī)理與特性顆粒阻尼的減振機(jī)理是由于結(jié)構(gòu)體與其內(nèi)部填充的顆粒之間存在耦合運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致顆粒之間以及顆粒與結(jié)構(gòu)體之間做相對(duì)碰撞與摩擦運(yùn)動(dòng),從而消耗結(jié)構(gòu)體的振動(dòng)能量顆粒阻尼的能量耗散主要分為兩大類(lèi):①外部耗散:通過(guò)顆粒與腔體或孔壁之間不斷地摩擦和沖擊作用將能量耗散掉;②內(nèi)部耗散:通過(guò)顆粒之間的相互摩擦與沖擊將能量耗散掉圖10-8顆粒阻尼的能量耗散分布213456710.4應(yīng)用與研究進(jìn)展10.4.1航天工程領(lǐng)域-1如圖10-11所示。顆粒阻尼器(顆粒材料為鉛粒,阻尼器質(zhì)量填充比為15%~20%)在安裝梁的端部,地面模擬試驗(yàn)結(jié)果顯示經(jīng)顆粒阻尼技術(shù)處理后的上述兩種附件結(jié)構(gòu)的模態(tài)阻尼提高了5%~20%。圖10-11帶有顆粒阻尼器的航天器懸臂梁狀附件結(jié)構(gòu)示意圖10.4.1航天工程領(lǐng)域-2圖10-14所示為某航天器使用的電子線路箱,為降低沖擊和聲載荷激勵(lì)的影響,采用前面已開(kāi)發(fā)的顆?？烧{(diào)諧質(zhì)量阻尼器進(jìn)行處理,效果顯著,共振頻率處的品質(zhì)因子可降低10圖10-14某電子線路箱(左)和顆粒可調(diào)諧質(zhì)量阻尼器布局(右)10.4.2其他工程領(lǐng)域除了上述航天工程領(lǐng)域外,顆粒阻尼技術(shù)還成功用于裝甲車(chē)輛、管道系統(tǒng)、雷達(dá)采樣架立柱、金融捆鈔機(jī)、深海石油和天然氣鉆鋌、IC封裝設(shè)備、船用壓縮機(jī)組以及高層建筑等設(shè)備或結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制中。顆粒阻尼技術(shù)還可與前面介紹的隔振技術(shù)或動(dòng)力吸振技術(shù)等有機(jī)地結(jié)合,可以得到更好的振動(dòng)控制效果圖10-22智利ParqueAraucano高層建筑以及動(dòng)力吸振器系統(tǒng)10.4.3理論分析方法-11.集中質(zhì)量法該方法的思想是將連續(xù)體結(jié)構(gòu)(如懸臂梁)等效為一個(gè)簡(jiǎn)單的單自由度系統(tǒng)(按首階模態(tài)進(jìn)行等效),把填充的顆粒等效為一個(gè)同質(zhì)量的單顆粒,如圖10-23所示集中質(zhì)量法的優(yōu)點(diǎn)是模型簡(jiǎn)單,易于計(jì)算,但該方法僅對(duì)顆粒整體與腔體之間的非彈性碰撞產(chǎn)生的沖擊阻尼效應(yīng)進(jìn)行了精確的表達(dá),而對(duì)顆粒之間碰撞和摩擦耗能、顆粒與腔體之間的摩擦耗能僅通過(guò)試驗(yàn)擬合得到的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行近似描述圖10-23集中質(zhì)量法模型示意圖10.4.3理論分析方法-22.散體元法散體元法(DEM)是解決非連續(xù)介質(zhì)問(wèn)題的一種顯式求解數(shù)值方法，該方法是對(duì)每一個(gè)離散的顆粒進(jìn)行建模,根據(jù)牛頓第二定律和接觸關(guān)系來(lái)描述顆粒的運(yùn)動(dòng),通過(guò)時(shí)步迭代求解,跟蹤顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡,主要用于采礦、冶金、巖土工程、顆粒運(yùn)輸、生物制藥、石油化工等領(lǐng)域散體元法仿真需要對(duì)每一個(gè)顆粒進(jìn)行建模計(jì)算,當(dāng)顆粒數(shù)目較大時(shí),需要花費(fèi)大量的計(jì)算資源和計(jì)算時(shí)間,計(jì)算成本比較高散體元法的研究對(duì)象多為簡(jiǎn)單的單自由度系統(tǒng),或能夠等效為單自由度系統(tǒng)的簡(jiǎn)單連續(xù)體結(jié)構(gòu)(如懸臂梁等),而無(wú)法完成復(fù)雜顆粒阻尼連續(xù)體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)的仿真計(jì)算10.4.3理論分析方法-33.