A hybrid multi-degree-of-freedom vibration isolation platform for spacecrafts by the linear active disturbance rejection control

The hybrid vibration isolation, which takes advantages of both the passive and active approaches, has been an important solution for space missions. The objective of this paper is to design a vibration isolation platform for payloads on spacecrafts with the robust, wide bandwidth, and multi-degree-of-freedom(MDOF). The proposed solution is based on a parallel mechanism with six voice-coil motors(VCMs) as the actuators. The linear active disturbance resistance control(LADRC) algorithm is used for the active control. Numerical simulation results show that the vibration isolation platform performs effectively over a wide bandwidth, and the resonance introduced by the passive isolation is eliminated. The system robustness to the uncertainties of the structure is also verified by simulation.

Whole-spacecraft hybrid vibration isolation based on piezoelectric stacks and viscoelastic material

In order to improve the performance of whole-spacecraft vibration isolation systems,choosing piezoelectric stacks and viscoelastic material as the active and passive vibration isolation components,an innovative whole-spacecraft hybrid vibration isolation system (WSHVIS) is designed and studied.The finite element method is used to establish the dynamic model of WSHVIS and analyze its frequency response characteristic.According to the analysis results,eigensystem realization algorithm is applied to obtain the minimum-order state-space model of WSHVIS,which is used to design controller.On this basis,off-line simulation and on-line realization for the WSHVIS is performed.The simulation and experimental results showed that WSHVIS can effectively reduce the vibration loads transmitted from launch vehicle to spacecraft.Compared with passive vibration isolation system,the hybrid vibration isolation system has a significant inhibitory effect on the low-frequency vibration components,and can greatly increase the safety and reliability of spacecraft.

A Closed-Loop Dynamic Controller for Active Vibration Isolation Working on A Parallel Wheel-Legged Robot

Serving the Stewart mechanism as a wheel-legged structure,the most outstanding superiority of the proposed wheel-legged hybrid robot(WLHR)is the active vibration isolation function during rolling on rugged terrain.However,it is difficult to obtain its precise dynamic model,because of the nonlinearity and uncertainty of the heavy robot.This paper presents a dynamic control framework with a decentralized structure for single wheel-leg,position tracking based on model predictive control(MPC)and adaptive impedance module from inside to outside.Through the Newton-Euler dynamic model of the Stewart mechanism,the controller first creates a predictive model by combining Newton-Raphson iteration of forward kinematic and inverse kinematic calculation of Stewart.The actuating force naturally enables each strut to stretch and retract,thereby realizing six degrees-of-freedom(6-DOFs)position-tracking for Stewart wheel-leg.The adaptive impedance control in the outermost loop adjusts environmental impedance parameters by current position and force feedback of wheel-leg along Z-axis.This adjustment allows the robot to adequately control the desired support force tracking,isolating the robot body from vibration that is generated from unknown terrain.The availability of the proposed control methodology on a physical prototype is demonstrated by tracking a Bezier curve and active vibration isolation while the robot is rolling on decelerate strips.By comparing the proportional and integral(PI)and constant impedance controllers,better performance of the proposed algorithm was operated and evaluated through displacement and force sensors internally-installed in each cylinder,as well as an inertial measurement unit(IMU)mounted on the robot body.The proposed algorithm structure significantly enhances the control accuracy and vibration isolation capacity of parallel wheel-legged robot.

近远场地震下RC大跨轻柔拱桥减隔震支座方案优化

为探明不同地震动输入对某大跨轻柔拱桥减隔震的影响,通过非线性有限元模型分析近远场地震下桥梁结构的响应规律,得到大桥支座的优化布置方案.首先,基于模态分析,对比该桥与传统钢筋混凝土(RC)拱桥动力特性差异;其次,选取不同脉冲周期的近场地震动、近场无脉冲及远场长周期地震动记录;最后,研究近远场地震下拱桥的响应行为和损伤演化路径,得到优化桥梁的减隔震支座设计方案.研究结果表明:近场脉冲及远场长周期地震下的桥梁结构响应大于无脉冲地震响应;纵竖向地震下高墩柱剪力及弯矩包络曲线呈“S”形,墩身中部易形成塑性铰,高阶振型影响显著;桥梁纵桥向先于横向震损,损伤路径依次为矮柱、高墩柱及拱肋实心-空心截面段;摩擦摆支座减震效果最佳但位移较大,高阻尼支座方案在近场中长脉冲周期及远场长周期地震下仍会发生损伤,板式橡胶支座方案因无法保证支座同步滑移而不能形成准隔震体系;“高阻尼+摩擦摆”混合方案的支座位移小,拱肋及墩柱均处于弹性,是近断层大跨轻柔RC拱桥的优选减隔震方案.

