风浪联合作用下驳船型海上浮式风机的非线性耦合模型与TMD振动控制研究

海上浮式风机是捕获深远海风能的重要装置,是风能开发的主要研究方向之一。驳船型风机多采用二维低阶简化动力学模型和非线性最小二乘参数识别方法,建立高阶耦合动力模型能更准确地反映其动力特性。本文关注驳船型海上浮式风机的多体系统,建立风浪联合作用下的16自由度耦合动力学模型,通过数值仿真验证模型的准确性。其中,利用修正的叶素动量理论计算叶片气动荷载,利用线性势流理论计算波浪荷载,采用准静态法计算系泊张力。此外,为减小驳船型海上浮式风机的结构振动,在考虑发电机转矩控制和叶片集体变桨控制的基础上,提出将双向碰撞调谐质量阻尼器置于机舱中,并引入限位装置控制振子行程。随后,通过穷举法和遗传算法进行控制参数优化。仿真分析表明,本文所建模型可准确计算驳船型海上浮式风机的动力响应;双向碰撞调谐质量阻尼器对结构振动有较好的控制效果。

铝合金桁架人行桥人致振动分析与振动控制

铝合金人行桥因轻质、美观被广泛应用于城市人行天桥,但易发生较大的人致振动而影响舒适性。文章以贺州市某铝合金桁架人行桥为工程实例测试分析了动力特性,进行了人致振动试验与舒适度评价,并根据舒适度评价进行了调谐质量阻尼器减振设计。结果表明:该桥虽然基频较高,但阻尼比较小,行人过桥仍会发生较大振动而影响舒适性,需要进行减振控制;模拟结果表明多质量调谐阻尼器的减振效果显著优于TMD系统,起到较好的减振作用。

波浪耦合作用下浮式风机非线性系统的统计线性化方法及其在振动控制中的应用

针对海上浮式风机既有分析方法难以高效率地预测其随机动力响应这一问题,提出了一种基于统计线性化算法的波浪耦合作用下浮式风机非线性系统的随机响应快速计算方法,并对其在浮式风机振动控制中的应用进行了研究。以Spar型海上浮式风机为对象,基于拉格朗日方程建立了其4-DOF的波浪耦合作用下的非线性模型,并验证了所建模型的准确性。在所建立的非线性模型基础上,提出了基于统计线性化算法的Spar型浮式风机随机振动分析方法,并从多方面对该方法进行了验证,结果表明该方法能将计算效率提升4,5个数量级,且具有足够精度。将该方法应用于浮式风机振动控制中,高效率地实现受TMD控制下的风机的控制参数优化和性能分析,得到了TMD的最优控制参数,发现TMD对浮式风机的振动控制效果有随海况等级的提高逐步降低的趋势。所提出方法兼具高精度、高效率和在不同海况下的普适性,同时也为海上浮式风机的设计优化、疲劳分析、可靠性验算等基于统计特性的研究提供了一种高效的分析方法。

磁流变弹性体及其振动控制应用综述

磁流变弹性体是将磁性颗粒(微米级)分散到聚合物弹性体中制备而成的一种磁控智能材料,其不仅拥有颗粒增强复合材料的优异力学特性,还具备迅速、连续且可逆的磁控特性,在智能传感、电磁屏蔽及缓冲减振等领域具有广泛的前景。为了促进磁流变弹性体及其振动控制技术的发展,综述了磁流变弹性体的材料组成,制备方法。总结了磁流变弹性体在振动控制领域的应用现状及对应用前景进行了展望。

成对斜喷管气动力同步性与身管振动控制研究

为降低某30 mm航炮连续射击时的身管振动和对飞行器的冲击,提出对武器身管产生动力偶和反后坐力、不产生横向力的成对斜喷管振动控制方案。基于两相流理论,建立考虑身管侧向导气的武器内弹道模型,运用TVDMacCormack差分格式进行了数值求解,获得了武器膛内流场和两喷管气动力随时间的变化曲线。进一步对航炮连续射击过程进行动力学仿真,分析了成对斜喷管对炮口振动的影响。结果表明,两斜喷管气动力峰值发生时间相差0.07 ms,且瞬态最大气动力差0.5%,具有较好的同步性;控制装置能在弹丸初速度基本不降低的情况下,使炮口的横向振动线位移和线速度分别减小26.9%和44.3%,炮口振动响应降低较为明显;同时武器后坐冲量减小17.93%,且不对飞行器产生横向力作用,武器对机身的冲击明显降低。该研究可为航炮成对斜喷管身管振动控制装置的设计提供理论依据。

