一种电磁式高静-低动刚度隔振系统建模与特性分析

为改善传统线性隔振系统尺寸参数确定后就无法取得更低起始隔振频率的缺陷,基于电磁线圈嵌套永磁体结构,提出一种具有高静-低动刚度特性的电磁式可变刚度隔振系统.采用分子电流法建立隔振系统磁力的数学模型;充分考虑隔振系统力学模型中二次与三次非线性刚度项的影响,建立单自由度被动隔振系统强非线性动力学模型;采用增量谐波平衡法(IHB)求解动力学模型,分析激励、电流等对隔振系统位移传递率的影响规律;构建实验测试系统,验证所提出新型隔振系统的有效性.实验结果和理论计算表明:通入电流比未通入电流时隔振系统的起始隔振频率降低了19.25%,拓宽了隔振频带,实现了其对不同振源的适应性.

一种小动静比橡胶隔振器仿真与试验

通过隔振器内部结构设计,在保证承载能力的同时降低橡胶隔振器的动态刚度。开展橡胶隔振器的静态变形、在给定静变形下的动态仿真分析,表明该隔振器在静态力-位移曲线上具有负斜率特性,对应隔振器内部结构的失稳变形;进行隔振器的静压试验、动态试验和隔振系统中的振动传递试验,结果表明,静态力-位移曲线试验结果呈现负斜率特性,在静态曲线上不同工作点处的固有频率呈现负斜率处最小的特性。

基于压电材料的主动吸声仿真方法研究

主动控制仿真软件很少,大部分控制问题都采用MATLAB自编程进行计算或搭建试验台进行试验,前者仿真结果不可靠,后者需要消耗大量的经费。针对这种问题,该文采用一种新的仿真方法,对圆形和方形压电陶瓷片的主动吸声降噪性能进行对比研究。仿真步骤分三步。第一步,在ANSYS动态分析中获取压电陶瓷片前的两个聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)压电传感器在当前载荷步下产生的声压和质点振动速度。第二步,将第一步得到的声压和质点振动速度信号导入MATLAB,分离入射声波和反射声波,利用MATLAB自带的最优控制算法计算出需要施加的控制电压。第三步,在ANSYS中将MATLAB计算出的控制电压施加到压电陶瓷片的两端,再次进行动态分析,得到下一个载荷步的两个PVDF压电传感器产生的电压。重复以上三个步骤,就可以模拟出压电陶瓷片的主动吸声控制过程。仿真试验得到了施加在不同形状压电材料上的驱动电压与频率的关系,仿真结果与理论计算结果接近。仿真试验结果表明,在表面积相同的情况下,与方形压电陶瓷片相比,圆形压电陶瓷片的吸声降噪效果更显著。

颗粒阻尼器对输电塔线系统减震性能研究

对输电塔线系统进行缩尺模型振动台实验,从时域和频域的角度,对比了调谐质量阻尼器和颗粒阻尼器对输电塔的减震效果。利用ABAQUS建立了颗粒阻尼器控制输电塔线系统的离散元-有限元高精度耦合数值模型,对比了实验和模拟结果,并对塔线系统的耗能情况及颗粒阻尼器内部颗粒运动碰撞情况进行分析。研究结果表明:在地震激励下,颗粒阻尼器的减震效果较调谐质量阻尼器有更好的鲁棒性;该文所建立的颗粒阻尼器控制输电塔线系统模型能够良好地反映试件的动力特性和地震响应;在颗粒阻尼器的控制下,塔线系统总能量降低24.12%。当颗粒之间的碰撞次数和颗粒与容器的碰撞次数满足一定比例关系时,颗粒阻尼器能实现更优的控制效果。

一种双简支―悬臂梁反共振隔振器设计分析与试验

[目的]为探究三元件型反共振隔振器的实现形式,提出一种由一根悬臂端含质量块的双简支-悬臂梁与一根双支撑梁所组成的机械装置(BAVI)。[方法]首先,分析双简支-悬臂梁的动态特性,推导其阻抗方程;然后,根据驱动点阻抗函数综合其低阶模型是单惯容与单弹簧二元件的串联结构,并解析低阶模型的等效参数;最后,通过装置试件设计与试验,验证其反共振特性和理论方法有效性,并在此基础上分析装置刚度特性及不同阻尼形式的效果。[结果]结果表明,当跨度比共振隔振器结构,具有“高静低动”刚度特性;在双简支-悬臂梁上采取阻尼措施后,可实现隔振区传递率以最大速率衰减的同时抑制共振峰的效果。[结论]所提机械装置证明了三元件型反共振隔振器的可实现性,提供了一种简易可行的工程结构。