氣固兩相流理論氣固兩相流,顧名思義就是由氣體相和固體相組成的兩相混合流,廣泛存在于自然界和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中目前氣固兩相流理論已成功引入振動(dòng)工程領(lǐng)域的顆粒阻尼技術(shù)理論分析與響應(yīng)預(yù)估中目前通過(guò)多物理場(chǎng)耦合軟件COMSOL進(jìn)行聯(lián)合仿真技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單梁、板結(jié)構(gòu)到復(fù)雜的箱體類(lèi)結(jié)構(gòu)以及工程實(shí)際結(jié)構(gòu)振動(dòng)乃至聲輻射響應(yīng)的準(zhǔn)確預(yù)估缺點(diǎn)：①操作技能要求高:需要根據(jù)理論公式在軟件中編寫(xiě)代碼;②模型創(chuàng)建復(fù)雜:對(duì)于在結(jié)構(gòu)上施加的顆粒阻尼器,需要逐個(gè)設(shè)定;③高消耗、低效率:占用大量計(jì)算機(jī)資源(內(nèi)存和CPU),計(jì)算效率較低;④網(wǎng)格功能不完善:導(dǎo)入網(wǎng)格僅包含節(jié)點(diǎn)信息,對(duì)模型和網(wǎng)格的修改困難213456710.5工程應(yīng)用實(shí)例10.5.1全自動(dòng)捆鈔機(jī)的振動(dòng)控制全自動(dòng)捆鈔機(jī)在捆鈔過(guò)程中,捆扎帶的成圈和熱合是通過(guò)高速主電動(dòng)機(jī)和偏心軸驅(qū)動(dòng)搖爪機(jī)構(gòu),帶動(dòng)擺軸回轉(zhuǎn)和擺動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的對(duì)于圖10-30所示的捆鈔機(jī)機(jī)架,采用?0.5mm的鎢粉顆粒,在以下三個(gè)位置施加非阻塞性顆粒阻尼技術(shù):1)在擺軸軸孔和偏心軸軸孔周?chē)謩e鉆10個(gè)?3mm的小孔,孔深均為20mm,如圖10-31a所示2)在機(jī)架板上分別沿橫向和縱向鉆孔,孔徑均為?4mm,孔深根據(jù)具體的鉆孔位置確定。板1的鉆孔示意圖如圖10-31b所示,板2的鉆孔位置與其相似3)在機(jī)架的其他位置上(見(jiàn)圖10-31c)鉆孔,孔徑為?4mm,孔深根據(jù)具體位置確定圖10-30捆鈔機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)示意圖10.5.2衛(wèi)星低溫結(jié)構(gòu)冷級(jí)面板的振動(dòng)控制在航天器發(fā)射入軌的過(guò)程中,衛(wèi)星低溫結(jié)構(gòu)(CryogenicStructure)往往承受超過(guò)設(shè)計(jì)極限的載荷沖擊,容易導(dǎo)致與其相連接的隔熱器(ThermalIsolator)產(chǎn)生過(guò)高的應(yīng)力水平,對(duì)于低溫結(jié)構(gòu)的正常工作乃至衛(wèi)星的平穩(wěn)運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。因此,開(kāi)展衛(wèi)星低溫結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制具有極為重要的意義低溫結(jié)構(gòu)是一個(gè)質(zhì)量為53lb的鋁制加筋矩形板(30in×10in)結(jié)構(gòu),由溫級(jí)、中級(jí)和冷級(jí)三層面板組成,其中心與隔熱器相連接經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn),最外層的冷級(jí)面板在50~150Hz范圍內(nèi)的彎曲振動(dòng)對(duì)隔熱器具有重要影響,是造成隔熱器應(yīng)力過(guò)大的主要原因10.5.3船用壓縮機(jī)組機(jī)架振動(dòng)控制壓縮機(jī)組是船舶重要的流體機(jī)械系統(tǒng)組件,在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中由于吸、排氣沖擊作用以及其他機(jī)械激勵(lì)往往產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng),不僅影響其使用壽命和船舶其他設(shè)備的正常工作,對(duì)于軍用艦船來(lái)說(shuō)還直接影響其隱身性能和戰(zhàn)斗力,威脅自身安全圖10-37某船用壓縮機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖謝謝?！豆こ陶駝?dòng)分析與控制基礎(chǔ)》第10章編寫(xiě)組《工程振動(dòng)分析與控制基礎(chǔ)》第11章振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)第11

章振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)11.1引言11.2基本概念和技術(shù)原理11.3應(yīng)用于研究進(jìn)展11.4機(jī)敏材料11.5工程應(yīng)用實(shí)例231456711.1引言

