采用电磁分流阻尼的反作用飞轮隔振方法设计与分析

反作用飞轮是重要的卫星姿态控制执行机构,也是星上最主要的微振动源。针对反作用飞轮转速范围宽的工作特点,本文提出采用六脚隔振装置结合电磁分流阻尼技术的隔振方法。考虑陀螺效应的耦合作用,建立了反作用飞轮与隔振装置的一体化动力学模型。通过理论分析和数值仿真,研究了陀螺效应对系统的模态、固有频率以及隔振性能的影响,并分析了关键参数对系统隔振性能的影响。开展了隔振优化设计,对优化后的隔振性能进行分析,并对隔振装置中的单个隔振单元进行实验验证,验证了电磁分流阻尼和弹簧刚度对隔振性能的影响。

基于压电分流阻尼电路的悬臂振动控制方法

针对航天领域内广泛应用的大尺寸、高柔性结构存在的振动自由衰减速度慢的问题,为了防止振动对飞行器结构的功能造成影响或者破坏,设计了基于宏纤维复合材料(Macro Fiber Composite,MFC)压电分流阻尼电路的结构减振方法。在对压电片电学特性分析的基础上,对电路结构进行了设计和分析,并用阻抗分析法对电路参数进行了优化,其中采用浮地模拟电感实现了电路中所需的大电感。针对典型悬臂梁结构,采用仿真手段分析了压电分流阻尼电路的减振效果,并搭建试验系统进行试验验证,压电分流电路能够显著降低结构的振动幅值。

框架薄壁类结构压电分流阻尼多模态减振试验研究

以四边固支铝合金板(框架薄壁类结构)为研究对象开展了基于压电分流阻尼电路的多模态减振试验研究。首先,开展扫频激励下单压电片单模态减振试验,电路最优参数试验结果与理论计算结果相互吻合,同时发现电路最优参数可在一个区间内取值,而不需要与理论计算值保持绝对一致,表明压电分流阻尼电路具有良好的工程实用性;然后,基于阻塞电路开展了扫频激励下多模态减振试验,通过多个压电片实现了20~2 000 Hz内振动能量下降20.2%的减振效果,同时在一些主要模态频率处峰值控制效果可达63%,试验充分验证了多压电片多模态减振的可行性;最后,在噪声载荷激励下开展了多模态电路减振试验,在20~2 000 Hz内铝合金板三个位置处加速度响应的均方根值分别降低了19.1%,18.2%,15.3%,在648 Hz处峰值分别下降了34.1%,33.3%,31.0%。试验结果表明,多模态电路在实际工程载荷条件下仍然具有一定的减振能力。

压电分流阻尼控制悬臂梁振动的参数优化分析

采用阻抗分析技术,根据压电材料的机电耦合特性和RLC电路的电学阻抗特性,详细推导了RLC串联压电分流阻尼系统的机械阻抗特性,研究了作单模态振动的悬臂梁在粘贴压电片后形成的压电悬臂梁系统的位移传递函数特性。借助于调谐质量阻尼减振理论,进行了压电分流阻尼系统的参数优化分析,并通过算例验证了参数优化前后压电分流阻尼系统对悬臂梁振动的被动控制效果。

精密机械结构的自适应压电分流阻尼抑振

为提高压电分流阻尼系统对多模态振动的抑制能力,提出了一种基于负阻抗变换器的频率自适应模拟电感电路,并应用于压电分流电路的设计,使压电分流电路能适应结构振动频率的变化而一直处于谐振状态,从而达到最佳的阻尼抑振效果,并研究了分流电路构型和各元件阻抗对抑振效果的影响。将此电路应用于典型精密机械结构——硬盘驱动器磁头驱动臂的多模态振动响应抑制,取得了良好的抑振效果,结构的前3阶稳态响应传递函数的幅值分别降低了8.15 dB、12.06 dB和2.11 dB。

压电分流阻尼控制悬臂梁振动的实验研究

采用压电分流阻尼原理,对根部粘贴压电陶瓷片的柔性悬臂梁振动控制进行了实验研究。实验中设计了一个由电容、电阻和运算放大器组成的等效电感电路,解决了压电分流电路设计中的超大电感器问题。根据测试得到的带压电分流电路悬臂梁的闭路和开路自然频率,确定出了压电分流电路的最优参数,对悬臂梁的瞬态振动和单频简谐激励下的稳态振动控制实验表明了压电分流阻尼被动控制结构振动的有效性。

通过压电分流阻尼技术抑制结构振动的实验研究

以一四边固定矩形板为例,通过实验方法对三种不同的压电分流阻尼技术(RL串联压电分流电路、RL并联压电分流电路以及RL-C并联压电分流电路)的振动控制效果进行分析和比较。实验结果表明,当压电分流电路的参数调节到最优值时,能够有效降低结构振动;RL串联压电分流电路和RL并联压电分流电路的控制效果基本相等;RL-C并联压电分流电路能够降低分流电路中的最优电感值,但是控制效果也随之变差。实验结果还表明压电分流电路对电感值相当敏感,如果电感值偏离最优值,有可能会使得控制效果大幅下降。