基于有源噪声控制系统的电声器件故障诊断技术研究

有源噪声控制系统是一种先进的噪声管理技术,其通过产生与入侵噪声相位相反的声波中和噪声,从而达到降噪效果。深入探讨基于有源噪声控制系统的电声器件故障诊断技术,详细介绍电声器件故障诊断技术的应用,包括整体设计方案、基于阻抗特性和信号均方根误差法的故障诊断系统设计,以及基于STM32的次级声源和误差传声器故障诊断系统的实现,确保系统的高效运行和长期稳定性。

高速冲击下金属橡胶动态力学特性研究

为探讨金属橡胶在高速冲击环境下的动态力学性能,制备了圆柱实心金属橡胶试件,使用分离式霍普金森压杆(SHPB)开展了金属橡胶的动态压缩试验。分析了金属橡胶动态应力-应变规律,探讨应变速率和弹簧卷外径对金属橡胶的动态弹性模量、动态峰值应力、能量吸收和理想能量吸收效率的影响规律。结果表明,动态应力-应变曲线分为弹性形变阶段、局部塑性变形阶段和破坏阶段,动态弹性模量和动态峰值应力均表现出典型的应变速率效应,且均随弹簧卷外径的增大而减小。此外,随着应变增大,能量吸收性能随应变速率增大而逐渐变好,随弹簧卷外径的减小而逐渐变好。理想吸能效率受应变速率影响很小,但随应变增大而逐渐增高并趋于饱和,其饱和值均大于0.75,弹簧卷外径为3 mm时,金属橡胶的理想吸能效率最优,其饱和值达到0.88,表明金属橡胶材料在高速冲击下有良好的吸能抗冲击作用。

基于声电类比的低频消音结构优化设计

基于声电类比,设计了与电滤波器性能相似的低频消音结构,并结合传递矩阵法和模拟退火法,构造了声学结构的优化设计策略。首先,采用归一化方法,以四阶切比雪夫高通电滤波器为基准,设计了电学带阻滤波器;然后,基于声电类比,将电路中的电感电容转换为声学结构中的细管和圆柱腔,构造了消音结构原型,并利用传递矩阵法,建立其数学模型,推导声波传递损失表达式;最后,结合声学结构的数学模型和模拟退火法,以有效衰减带宽最大为目标,以消音结构的尺寸参数为变量,对原型结构进行优化设计。结果表明:基于声电类比,能获得合理的消音结构原型,克服了仅依靠经典消音结构进行设计的局限;结合推导的传递损失数学模型和模拟退火法,对消音结构原型进行参数优化,能显著提高其消音效果,表现在传递损失超过20 dB的带宽拓宽至410~2 165 Hz,是优化前带宽的202%,特别是优化后的结构克服了原型结构在466~537 Hz频率内不能实现有效消音的缺陷,获得了连续的大跨度有效带宽,且传递损失曲线平均增幅达22.8%。

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。

超材料梁的双阶耦合带隙调控设计与宽带减振特性

局域共振带隙和Bragg带隙可同时存在于超材料梁中,利用两种带隙之间的相互耦合效应可以实现超宽耦合带隙设计,在宽带减振领域极具应用潜力.以往研究通常考虑单振子超材料梁的单阶耦合带隙设计,因而只能实现单阶的超宽耦合带隙,无法满足双目标或多目标频带的宽带减振需求.为此,本文开展了双振子超材料梁的双阶耦合带隙调控设计研究,提出了一种实现双阶耦合宽带隙的设计方法,分析了所设计双阶耦合带隙相比传统单阶耦合带隙的带宽优势,并探究了双振子质量分配比对双阶耦合带隙总宽度的影响,进一步设计出最优的质量分配比,使得实现的双阶耦合带隙的总宽度最宽.此外,还采用谱元法研究了基于双阶耦合带隙设计的双振子超材料梁的减振特性,通过与有限元法进行对比,验证了谱元法的准确性,研究表明基于双阶耦合带隙设计可以实现两个宽频带范围的高效减振.

基于FGMs的声子晶体带隙调控及振动特性研究

为抑制舰艇典型板壳结构低频振动,基于局域共振理论,设计了一种悬臂式声子晶体结构,开展了数值计算并揭示带隙发生机理,探究了各尺寸参数对带隙特性的影响。同时基于功能梯度材料(functional gradient materials, FGMs)思想,提出固有频率梯度组合带隙调控方法,可有效拓宽低频带隙范围。最后,设计振动特性试验并分析误差产生的原因。结果表明:悬臂梁边长越长,带隙宽度变窄,悬臂梁宽度及厚度增加,带隙宽度变宽;固有频率梯度组合研究中,当整体固有频率变化率小于8.1%时,带隙范围有效拓宽。当相邻两者固有频率变化率大于12.27%时,可呈现多频带隙特性;增加悬臂梁安装数量可在固有频率梯度组合的基础上进一步拓宽禁带范围,该研究成果可为船舶板壳结构隔振设计提供参考。