空间管路结构振动控制技术研究

飞行器在服役过程中,管路结构会产生大量级振动响应,严重时会发生断裂失效。振动控制是延缓管路结构失效,提升可靠性的主要途径。本文通过边界简化及焊接部位建模,建立了复杂空间三维管路结构动力学模型,模态仿真结果与试验模态结果对比最大误差小于3%。在此基础上,使用金属减振器进行振动控制。通过计算,获得随机振动载荷下使用金属减振器前后空间管路结构的减振效率为8.46%;通过试验获得金属减振器实际的减振效率达到14.26%。本文计算和试验结果表明使用金属减振器能够显著降低复杂空间管路结构的振动响应。

带碰撞的惯质调谐质量阻尼器对斜拉索涡激振动控制研究

在以往惯质调谐质量阻尼器(tuned mass damper-inerter, TMDI)的研究基础上,引入非线性碰撞机制,提出一种带碰撞的新型惯质调谐质量阻尼器(pounding tuned mass damper-inerter, PTMDI)来对斜拉索的涡激振动进行控制。该阻尼器不仅能减小装置尺寸,又能利用振子在碰撞过程中产生的加速度突变来提高惯质器的质量放大效应,在一定程度上解决传统惯质型阻尼器一端尽量固接的安装方式,布置上更为灵活。建立了设有该装置的斜拉索涡激减振控制方程,分析了拉索涡激振动特性,并对其减振性能进行了研究。对阻尼器惯容参数和碰撞参数的影响及优化问题进行了探讨,给出了最优参数的取值方法。算例表明,所提PTMDI能显著降低斜拉索的涡激振动响应,且在所提优化方法得到的最优参数下具有更为优越的控制能力。对于常遇风时拉索出现的多模态涡激振动控制分析表明,碰撞机制能使PTMDI的鲁棒性得到提升,对多模态涡激振动也有相当程度的控制效果。

基于TMD的车致箱梁振动控制模型试验研究

为研究调谐质量阻尼器(tuned mass damper,简称TMD)在控制轨道箱梁结构振动中的应用,以高速动车组和CRTS-Ⅱ型板式无砟轨道-箱梁结构为原型,设计制作了几何相似比为10∶1的车-轨-桥耦合振动缩尺模型系统,分析了TMD在不同质量比、不同位置以及不同安装数量等工况下对箱梁顶板和翼板的减振效果。结果表明:TMD质量比为0.02时减振效果优于质量比为0.01时的减振效果,在考虑结构安全及经济性的条件下,可优先选择质量比更大的TMD;不同TMD安装位置对箱梁各部件的减振效果不同,安装TMD的板件处振动响应得到了明显抑制;安装2个TMD对箱梁结构的减振效果优于安装1个TMD,其减振范围也有所提升。研究结论可为高架轨道箱梁结构的减振设计提供参考。

绳驱桁架结构伸展臂的主动振动控制

伸展臂由于受到空间温度变化和卫星机动动作的影响,不可避免地会产生振动。在阻尼较低的空间环境中,这种振动衰减较慢,影响伸展臂的正常工作。因此,合适的振动控制方法对于伸展臂的正常工作至关重要。本文采用拉绳作为作动器的空间桁架结构伸展臂,研究其作动绳上铰链串联顺序的优化和模型预测控制律的设计,这两部分内容均考虑了作动绳的单边约束和饱和约束。首先,通过ANSYS软件获取结构的模态信息;然后结合系统可控性原理和遗传算法计算出作动绳上铰链串联最优顺序;最后,在数值仿真中,通过设计的控制率对一个由四个单元组成的桁架结构伸展臂的振动控制过程进行仿真分析。结果表明,提出的作动绳串联铰链的方式能够有效抑制伸展臂的振动。

柔性机械臂干扰力观测与无模型振动控制

为了抑制柔性机械臂运动过程中的非线性振动,提出一种基于干扰力在线观测的无模型轨迹跟踪和振动抑制混合控制策略。采用拉格朗日方程和奇异摄动法对存在未知干扰的柔性机械臂进行动力学建模和解耦,将其分解为表征刚性运动的慢变子系统和表征柔性振动的快变子系统;考虑到建模的复杂性和模型参数的不确定性,采用PD控制方法实现轨迹跟踪,并提出无模型自适应控制算法以实现柔性臂杆的非线性振动控制。针对未知外界干扰可能引起的控制发散问题,提出了改进的干扰力状态观测器,用于干扰力矩的在线估计和实时补偿,有效提高无模型振动控制算法的收敛性能。仿真试验结果表明,所提算法在存在干扰力的情况下对柔性机械臂的振动抑制效果显著,且具有良好的动态性能和鲁棒性。

