基于多目标灰狼算法的漂浮式风电机组浮台内TMD参数优化

针对漂浮式风电机组浮台内调谐质量阻尼器(TMD)参数调优的问题,以5 MW Barge型漂浮式风电机组为研究对象,采用多目标灰狼算法(MOGWO)优化TMD参数配置。首先,基于欧拉-拉格朗日方程建立浮台内含TMD的漂浮式风电机组动力学模型,采用Levenberg-Marquardt(LM)法进行模型未知参数辨识;其次,同时考虑塔顶和塔基控制目标,采用MOGWO算法优化TMD的刚度和阻尼参数;最后,在不同工况下进行仿真分析。结果表明:相对于传统的单目标优化算法,使用MOGWO算法参数优化后的TMD对风电机组具有更好的振动抑制效果。

低频大幅隔振器设计及实验

为了突破传统隔振器刚度和承载能力之间的矛盾,需要隔振器具有高的静态刚度,低动态刚度的特性.如今的准零刚度隔振器技术可以实现低频微幅隔振,但是对于大幅振动,隔振效果并不明显甚至失效,因此突破宽幅隔振成为隔振领域亟待解决的问题.为此,我们利用多稳态折纸通过并联装配的方式,构造具有宽幅零刚度区间的折纸型隔振器,以解决传统隔振器振动抑制幅值较低的问题.本文建立了宽零刚度隔振器模型,提出宽幅零刚度的设计方法,并通过动力学分析分析了模型的隔振效果.最后搭建试验样机,验证了理论的正确性.这种设计打破了传统准零刚度隔振器单点准零的设计准则,能够在一个大幅范围内保证稳定性,同时实现零刚度,极大拓宽了隔振器的适用范围.这种设计理念能够被用在新隔振材料设计和航空、船舶等大幅低频动态环境中.

大涵道比涡扇发动机安装节动力学设计及性能评估分析进展

综述了大涵道比涡扇发动机安装节动力学设计及评估问题。首先从减振设计需求出发,论述了发动机安装节开展动力学设计的重大意义,并对安装节的主要结构形式及特点进行了详细的阐述;进一步从军民用标准规范和工程实践经验出发,归纳了安装系统动力学设计技术要求;而后从动力学设计、性能评估、系统验证等方面回顾了涡扇发动机安装节的国内外研究现状,指出国内外差距主要体现在设计要求、设计理念和应用实践经验等方面。在此基础上,展望了大涵道比涡扇发动机安装节动力学设计及性能评估技术的发展趋势和热点。

反共振隔振器结构综合

为解决反共振隔振器结构正向分析方法存在的组合不充分性、构型规律不清晰等问题,本文提出一种逆向综合方法。将反共振隔振器作为机械网络,根据新机电严格相似性,先建立了“惯容-弹簧”机械网络综合理论,在阻抗综合和导纳综合2种方法基础上发展了混合综合方法。推导了反共振隔振器传递函数的一般表达式,阐明了传递曲线在隔振区还存在以负斜率衰减的第2种特征形态。以反共振特性为技术条件,根据所述综合方法得到了完备的“惯容-弹簧”反共振隔振器结构,由单惯容、单弹簧和周期性串、并联的“惯容-弹簧”二元件等4种结构单元组成,分析了构型规律,实现了从单频点结构到多频点结构的推演性,并讨论了阻尼影响。本文示例了悬臂端带质块的双简支-悬臂梁作为“惯容-弹簧”二元件串联结构的一种实现形式,验证了所综合的反共振隔振器结构的正确性。本文为工程上设计具有不同隔振特性的反共振隔振器结构提供了理论指导。

石球阵列对轨道交通振动表面波隔振性能研究

本文针对轨道交通运营时带来的持续性振动对周边居民身体健康和敏感构建物结构安全的影响进行探讨。基于周期理论,提出一种石球阵列隔振结构来减轻轨道交通运营引起的环境振动危害。通过求解频散曲线图,研究石球阵列参数对带隙的影响,并剖析了隔振机理;其次,通过求解传输透射谱,研究了有限数量石球阵列隔振性质。研究发现,石球排距和尺寸大小对表面波能带影响较大,针对低频表面波隔振,石球排距建议取1.0~1.2 m,石球尺寸建议大于0.4 m;石球的排布方式对高频能带影响较大,对低频能带影响较小;相比正方形排布方式,三角形排布方式可以降低振动波泄漏,隔振效果更好。传输谱透射分析发现,石球阵列低频隔振时隔振机理为局域共振机理,高频隔振时机理为Bragg散射机理;组合石球隔振方式可以拓宽衰减域,隔振效果更好。相关研究可为轨道交通隔振提供参考。