硬盘读写头驱动臂的压电分流阻尼抑振

针对读写头驱动臂的振动响应限制了硬盘驱动器性能提高的问题,进行了硬盘读写头驱动臂的压电分流阻尼抑振实验。在考虑驱动臂自身阻尼的情况下,根据结构振动方程和分流电路机械阻抗方程,建立了耦合有压电分流电路的驱动臂系统的传递函数,以传递函数的极大值最小化为目标进行分流电路的参数优化,采用LM-BP网络建立优化参数和结构动力学参数间的非线性映射关系。实验证明,参数优化后的压电分流阻尼系统能有效抑制驱动臂的振动响应,使其1阶稳态响应降低了28.70dB。

含压电分流阻尼的声学黑洞梁振动特性研究

针对声学黑洞梁结构,引入压电分流阻尼形成声学黑洞压电复合结构,采用半解析法对其振动特性进行分析。首先基于哈密顿原理,采用墨西哥帽状小波作为型函数,利用能量法对声学黑洞悬臂梁的自由振动和受迫振动进行求解,与有限元法结果吻合良好,验证了半解析法的可靠性。然后引入分流阻尼,通过等效介质法将分流阻尼等效为附加材料,利用其局域共振机制,分析了含分流阻尼的声学黑洞梁振动特性,从理论上分析了确定局域共振频率近似方法。压电分流阻尼可以通过调整电感值来使局域共振与结构共振产生耦合,从而使振动响应峰值产生衰减;另一方面适当的阻尼可以使振荡效应消失。针对第一阶共振峰值,设计出的含分流阻尼的声学黑洞梁比传统阻尼层声学黑洞梁的振动有明显衰减,为声学黑洞结构的低频振动控制提供了新的思路。

压电分流阻尼的虚拟实现

提出压电分流阻尼技术的虚拟实现方法,用主动控制的方法来真实地模拟被动压电分流阻尼器的效果。利用压电分流阻尼系统的动力学基本方程设计反馈控制器,建立相应于LR串联分支电路的反馈控制结构,整个闭环控制系统稳定或渐进稳定。虚拟实现方法避免了大电感的要求,可以在线调节电感和电阻的数值以适应环境的变化,克服了物理压电分流阻尼器的两大缺陷。数值仿真结果表明,虚拟实现方法能够有效地控制连续结构的振动。

基于压电分流阻尼技术的弹性环式隔振器阻尼研究

针对某发动机推力轴承弹性环式隔振器阻尼效果不太理想、阻尼不可调等问题,引入压电分流阻尼技术用于弹性环式隔振器减振特性研究。采用压电片代替弹性环式隔振器中的阻尼材料,设计了弹性环式压电分流阻尼隔振器,并设计了基于回转器的共振压电分流电路,建立压电分流阻尼系统机电耦合模型,研究分流电路参数的优化方法,确定了分流电路最优参数。最后建立弹性环式压电分流阻尼隔振器测试系统,实验测试了压电分流阻尼系统的减振性能,结果表明压电分流阻尼使得结构共振响应幅值降低了9 d B,明显改善了弹性环式隔振器的阻尼特性。

基于遗传算法的电磁分流阻尼参数优化

提出一种基于遗传算法的电磁分流阻尼的最优参数设计,可解决定点理论(H∞优化)不能考虑主系统阻尼进行优化的缺点。首先导出包含主系统阻尼比的位移放大因子无量纲参数的表达式;然后使用PQ定点法推导出主系统阻尼比为0时的最优调谐比、最优阻尼比;再建立考虑主系统阻尼比时基于遗传算法的目标函数以及适应度函数,最后分别求得当主系统阻尼比取不同数值时各自的最优电容以及最优电阻,从而证明基于遗传算法优化的电磁分流阻尼设计对降低主系统振动具有良好效果。

压电分流阻尼系统的重置开关控制

对于具有压电分支电路系统的结构提出一种新颖的重置开关控制方法,建立了基于能量释放的控制律来减小系统的总能量:当电路中电感储存的能量达到最大值时,将电路开关短时断开并释放电感储存的能量,当电路开关再次合上后,电感无能量回传给被控结构,从而减小流入被控结构的能量,保证了控制系统的稳定性.对一个悬臂梁的数值研究表明,重置开关控制方法对结构的振动具有明显的控制效果,而且其抑制脉冲响应的性能要优于被动压电分流阻尼技术,对环境和系统参数变化的敏感性比被动压电分流阻尼技术的小.