采用ER阻尼器作斜拉索半主动振动控制的试验研究

提出了基于ER/MR阻尼器的半主动控制算法对斜拉索进行振动控制,并进行了振动控制试验。该算法建立在离散时间系统的基础上,并考虑了EP/MR阻尼器的力学特性而发展起来的,因此具有很大的应用价值。首先通过模态降阶的理论,减少了系统的自由度数目,使系统更易于控制。在阻尼器采用Bingham模型的半主动控制策略的基础上,应用更符合阻尼器实际力学特性的双粘性模型,提出了相应的改进办法。然后在试验室建立了缩尺比为1∶12的一根12m长的斜拉索试验模型,考虑到ER阻尼器与MR阻尼器具有相似的力学特性,选用ER阻尼器作为作动器,完成了斜拉索半主动振动控制的试验研究,并与理论结果进行了比较,两者吻合良好。

大体积混凝土底板微振动控制能力的测试与分析

为测试北京光源这一精密科学设施中大体积混凝土底板的微振动控制能力,通过在建设现场进行短期测试和24 h长期监测的方式对底板微振动水平和微振动控制能力进行了评估。结果表明:在2次短期测试过程中,底板表面微振动位移有效值主要分布在10~50 nm之间,而在24 h监测过程中,底板表面微振动位移有效值主要在分布20 nm以下;大体积混凝土底板对10 Hz以上垂直于地面方向的微振动及5 Hz以上水平向的微振动体现出较好的控制作用;大体积混凝土底板最大能够将垂直地面方向微振动水平降低24%,水平向微振动水平降低34%,底板对水平向微振动控制能力略优于对竖向微振动的控制能力。建立了二维简化有限元模型,讨论了改变混凝土层密度、刚度及厚度对底板微振动控制能力的影响,模拟结果表明在现有激励条件下,增大底板配筋层厚度或素混凝土层密度对底板竖向微振动控制能力无明显影响,但对水平向微振动控制能力产生不利影响。

基于磁流变弹性体动力吸振器的掘进装备振动控制

针对掘进装备在自适应截割控制下的截割部宽减振问题,基于磁流变弹性体的动力吸振技术,提出了一种掘进装备截割部的振动控制方法。首先,以连续采煤机为研究对象,根据动量矩定理,建立了截割部-磁流变弹性体动力吸振器(MREDVA)耦合动力学模型,从理论上分析了MREDVA的减振机理;然后,为保证MREDVA的磁路以及移频特性满足需求,详细阐述了MREDVA的设计流程,提出了一种新的MREDVA结构,对其磁场和移频特性进行了仿真验证;最后,计算了不同截割状态下MREDVA对截割部的振动抑制能力,并建立了半主动控制方法,比较了被动和半主动振动控制方法下MREDVA的振动抑制能力。研究结果表明:对于所选煤层1和煤层2,截割部的振幅衰减分别达到41.53%和49.80%;对于所选煤层3,半主动控制下截割部振幅衰减可以达到45.10%。该方法可以有效降低掘进装备在宽频激励下的振动幅度。

混合振动控制技术的研究

混合振动控制是将主动振动控制和被动振动控制同时应用于被控结构,充分利用它们各自的优点,达到最佳的隔振效果。概述了混合振动控制的发展和应用,分析了混合振动控制的特点、构成以及主动振动控制和被动振动控制中的关键技术,阐述了这些技术的研究进展。混合振动控制策略在工程应用中最具有发展前途,对理论和技术应进一步深入地研究。

振动控制技术及其在机动卫生装备中的应用

总结了各类振动控制技术的原理和特点,介绍了当前常用的振动控制装置和振动控制算法,阐述了振动控制技术在机动卫生装备中的应用情况,对半主动及混合振动控制系统在未来机动卫生装备振动控制中的应用前景进行了展望。