11.1引言

隔振技術(shù)、動(dòng)力吸振技術(shù)、黏彈阻尼技術(shù)、顆粒阻尼技術(shù)等,這些技術(shù)從減振機(jī)理的角度來(lái)講通常屬于振動(dòng)被動(dòng)控制(PassiveVibrationControl,PVC)技術(shù),又稱(chēng)無(wú)源減振技術(shù)振動(dòng)主動(dòng)控制(ActiveVibrationControl,AVC)技術(shù)又稱(chēng)有源減振技術(shù),是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論以及材料科學(xué)等學(xué)科的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù),它需要依靠附加的能源提供能量來(lái)支持減振裝置工作,具有效果好、適應(yīng)性強(qiáng)等潛在的優(yōu)越性,已成為振動(dòng)控制的一條重要的新途徑213456711.2基本概念和技術(shù)原理11.2基本概念和技術(shù)原理-1振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)通常是通過(guò)主動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,與傳統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)相類(lèi)似,它也包含開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩類(lèi)。目前最為常用的一類(lèi)振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng),如圖11-1所示。閉環(huán)振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)主要由受控對(duì)象、傳感器、作動(dòng)器、控制器和外界能源五部分組成,其中外界能源(如液壓油源、氣源、電源等)用來(lái)支持作動(dòng)器的工作圖11-1閉環(huán)振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖11.2基本概念和技術(shù)原理-2閉環(huán)主動(dòng)控制的技術(shù)原理是:首先由傳感器拾取受控對(duì)象的振動(dòng)信號(hào)輸入控制器,控制器根據(jù)不同的控制策略輸出控制信號(hào),控制信號(hào)控制作動(dòng)器對(duì)受控對(duì)象施加作用力或力矩,從而達(dá)到振動(dòng)控制的目的。因此,閉環(huán)振動(dòng)主動(dòng)控制的技術(shù)原理就是通過(guò)適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)狀態(tài)或輸出反饋,產(chǎn)生一定的控制作用來(lái)主動(dòng)改變受控對(duì)象的閉環(huán)零、極點(diǎn)配置或參數(shù),從而使系統(tǒng)滿足預(yù)定的動(dòng)態(tài)特性要求由于半主動(dòng)控制兼具主動(dòng)控制優(yōu)良的控制效果和被動(dòng)控制簡(jiǎn)單易行的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)克服了主動(dòng)控制需要高額能量供給和被動(dòng)控制調(diào)諧范圍窄的缺點(diǎn),因此,半主動(dòng)控制具有更為良好的應(yīng)用前景213456711.3應(yīng)用與研究進(jìn)展11.3.1主動(dòng)振動(dòng)控制如圖11-2所示,該主動(dòng)控制系統(tǒng)包含外側(cè)副翼和外側(cè)襟副翼兩個(gè)控制回路,飛機(jī)顫振標(biāo)示速率可以提高30%,顫振抑制效果顯著圖11-2某型飛機(jī)顫振模式控制的控制面與傳感器位置11.3.2半主動(dòng)振動(dòng)控制20世紀(jì)20年代出現(xiàn)的采用電磁閥控制流體流動(dòng)的沖擊吸振器實(shí)際上就是半主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)的雛形進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),以磁流變阻尼技術(shù)為代表的半主動(dòng)控制裝置以其優(yōu)良的性能迅速在斜拉索橋梁為代表的大跨度橋梁工程中得到了應(yīng)用,取得了顯著的振動(dòng)控制效果目前,以磁流變阻尼技術(shù)為代表的半主動(dòng)振動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)入了迅猛的發(fā)展時(shí)期,特別是基于磁流變阻尼器的半主動(dòng)懸架系統(tǒng)以及半主動(dòng)起落架系統(tǒng)已發(fā)展成為車(chē)輛與飛機(jī)的必備組件。