压电分流阻尼电路设计的极点配置方法

针对作为被动控制的压电分流阻尼电路提出极点配置方法。对压电分流阻尼系统建立机电耦合方程,考虑模态位移为输出量,得到系统极点的特征方程。运用主导极点与虚轴的距离对系统动态响应衰减有着关键作用这一特性,确立优化目标,然后求解出压电分流阻尼电路参数的最优值。最后通过数值仿真对所设计的优化方法进行检验,并与传统传递函数优化法进行比较。仿真结果表明,运用极点配置方法设计的压电分流电路有着良好的抑制振动的效果,这验证了极点配置方法的有效性。

基于负电阻电磁分流阻尼的结构振动控制

提出将负电阻模拟电路接入电磁分流阻尼(Elctromagnetic Shunt Damper,EMSD)的LRC分流电路以中和线圈直流电阻,从而增大电流和控制力,提高振动控制效果。推导将基于LRC分流的EMSD用于控制悬臂梁振动的状态空间模型,数值计算结果表明:加入负电阻能有效提高控制水平;LRC分流电路能控制悬臂梁任意一阶模态的振动;在结构固有频率较小时,EMSD能起到多模态控制效果,并且引入负电阻能在一定程度上使这种多模态控制效果更为显著。

基于压电分流阻尼技术的新型减振环的参数优化分析

基于压电分流阻尼技术,设计了一种采用压电堆叠的新型减振环。该减振环可以有效降低传动系统通过轴和轴承传递到支承的振动,同时避免压电堆叠承受切向应力,增加了压电堆叠的使用寿命。提出了新的压电减振环被动控制理论模型,根据压电堆叠的压电方程和机电耦合特性推导了减振环的复刚度和系统的力传递率函数。提出了三种外接电路形式,根据系统力传递函数使用MATLAB程序优化分流电路中电子元件的参数。通过数值仿真计算,可以得出安装减振环后系统力传递率函数峰值明显降低。说明减振环对轴承-支承系统具有很好的减振效果。

基于极点配置法的电磁分流阻尼优化设计

使用极点配置法解决了机电耦合系数大于等于2时,H2优化以及定点理论不能用于电磁分流阻尼(electromagnetic shunt damper,EMSD)参数优化设计的问题,从而实现结构振动控制。得到了经极点配置法优化的最优调谐比、阻尼比等无量纲参数的解析解。数值计算结果表明:极点配置法能用于解决当机电耦合系数取大数值时,EMSD分流电路的优化设计问题;在时域上,极点配置法对应的衰减系数分别大于基于H∞、H2优化的主导极点决定的衰减系数76.96%、282.47%,从而使得系统暂态分量衰减最快;极点配置法具有良好的鲁棒性。

基于压电分流阻尼的壁板振动被动控制研究

压电分流阻尼系统用于结构的振动被动控制,与振动主动控制相比,这种控制系统简单,易于实现,而且不会出现溢出和控制失稳现象。为此本文运用压电分流阻尼系统对加筋板振动进行被动控制,实验的结果验证,此方法能有效的抑制加筋板的第一阶模态振动,为进一步研究加筋板振动控制提供参考。1振动被动控制原理振动被动控制是通过压电式作动器把振动结构的机械能转换为电能,通过压电分流阻尼系统中的电阻消耗电能,达到减振的效果[1]。

含电磁分流阻尼双层准零刚度隔振系统的动力学特性分析

双层准零刚度隔振器(Two-stage quasi-zero-stiffness vibration isolator,TQZS VI)可以有效地抑制低频振动以及迅速衰减高频振动,电磁分流阻尼器(Electromagnetic shunt damping,ESD)也被证明是从振动结构收集能量的可行方式。通过集成TQZS VI和ESD,提出了一种能够实现振动控制和能量收集双功能的新型TQZS VI。所提出装置的准零刚度是通过垂直弹簧与两个并联的横向弹簧实现的,电磁分流阻尼作为上下层之间的黏性耗散元件,由连接到外部谐振电阻-电容-电感(Resistance-capacitance-inductance,RCI)串联电路的ESD提供。首先,建立了含电磁分流阻尼双层准零刚度隔振器(Two-stage quasi-zero-stiffness vibration isolator with electromagnetic shunt damping,ESD-TQZS VI)的力学模型和数学模型。然后,采用谐波平衡方法(Harmonic balance method,HBM)和弧长延拓方法求解了ESD-TQZS VI的幅频响应方程。从力传递率和输出功率的角度,分析了系统参数对振动隔离和能量收集性能的影响,发现大阻尼比有利于衰减谐振峰,同时对能量收集影响较小;大分流电阻不利于衰减谐振峰,而且会使得系统隔振频带变窄。最后,揭示了参数优化后ESD-TQZSVI的分岔及吸引子共存特性。结果表明,ESD-TQZS VI能够显著衰减低频振动的谐振峰值,同时实现振动能量收集。

双阻尼分流机头优化设计及对橡胶/蒙脱土纳米复合材料挤出性能的影响

设计了单阻尼流道、单分流挡板流道及双阻尼分流流道结构,模拟了不同流道结构挤出成型过程中的速度场和压力场,对双阻尼分流机头进行了优化设计。并通过橡胶/蒙脱土纳米复合材料的性能测试分析对比了各流道结构的优缺点。结果表明:与单阻尼流道及单分流挡板流道机头相比,双阻尼分流机头能够使胶料的出口速度保持一致,对物料的取向作用也十分明显,并且能更大程度地提高蒙脱土在纳米复合材料中的分散程度,从而改善橡胶/蒙脱土纳米复合材料的加工性能。