基于粒子群算法的同步定相振动控制仿真研究

传统的同步定相技术采用螺旋桨特征理论,通过遍历各个相位差的组合来寻找最优相位差,但随着设备数目增多,其计算量大大增加,不利于工程应用。利用遗传算法可计算设备间的最优相位差,但其计算复杂且收敛速度较慢,而安装过多传感器作为振动评价点来衡量系统整体振动水平则会导致数据冗余并增加系统复杂度。为了提高计算效率和精度,提出一种基于粒子群算法(PSO)的同步定相振动控制方法,通过粒子群算法对振动评价传感器在数量约束条件下进行布放位置优化,建立振源设备和振动评价点之间的数学模型,并再次使用粒子群算法更新粒子的位置和速度,实现参数空间中的最优相位求解。根据计算结果调整激励力间的相位差,实现同步定相振动控制。仿真结果表明,采用粒子群算法能使传感器数量大大减少,使用计算得到的最优相位调整旋转机械设备激励力间的相位差,能有效减小振动向船体结构的传递。与遗传算法相比,粒子群算法在计算效率和收敛速度方面表现出更好的性能。

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。

基于状态观测器的智能悬臂梁自适应SSDV半主动振动控制研究

半主动振动控制因其不需精确的结构模型就能实现较好的振动控制效果,以航天器上使用的某种轻质复合材料制作的智能悬臂梁结构件为载体,设计一种基于状态观测器的自适应SSDV半主动控制方法对其进行振动控制研究,取得了较好的控制效果,状态观测器观测值误差在1%之内,一阶振动幅值减少了75.24%。这为航天器上柔性化和低刚度的悬臂结构件的振动控制提供一种有效可行的参考方法。

结合改进ANFIS的车辆半主动悬架振动控制

为改善MR阻尼器半主动悬架的减振效果,提出一种基于改进自适应神经模糊推理系统(ANFIS)的半主动控制方法。首先,针对MR阻尼器的逆向动力学模型难以精确确定的问题,采用改进乌鸦搜索算法(MCSA)对ANFIS进行优化,即分别用MCSA和最小二乘法对ANFIS的前件参数和后件参数进行寻优,以克服标准ANFIS易于陷入局部最优解的缺陷。为了提高标准乌鸦搜索算法(CSA)的搜索精度,采用三角概率分布策略选择目标乌鸦,并对更新后的解实施反转变异操作。然后,根据悬架响应设计LQR控制器以计算理想控制力,并与改进逆向模型相结合,实现理想控制力与MR阻尼器输入控制信号之间的转化,从而调节阻尼力,实现车辆半主动悬架系统的振动控制。仿真结果表明:相较于GA-ANFIS和PSO-ANFIS,所提出的MCSA-ANFIS逆向建模方法具有更高的预测精度,使MR阻尼器的输入信号和阻尼力的预测精度分别提高17.49%和30.62%;以随机路面信号作为半主动悬架的激励,相较于被动控制和LQR-COC半主动控制,所提出的LQR-MCSA-ANFIS控制策略能使簧载质量加速度、悬架动行程和轮胎动载荷的均方根值分别下降12.37%、37.63%、30.70%以及6.64%、14.89%、17.27%。该半主动控制策略可为MR阻尼器悬架系统的减振研究提供参考。

基于CEM-FEM耦合方法的海上风力机抗冰和振动控制研究

冰荷载是影响海上风力机安全运行的重要决定性因素,严重时会致使海上风力机结构发生冰激振动破坏和冰激疲劳失效。该研究基于粘聚单元(cohesive element method,CEM)-有限元(finite element method,FEM)耦合方法,通过非线性分布弹簧考虑桩-土相互作用,建立海冰-寒区单桩海上风力机结构在风-冰联合作用下的整体耦合冰激振动非线性有限元模型。进而,基于非线性数值仿真工具LS-DYNA,分别模拟冰与直立结构和带有抗冰锥的基础结构相互作用过程,并与现有的挤压和弯曲冰力模型进行对比,验证该研究模拟动冰荷载的准确性,讨论两种冰破坏模式下动冰荷载的变化规律。最后,为解决海上风力机发生的强烈冰激振动问题,分别采用振动控制方法和施加抗冰锥的方式,开展风、冰联合作用下海上风力机动冰力和动力响应研究,对比分析以上两种减振方式的减振机理和减振效果差异。结果表明,虽然抗冰锥可明显降低冰-海上风力机相互作用的动冰荷载幅值,然而采用振动控制策略的海上风力机减振效果明显优于抗冰锥。因此,在海上风力机的冰激结构损伤研究和抗冰设计中必须分别考虑以上两种减振方式对结构的影响。