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。

混合基础隔震体系优化设计及性能

为解决基础隔震结构中隔震层位移需求过大的问题,提出了一种基础隔震结构(Base Isolated Structure,BIS)+串并联调谐质量阻尼器惯容器(Tuned Tandem Mass Damper-Inerter, TTMDI)的混合隔震体系。采用Bouc-Wen滞回模型模拟隔震层的非线性力-变形行为,基于随机等效线性化和模式搜索优化算法并考虑地震动模型,在频域内建立了BIS+TTMDI体系的优化设计框架。分别从鲁棒性、有效性、刚度和阻尼系数、冲程及对地震频率敏感性方面对BIS+TTMDI体系的性能进行评估,并与BIS+调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper, TMD)、串并联调谐质量阻尼器(TunedTandemMassDamper,TTMD)和调谐质量阻尼器惯容器(TunedMass Damper-Inerter, TMDI)进行比较。通过对近场地震动下某七层混合基础隔震结构(包括BIS+TTMDI和BIS+TMDI体系)的动力弹塑性分析,评价了其减/隔震性能。结果表明:BIS+TTMDI体系具有最好的减/隔震性能和强鲁棒性;而且在BIS+TTMDI体系中TTMDI的总阻尼需求不到BIS+TMDI体系中TMDI的一半,因而更为经济实用。

基于反馈FxLMS-鲁棒混合控制算法的主动隔振平台研究

为解决传统滤波最小均方差(filtered-x least mean square,FxLMS)算法在收敛速度和稳定性之间存在的矛盾,以及次级通道模型不确定性对控制收敛性能的影响,将反馈FxLMS算法和混合灵敏度鲁棒控制器相结合,提出了一种反馈FxLMS-鲁棒混合控制算法,并在工程应用中常见的主动撑杆隔振平台上对该混合算法的振动控制性能进行仿真分析和试验验证。变载荷激励及控制通道变化仿真和试验结果均表明,不同激励下各个阶段的加速度响应衰减均超过80%,且与传统的FxLMS算法相比,所提出的混合控制算法具有更快的收敛速度和更强的鲁棒性。

准零刚度磁悬浮隔振平台主动混合控制系统设计

为增强准零刚度磁悬浮隔振平台的隔振性能,减轻振源振动对隔振对象的干扰,优化其主动混合控制系统设计;改装传感器、功率放大器和驱动设备,将控制器调整至主动混合模式,调整系统电路的连接方式,完成控制硬件系统的设计;模拟准零刚度磁悬浮隔振平台工作过程,通过平台数据采集、特征提取和特征匹配等环节,检测平台被隔振对象的振动状态;测量振动状态下,测量准零刚度磁悬浮隔振平台实时电磁力,作为平台控制的初始值;在电磁理论的支持下,通过电磁力和电流控制量的计算,从主动和混合两个方面实现磁悬浮隔振平台的主动混合控制功能;测试实验结果表明:主动混合控制系统应用后,准零刚度磁悬浮隔振平台中作用在被隔振对象上的振动幅度和频率衰减率分别提高了62.34%和32.005%;在准零刚度磁悬浮隔振平台控制效果方面具有明显优势。

混合动力总成悬置系统隔振性能分析与优化

针对实际运行中某混合动力客车存在的振动偏大问题,对原悬置系统进行振动加速度测试和隔振性能分析。基于隔振理论,以悬置隔振率和车内振动加速度为评价指标,以悬置软垫刚度和安装角度为变量,采用对称式和非对称式两种悬置系统布置方案对隔振性能最差的发动机端悬置进行优化设计,并采集两种悬置状态下的振动数据与原状态进行比较分析。结果表明,非对称式布置的悬置方案更适合于单侧受拉的混合动力总成悬置系统的布置。