声学结构单元传递函数的建立方法及应用

基于三维有限元的时域仿真法,探讨了建立声学结构单元传递函数模型的一般方法。所建立的声学单元传递函数由结构参数高精度表达,能简化一般声学结构设计问题的流程。首先,建立了两种声学结构单元,仿真其幅频特性,并结合试验测量,验证幅频特性曲线的准确性,而后基于幅频特性曲线拟合传递函数,选择精度最高的零极点匹配方案,确定拟合传递函数的最优型式。结果表明,匹配7个极点和无零点来拟合膨胀腔单元的传递函数,匹配2个极点和2个零点来拟合亥姆霍兹共振腔单元的传递函数,拟合精度最高。然后,分析声学单元的结构参数对幅频特性的影响,并基于拟合传递函数的最优型式,通过数值仿真和拟合计算,建立由结构参数表达的声学结构单元传递函数模型。最后,构造了由膨胀腔和亥姆霍兹共振腔构成的复合声学结构,通过单元传递函数的组合计算,获得声学结构的总传递函数,并与COMSOL仿真结果比较,验证所建立声学单元传递函数模型的正确性,它能准确描述声学结构的传递损失特性。

全通道有效磁流变减振器的自适应分段准静态建模

全通道有效磁流变减振器(magnetorheological damper,MRD)阻尼通道中磁流变液的剪切屈服应力会随位置的变化而变化,在MRD结构设计阶段,常采用准静态模型来表示MRD结构尺寸与阻尼力的关系,并预测减振器的输出阻尼力。传统准静态模型通常假设磁流变液在阻尼通道内的剪切屈服应力处处相等,模型精度低且不符合全通道有效MRD磁路特点。基于上述问题,提出了一种新型自适应分段准静态建模方法,考虑了磁流变液剪切屈服应力随阻尼通道位置的变化关系,对阻尼通道的磁场强度先采用整体低阶拟合,根据设置的误差阈值对低阶拟合结果进行0/1状态划分,再完成分段拟合。以两款不同结构的全通道有效MRD为研究对象,通过电磁有限元仿真分析了全通道有效MRD的磁路特点并建立新型准静态模型,最后通过阻尼特性测试试验,验证了该新型准静态模型的合理性与精度。

橡胶内嵌弹簧的复合型减振器性能研究

针对一种T型减振器,分别在其外圆柱与内圆柱区域嵌入弹簧,研制出两种新型复合减振器,开展了静态力学性能与减振性能的研究。试验表明:内圆柱嵌入弹簧后在3.6mm的压缩变形下刚度增大2.2%,阻尼比仅减小0.2%,说明其在变载荷条件下具备更稳定的静态刚度与阻尼比;外圆柱嵌入弹簧可使原本硬度较低的橡胶减振器获得与高硬度橡胶减振器相近的振动传递率与结构损耗因子,动静刚度比略有提升,表明其具备较好的减振性能。相比改良填料配比,通过向低硬度橡胶内部引入金属结构改良性能的方案具备更好的可设计性与应用前景。

巴特沃斯带阻声学滤波器设计

基于声电类比,通过电滤波器设计声学结构,得到的声学结构和电滤波器的滤波性能存在差异。为此,提出了针对声学结构声质量和声容的修正策略。首先,基于声电类比,建立声学滤波器的理论传递函数模型。然后,设计一阶巴特沃斯带阻声学滤波器,应用有限元法仿真其传递损失,并与传递函数理论模型的计算结果进行比较。接着,采用最小二乘法构造迭代优化算法,基于有限元幅频仿真数据,拟合声学滤波器的传递函数,计算声质量和声容的理论值和拟合值之间的误差,提出声质量和声容的修正策略。最后,通过设计一阶和三阶巴特沃斯声学带阻滤波器,对修正策略进行验证。研究表明,基于声电类比设计的声学滤波器,中心频率和阻带宽度皆偏离设计目标,且相对误差随目标阻带宽度的增加而增加;修正后的一阶巴特沃斯声学带阻滤波器,中心频率和阻带宽度的相对误差均值皆小于2%;修正后的三阶巴特沃斯声学带阻滤波器,中心频率相对误差从4.6%降到0.6%,阻带宽度相对误差从7.5%降到2.5%;应用提出的声质量和声容的修正策略,能显著提高通过电滤波器预测声学结构滤波性能的精度。