基于振幅放大机制的无砟轨道周期结构弯曲波调控研究

【目的】轨道结构的振动一直是相关领域亟待研究和解决的问题。传统减隔振装置受到自身重量与列车行车安全性的限制,难以实现对轨道结构弯曲波的宽频调控。【方法】通过引入振幅放大机制,设计了一种杠杆式轨道综合减隔振装置。以CRTSⅢ型板式无砟轨道结构为研究对象,采用能量泛函变分法和人工弹簧技术建立了配置有轨道综合减隔振装置的周期性轨道结构波动分析模型和振动响应分析模型,研究了轨道综合减隔振装置对弯曲波的调控能力,并分析了轨道综合减隔振装置工作能力与振幅放大系数的关系。【结果】结果表明:采用振幅放大机制,能够有效增大减隔振装置的惯性质量,增强减隔振装置的阻尼特性和刚度特性,进而显著提升其工作能力。【结论】实现了轨道综合减隔振装置“低频隔振高频吸振”的超宽频弯曲波调控设计目标。

仿生系统动力学与应用专刊序

围绕仿生系统动力学建模、设计理论与方法、非线性振动特征、控制方法等研究主题,本专刊介绍了仿生系统动力学与控制的一些创新性研究和工程应用成果.

纳尺度超材料研究进展

随着微纳制备技术的发展,纳尺度超材料逐渐成为研究热点.纳尺度超材料在高频弹性波调控和振动噪声抑制等方面有着其独特优势.由于其服役环境复杂,纳尺度超材料的振动常和热、光和电等因素耦合.其研究向着更小尺寸,更高频率和多场耦合发展.本文介绍了纳尺度超材料在振动抑制等方面的实验和理论方面取得的进展,同时简要阐述了纳尺度超材料在热管理和多场耦合方面的研究成果.进一步展望了纳尺度超材料未来的发展方向.

阻尼调控下两类动力吸振器的H_(∞)设计与试验

动力吸振器凭借其出色的吸振能力得到了学术界和工程界的广泛关注.然而其对共振频率、阻尼系数等系统参数的高敏感性给系统设计及其应用带来了极大的挑战.传统的油液式黏滞阻尼器难以实现阻尼的有效调节,新兴磁流变阻尼器高昂的造价也限制了该技术的实际应用.近年来可调电磁分支电路阻尼的发展为动力吸振器现场最优调谐提供了新的可行性.文章基于直线式电磁分支电路阻尼器的结构特点,采用永磁体同极对置的方法提升了阻尼器的机电耦合效率,通过数值仿真得出了六段对置式电磁分支电路阻尼器的机电耦合系数及等效阻尼系数.电磁分支电路阻尼器可通过调整外接分支电路的阻抗实现阻尼力的实时调整,并将其应用于悬置式和接地式动力吸振器系统中,实现了两类动力吸振系统基于H_(∞)优化方法的最优化吸振效果,有效抑制了主系统的振动响应.两类动力吸振系统的试验测试结果与理论预测一致,充分证明了可调电磁分支电路阻尼器的有效性,为动力吸振器的进一步发展应用提供了设计准则和依据.

金属橡胶-聚氨酯复合材料减振性能研究

针对单一减振材料无法兼具高阻尼与高刚度的弊端,本工作提出了一种新的复合材料,即将三维空间网状结构的金属橡胶(EMWM)作为基体,聚氨酯(PU)作为增强体,并采用真空渗流的方式制备了具有高阻尼与高刚度的金属橡胶-聚氨酯(EMWM-PU)复合材料。通过EMWM与EMWM-PU复合材料的准静态压缩试验,发现界面摩擦的引入使得EMWM-PU复合材料的耗能与刚度特性得到显著提升。此外搭建了复合材料管路减振测试平台,以平均振动加速度级和插入损失作为评价指标,研究了EMWM密度、激振量级、安装时的预紧间距对管路减振性能的影响。结果表明,EMWM-PU复合材料在5~1 000 Hz频段范围内均具有优异的减振效果,且复合材料中基体材料EMEM的密度越小、安装时的预紧间距越大,减振效果越好。本研究有效拓宽了复合材料的应用范围,也为金属橡胶复合材料的设计和应用提供了有效的指导。