装配式建筑中混合减隔震技术的研究与应用

近年来,装配式建筑在国家政策的大力推动下迅速发展,工业化建筑得到广泛应用,模块化建筑设计理论也不断完善。其中,集装箱作为装配式建筑的材料具有诸多优势。首先,集装箱本身规格标准化,提高了废旧集装箱的资源利用率,大大减少了环境污染。其次,集装箱被广泛应用于酒店、精装建筑和住房等领域,为这些建筑项目带来了便利和效益。然而,当集装箱被用于建筑并且堆叠多层时,需要考虑不同地区地震活动对集装箱隔震结构的影响,以及按照抗风承载力、位移等因素进行基础选型。文章结合混合减隔震技术探讨集装箱装配式建筑的抗震性能和基础选型。

磁流变弹性体隔振器的设计与振动特性分析

磁流变弹性体是磁流变材料的一个新的分支,兼有磁流变液和弹性体的优点,在结构振动的主被动一体控制中有着广泛的应用前景。利用磁流变弹性体的可控刚度和阻尼特性,基于挤压式受力方式,设计一种磁流变弹性体隔振器,并对其在不同外加控制电流和激励频率下的振动响应特性进行了相关试验测试,分析和研究外加控制电流和激励频率对隔振器的振动响应特性和隔振效果的影响。试验结果发现,在外加电流的作用下,磁流变弹性体能有效增大结构阻尼,改变隔振器振动响应谱峰值的频率和幅值,提高系统的隔振效果。结果表明所设计的磁流变弹性体隔振器能在外加电流的控制下,实现对结构振动响应峰值的移频和减幅作用,具有较好的主被动一体减振效果。

基于能量优化的混合馈能悬架阻尼优化设计

为了回收悬架的振动能量,提出了一种弹簧-减振器-直线电机并联的混合式悬架结构。针对直线电机馈能过程存在的死区现象,设计了DC/DC升压电路,以传统被动悬架耗散的能量为基准,得到了同一行驶工况下馈能效率的显式表达,同时,为兼顾系统动力学性能,研究了减振器阻尼对馈能性能和隔振性能的影响规律,并通过折中设计确定了减振器最优阻尼系数,建立了混合馈能悬架动力学模型,进行了其隔振性能和馈能性能的对比仿真分析。结果表明,混合馈能悬架可有效协调车辆馈能性和隔振性。最后,在仿真的基础上,进行了混合馈能悬架的试验研究,试验结果与仿真结果基本吻合,验证了仿真结果的正确性。

MRD与LRB相混合的结构振动控制

磁流变阻尼器(MRD)利用磁流变液提供可控性是当今最有前途的半主动控制装置,附加MRD是铅芯橡胶垫(LRB)隔震结构的发展方向.因此提出3种MRD与LRB隔震混合方案,建立了MRD与LRB隔震混合结构的动力分析模型,推导出运动微分方程,对其进行时程反应分析.以7层框架结构为例,采用瞬时最优控制算法分别对3种混合方案进行地震反应分析,与LRB隔震结构进行比较,各混合方案的各种地震反应均明显得到更好地控制,而混合方案3的控制效果最显著.

船舶动力机械混合隔振系统的优化设计

综合分析了混合隔振的原理,揭示了混合隔振的实质就是被动隔振系统和主动隔振系统的多目标联合优化问题.针对船舶中常用的双层隔振系统,进行了混合隔振优化设计和数值仿真.仿真结果表明,混合隔振技术在船舶动力机械隔振方面有着广阔的应用前景.