目前,振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)已發(fā)展成為結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析和控制領(lǐng)域的一個(gè)重要分支,成為當(dāng)前學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)213456711.4機(jī)敏材料11.4.1壓電材料壓電材料(PiezoelectricMaterial)是一種同時(shí)兼具正、逆電-機(jī)械耦合特性的機(jī)敏材料若對(duì)其施加作用力,則在它的兩個(gè)電極上將感應(yīng)產(chǎn)生等量的異號(hào)電荷;反之,當(dāng)它受到外加電壓的作用時(shí),便會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形?；谶@一特性,壓電材料在振動(dòng)主動(dòng)控制中被廣泛用作傳感器和作動(dòng)器圖11-10常用壓電材料(源自網(wǎng)絡(luò))11.4.2磁致伸縮材料磁致伸縮材料(MagnetostrictiveMaterial)是一種同時(shí)兼具正、逆磁-機(jī)械耦合特性的機(jī)敏材料,當(dāng)受到外加磁場(chǎng)作用時(shí),便會(huì)產(chǎn)生彈性變形;若對(duì)其施加作用力,則其形成的磁場(chǎng)將會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化磁性材料在磁場(chǎng)作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)變化的現(xiàn)象,稱(chēng)為維德曼效應(yīng)磁致伸縮效應(yīng)可用于設(shè)計(jì)位移作動(dòng)器或扭轉(zhuǎn)馬達(dá),而其逆效應(yīng)可用于制作力或扭矩傳感器等近20年來(lái),隨著磁致伸縮材料的不斷開(kāi)發(fā)應(yīng)用以及相應(yīng)的制造工藝的不斷完善和突破,原材料成本的降低,此材料的市場(chǎng)價(jià)格大幅度降低,已形成了代替壓電陶瓷的強(qiáng)大勢(shì)頭,已廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防軍工、電子工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、石油工業(yè)、紡織工業(yè)、農(nóng)業(yè)和民用等領(lǐng)域11.4.3形狀記憶合金形狀記憶合金(ShapeMemoryAlloy,SMA)也是一種新型的機(jī)敏材料,它在高溫下被處理成一定的形狀后急冷下來(lái),在低溫狀態(tài)下經(jīng)塑性變形為另一種形狀,當(dāng)再加熱至高溫穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),材料通過(guò)馬氏體相變可以恢復(fù)到低溫塑性變形前的形狀合金材料的形狀記憶效應(yīng)如圖11-19所示,是指材料的形狀在低溫環(huán)境被改變之后,一旦加熱到一定的躍變溫度時(shí),它又可以魔術(shù)般地變回到原來(lái)的形狀,人們把具有這種特殊功能的合金稱(chēng)為形狀記憶合金圖11-19合金材料的形狀記憶效應(yīng)演示(源自網(wǎng)絡(luò))11.4.4電流變流體電流變(Electrorheological,ER)流體,是一種由介電微粒與載體油(絕緣液體)混合而成、流變特性可由外加電場(chǎng)控制的機(jī)敏懸浮體材料在無(wú)電場(chǎng)作用時(shí),它通常表現(xiàn)為普通的Newtonian流體,但在外加電場(chǎng)作用下,其表觀黏度在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)會(huì)急劇增大(105量級(jí)),同時(shí)伴隨屈服應(yīng)力、剪切模量的顯著增加,呈現(xiàn)Bingham塑性體(黏塑性膠體)性態(tài)。而且這種變化是瞬時(shí)可逆的,即在撤除外加電場(chǎng)后,電流變流體又能迅速恢復(fù)至原來(lái)的狀態(tài)圖11-22電流變流體流變效應(yīng)示意圖11.4.5磁流變流體磁流變(Magnetorheological,MR)流體則是由高磁導(dǎo)率、低磁滯性的微小(納米至微米尺度大小