双对斜杆负刚度机制的恒值QZS隔振器研究

针对隔振质量偏离静态平衡位置导致准零刚度(quasi-zero stiffness,QZS)隔振器动态刚度增大而影响低频隔振性能的问题,基于双对斜杆负刚度机制,构造了恒值QZS隔振器,推导了隔振器的力和刚度表达式,通过静态平衡点处刚度及刚度二阶导数等于零的QZS条件,研究了参数影响下的力和刚度特性,获得了非线性刚度、恒值QZS和零刚度的参数条件。根据静态分析,设计了恒值QZS试验模型,通过万能试验机测得试验模型的力位移曲线,与理论值具有较好的一致性。进而采用激光测振仪和振动台开展谐波激励的动态试验,获得了恒值QZS和线性刚度隔振器的位移响应及传递率。动态试验结果表明,恒值QZS隔振器的起始隔振频率小于1.5 Hz,且传递率整体小于线性隔振器的位移传递率,而线性隔振器的起始隔振频率为4.5 Hz。综上,提出的恒值QZS隔振器不仅能实现任意恒值的QZS,并且可采用杆、弹簧方便地获得所需的恒值QZS,具有优越的低频隔振性能。

时滞影响下压电悬臂梁强化学习振动控制

时滞普遍存在于各种控制系统中,如果忽略控制系统中时滞的影响可能会降低控制器的控制效果,甚至导致发散。因此研究了时滞对强化学习(reinforcement learning,RL)振动控制器性能的影响。首先,利用有限元方法建立了压电悬臂梁的动力学模型,通过试验辨识修正了动力学模型参数;进而,仿真分析了不同时滞大小对比例微分控制和基于近端优化策略的RL控制效果的影响;然后,在不同时滞条件下训练了多个RL时滞控制器,并对RL控制效果进行了仿真及试验验证;最后,评估了RL时滞控制器对时滞偏差的鲁棒性。结果显示,RL时滞控制器不仅在所对应的时滞条件下具有良好的控制效果,还对实际时滞偏差有一定容忍范围,具有良好鲁棒性。

仿生隔振器设计方法研究进展

基于仿生学的思想,通过模仿生物系统的结构几何构成特性,创新优化隔振模型是当今隔振领域的热门问题.本文基于仿生灵感来源的不同,对现有的仿生隔振器进行了系统的分类,并对不同设计原理的仿生隔振器恢复力本构与隔振性能做了详细的阐述和对比,旨在通过隔振器隔振频带的横向对比厘清几何构型与可调参数的影响,以此厘清隔振器几何设计和隔振性能的关系.并且,本文展望了未来仿生隔振器的发展前景和研究方向.

3种构造形式调谐质量阻尼器性能

提出了3种平面内自由运动的调谐质量阻尼器(TMD)构造形式,即十字形(CTMD)、X形(XTMD)和旋风形(TTMD),通过有限元模型对比分析了3种TMD刚度变化、模态和简谐激励振动响应。根据分析结果可知,当TMD激励方向与弹簧垂直时,弹簧出力表现出非线性行为;相比于其他构造形式,TTMD减振效果更为稳定,效率更高。当质量比大于3%时,TTMD抑振效果更为显著。

微耕机扶手架颗粒阻尼吸振器设计及试验研究

微耕机是我国丘陵山地广泛采用的农机具,耕作过程中手把处产生的剧烈振动危害了操作者的健康。该研究以IWGQ4-70型微耕机为研究对象,提出了一种适用于微耕机扶手架的颗粒阻尼吸振器设计方法,运用有限元法探究了扶手架的振动特性,运用离散元法分析了颗粒阻尼吸振器的能量耗散机理,设计并搭建试验平台验证了仿真结果的正确性,优选了影响颗粒阻尼吸振器减振性能的颗粒材料、粒径、填充率等参数,进行了实际工况试验验证。结果表明,试验和仿真对应较好,优化方案取得预期效果,颗粒阻尼吸振器减振效果达到58.8%,减振效果明显。

共振型地震表面波屏障设计与性能分析

周期结构的带隙特性使得位于带隙频率范围内的振动或波动无法在结构中传播。基于该思想,设计了一种埋入式的地震表面波屏障以调控Rayleigh表面波的传播,并研究了该表面波屏障的主要设计参数及共振单元与支撑基础之间的连接约束关系等对弹性波频散曲线和表面波带隙形成的影响。结果表明:该埋入式的地震表面波屏障能够形成低频的表面波带隙,实现有效的衰减域;共振单元与支撑基础之间的约束关系会显著改变地震表面波屏障的频散曲线,不同的约束条件会影响表面波带隙的形成,甚至造成带隙的消失,在屏障设计与实现过程中应对影响两者发生相对运动的因素如摩擦力等进行考虑,进行合理设计。