混合隔振系统中电磁作动器的优化设计

由于混合隔振系统中的电磁作动器对电磁力、体积重量、损耗等指标有着严格的限制,因此电磁作动器的优化设计显得十分重要。为此,提出了电磁作动器系统参数(包括几何尺寸参数和电参数)的优化设计方法,推导了电磁作动器总损耗与系统参数间的关系。通过有限元分析软件ANSYS中的优化设计模块,使用ANSYS参数化设计语言建立了在保证电磁力及体积限制条件下,以总损耗最小为目标函数的三维参数化分析模型,多次循环迭代求解后得到了较为优化的系统参数。仿真及实验结果表明:按照该方法设计的电磁作动器能够满足各项设计指标要求,且性能比其他参数下更为优化。

复合阻振技术在舰船支撑结构中的应用研究

基于质量阻振机理,分析了阻振质量偏置安装及空心阻振质量结构对阻振性能的影响,提出了综合质量阻振与阻尼减振的支撑结构复合阻振技术。采用FE-SEA法,建立了支撑结构至圆柱壳体的振动传递及声辐射特性分析模型。对比了支撑结构底部阻振、四周阻振和双层阻振的阻振性能,分析了在支撑结构表面粘贴阻尼材料的减振降噪性能。结果表明,双层阻振比单层阻振、约束阻尼比自由阻尼的减振降噪效果更加明显,复合阻振技术比单独减振设计的减振频率更宽,减振效果更好。复合阻振技术对支撑结构的减振设计具有工程应用价值。

双层混合隔振系统隔振效果评价与实验研究

为了对双层混合隔振系统进行全面评价,提出了一种全新的双层混合隔振系统隔振效果评价方法。该方法将混合隔振的评价指标定义为被动隔振指标与主动隔振指标之和,并在自行研制的磁悬浮隔振器上进行隔振实验。实验结果表明,该评价方法简便易行,能够准确地反映被动和主动隔振对不同频段隔振的贡献以及两者之间的相互影响,为进一步优化双层混合隔振器的设计提供了可靠依据。

混联弹簧减振系统下自同步直线振动筛的动力学特性

混联弹簧减振系统(由并联座式弹簧组和悬挂弹簧组合构成)下自同步直线振动筛稳态振幅增大、竖直方向运动固有频率提高,停机过共振区时位移响应较仅座式弹簧减振情况明显减小,有利于振动筛整体可靠性的提高。为了解混联弹簧减振系统下自同步直线振动筛的动力学特性,在考虑设计、制造等引起的筛体质心偏离激振力作用线的基础上,建立了直线筛的一般数学模型,并推导其振动微分方程;引入小阻尼近似法,利用已有的筛体参数反推模型中的阻尼矩阵;采用Newmark-β数值仿真与现场实验测试相结合,从时、频域验证了模型的可行性。基于此,进行结构灵敏度分析,讨论了混联弹簧减振系统中悬挂弹簧刚度及位置对直线振动筛竖直方向固有频率的影响,为实际中这两个参数的选择提供参考。

基础隔震结构的系统参数优化设计

目的为了改善基础隔震结构的减震效果,实现基础隔震结构设计的可靠性和有效性,得到基础隔震结构的系统优化参数.方法建立了基础隔震结构的动力分析模型,推导出其运动微分方程;对标准遗传算法经常出现未成熟收敛、振荡、随机性太大和迭代过程缓慢等缺点进行改善,提出了改进混合遗传算法;建立基础隔震结构系统参数优化设计模型,使用改进混合遗传算法对7层LRB隔震结构的系统参数进行优化设计.结果优化后,LRB隔震结构的相对加速度峰值、相对速度峰值、相对位移峰值和层间剪力峰值分别比优化前有不同程度的降低.结论工程实例计算结果表明改进混合遗传算法对基础隔震结构的系统参数优化效果比较理想,基础隔震结构的各项地震反应均得到了更好地控制.

柔性桩隔震消能体系的振动控制研究

提出了柔性桩隔震消能主动控制体系,建立了体系的动力分析模型,推导了其振动和控制方程。以一典型的柔性桩隔震消能结构为例,分析研究了其隔震性能及控制效果以及各主要参数对控制效果的影响。研究结果表明:柔性桩隔震消能体系能有效减小结构的地震力响应;对柔性桩消能隔震体系施加主动控制,可以有效降低桩顶与套管壁之间碰撞的可能性,同时,结构上部竖向荷载、上部结构刚度及桩长等对结构的控制效果有显著的影响。