亥姆霍兹共振腔复合结构的吸声特性

针对由亥姆霍兹共振腔构成的声学结构,研究了在结构尺寸不变的约束下,有效提升吸声性能的方法。首先,基于声电类比,设计了单腔亥姆霍兹共振器;然后,对单腔进行非均匀分割,形成具有不同腔深的多个亥姆霍兹共振腔,构造多腔并联结构,并建立计算吸声系数的数学模型;接着,在多腔并联结构中添加多孔吸声材料,研究材料厚度对吸声性能的影响;最后,用微穿孔板替代多孔材料,构造亥姆霍兹共振腔微穿孔板复合结构,结合微穿孔板理论,研究结构的吸声性能。结果表明,通过对单腔进行非均匀分割,构造多腔并联结构,能显著提高吸声性能,但随着腔体个数的增加,低频截止频率有向高频偏移的趋势;在多腔并联结构底部添加多孔吸声材料,对吸声性能的提升效果十分有限;在多腔并联结构中布置微穿孔板,能显著拓宽有效吸声带宽,并提高整体吸声系数;结合多腔并联结构的设计和布置微穿孔板,能实现结构吸声性能的大幅提高,且随着并联腔数的增加,吸声性能提升效果更明显,吸声系数曲线更平滑。

圆柱空腔橡胶层局域共振声子晶体双层板减振特性分析

针对机械设备中的低频减振问题,提出一种圆柱空腔橡胶层局域共振声子晶体双层板结构,即在双层板间周期性排列具有圆柱空腔的橡胶层和实心散射体振子。首先结合弹性波理论和BLOCH定理,采用有限元方法计算带隙范围并分析弯曲波带隙形成的原理,其次通过单变量和组合变量的方式分析单元参数对带隙的影响规律并依此对单元参数进行调整,使其弯曲波带隙范围为48.52~206.21 Hz,最后通过振动传输特性仿真验证其对弯曲波振动的减振效果。研究表明,圆柱空腔橡胶层双层板式声子晶体可以产生200 Hz以下的弯曲波带隙,且可以通过调整单元参数来使其匹配目标减振频段。声子晶体板的振动传输特性分析和振动位移图验证了其对带隙范围内弯曲波传输的抑制作用,可为基于声子晶体减振的工程应用提供一定的参考。

柔性声学超材料及其低频消声特性

为实现高速飞车舱内低频噪声控制,提出了一种基于Helmholtz共振效应的柔性声学超材料。通过理论分析Helmholtz腔的消声机理,利用COMSOL软件对比分析腔体单元、阵列结构的消声特性;通过声固耦合模块模拟柔性超材料的消声性能。参数化地研究了柔性声学超材料共振频率的变化规律,并分析了柔性超材料在不同变形程度下的消声特性。提出分部拔模的浇注工艺制备了柔性声学超材料样件,利用四传感器的测试原理测量样件的传递损失。研究结果表明,柔性声学超材料的测试、仿真结果均在300 Hz处存在一个传递损失峰,表现出了低于理论模型的Helmholtz共振频率及良好的低频噪声控制效果,同时柔性材料可避免因惯性对安装环境造成冲击,适用于曲面环境,在工程领域具有较好的应用前景。

有限壁厚圆管的声辐射

为研究有限壁厚圆管的声辐射特性,使用二维(2D)轴对称时域计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法计算了管口反射系数和端部修正。无限薄圆形管道计算结果与理论值吻合良好,从而证明了计算方法的正确性。研究了壁厚对管口声辐射的影响,计算结果表明,随着壁厚的增加,反射系数的幅值逐渐减小,端部修正系数则明显增大。通过对计算结果的多项式拟合,给出了反射系数和端部修正的拟合公式。最后应用该拟合公式计算管口的辐射声阻抗,结合有限元方法计算了有限壁厚膨胀腔消声器的减噪量(noise reduction,NR),通过与使用自动匹配层计算得到的结果对比,验证了拟合公式的准确性和实用性。

考虑关节间隙的多维隔振系统振动特性分析

为隔离车载精密仪器承受的多维振动,引入基于并联机构且考虑机构关节间隙的多维被动隔振系统。通过GF集(Generalized Function Set)型综合理论,得到一种具有三平移一转动运动特性的4-PUU(移动副-虎克副-虎克副)并联机构,在主动关节处添加弹簧和黏滞阻尼器,建立考虑关节间隙的多维隔振系统运动学和动力学方程,研究存在关节间隙的多维隔振系统在谐波、随机路面激励下的时域、频域隔振能力。研究结果表明:存在关节间隙的多维隔振系统能够实现多维振动在时域和频域中的有效衰减;随着关节间隙数值逐渐增大,隔振能力沿x轴方向变化最敏感,沿y轴方向变化最不敏感;系统第一阶共振峰对关节间隙变化敏感,向低频区域移动,隔振能力恶化。