调谐质量阻尼器和非线性能量阱抑制内燃机闭环轴系扭转振动的比较研究

传统线性减振器在抑制内燃机轴系的扭转振动方面有着长期的应用,但较窄的减振带宽限制了其性能的发挥.考虑到内燃机闭环轴系的周期性激振力随转速的变化而变化,其在相对较宽的频率域内实现高效的减振十分必要.为了探究非线性能量阱(nonlinear energy sink,NES)替代调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD)抑制曲轴扭转振动的可行性,文章将建立曲轴的多惯量非线性闭环自激耦合振荡模型,在此基础上,研究TMD和NES对闭环曲轴扭振减振的影响规律.分析过程综合考虑了轴系不同轴段位置的瞬态和稳态扭转振动.除此之外,定义了振动密度,性能领先效率和波动率3种函数综合考虑不同动力吸振器(dynamic vibration absorber,DVA)的性能优劣.讨论了NES和TMD在不同的设计参数下(变刚度、变阻尼和变位置排布)的减振效率和鲁棒性.结果表明,NES和TMD控制曲轴扭振时具有不同的刚度及阻尼失效区间.随着设计参数的变化,NES和TMD的减振性能交替领先,NES的综合性能领先了24.5%,TMD的综合性能领先了3.3%.同时,NES具有较高的阻尼依赖性(13.6%),TMD具有较高的刚度(3.6%)及位置依赖性(25.6%).

声学黑洞约束阻尼板半解析耦合建模与振动特性研究

声学黑洞(ABH)以其优异的性能在结构减振降噪、声波调控、能量回收等领域展示了极其广阔的应用前景。但声学黑洞边缘截断会导致非零反射系数的存在,从而弱化声学黑洞效应。为此,本文在声学黑洞结构中引入约束阻尼材料,在Rayleigh-Ritz法框架下,选择高斯函数作为基函数,根据声学黑洞板的形状确定高斯基函数的分布,避免质量矩阵和刚度矩阵的奇异化,建立了声学黑洞约束阻尼板的半解析分析模型。通过与有限元分析结果对比,验证了半解析建模方法的正确性。研究了约束阻尼结构参数对声学黑洞板弯曲振动特性的影响规律,揭示了约束阻尼的减振机理和能量耗散作用。实验进一步验证了声学黑洞约束阻尼板的减振效果。

有限深度介质上梁非线性能量汇减振的Winkler地基实现

土-结构相互作用对结构动力学特性的影响是一种具有非线性能量汇特征的效应。利用考虑土体质量的Winkler地基梁理论,将有限深度弹性介质等效为非线性能量汇系统的附加质量,建立简谐激励下弹性介质上简支梁系统的非线性动力学模型。采用Galerkin方法和增量谐波平衡法分析了弹性介质上简支梁的非线性动力响应。利用数值计算方法验证了理论结果的正确性,并分析了非线性能量汇的有效性。通过参数优化和分析,揭示了不同参数范围内Winkler地基的减振效果,讨论了其最佳参数范围。研究结果表明:在合理的参数范围内,弹性介质对其支承梁的动力响应有良好的抑制作用,能够快速有效地吸收共振条件下的振动能量,并具有良好的鲁棒性。优化后的非线性能量汇可使梁的共振幅值降低超95%,且具有较宽的减振频带。研究成果从非线性能量汇的角度展现了土-结构相互作用效应的减振机理,为基于弹性地基设计的结构振动抑制提供了理论依据。

基于参数尺度变换的多谐波自适应前馈主动控制方法

螺旋桨脉动力会产生与轴频、叶频及倍频相关的周期激励信号,在频谱中表现为多个低频窄带线谱。此外,激励幅值、频率及相位会随着轴系转速、油膜润滑等条件的变化而产生未知波动,具有显著的时变特征。该文针对船舶动力系统的时变多谐波线谱振动特征,提出了一种基于参数尺度变换的自适应前馈主动控制方法。基于多跨多支承推进轴系动力学模型,进行了多谐波自适应前馈算法仿真验证,实现了对多个未知窄带干扰的有效衰减。考虑通道耦合响应关系,建立了多输入-多输出系统的多通道振动主动控制策略,开展了多通道交叉耦合谐波振动控制效果分析。结果表明,该文所提出的基于参数尺度变换的自适应前馈主动控制方法对多跨多支承推进轴系的时变多线谱振动具有良好的控制效果。