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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

基于SMA支承的转子振动控制方法与试验研究

提出了基于形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)可控刚度支承的转子系统过临界转速振动控制方法,并试验验证了其有效性。首先,通过对SMA弹簧开展刚度测试得到弹簧的变刚度特性,建立SMA弹簧温度-刚度模型,设计了SMA变刚度支承结构。然后,提出了一种基于变刚度支承的转子系统振动响应控制方法,以带有多个变刚度支承的柔性转子系统为例,对支承的变刚度策略进行优化设计。最后,开展了基于SMA可控刚度支承的转子系统振动控制试验,过1、2阶临界最大振幅减振率分别可达到39.84%和57.93%,验证了转子系统支承刚度变化策略对过临界转速时振动抑制的有效性。

基于粒子群算法的发动机振动控制优化

基于响应面设计中的中心复合设计,结合QAR数据,拟合发动机N1振动值关于燃油流量、VBV角度、VSV作动筒位置的函数模型,并利用粒子群优化算法对该函数模型进行优化,得到匹配效果更佳的发动机相关参数,相较于QAR数据和响应面法优化后参数,使N1振动值降到非常理想的水平。

带有NES-GMM的弹性支撑梁振动控制及能量采集研究

本文针对带有非线性能量阱-超磁致伸缩材料(NES-GMM)的弹性支承梁的振动抑制及能量采集问题开展了研究.基于哈密顿原理、伽辽金方法并考虑GMM的本构关系,推导了梁、NES及GMM的耦合控制方程.利用四阶龙格库塔方法对谐波激励下梁的响应进行了数值分析.本研究首先从时域和频域两个方面分析了NES-GMM对梁的振动抑制效果,随后探讨了外界激励频率变化对NES-GMM装置能量耗散及采集性能的影响.此外,本文还分析了NES的非线性刚度、线性阻尼、惯性系数及NES-GMM加载位置等参数对振动控制和能量采集效果的影响.研究结果表明,NES-GMM系统能有效降低弹性支承梁在谐波激励下的多模态横向振动,并在振动抑制与能量采集两方面展现出良好的独立性能.

基于动态滑模的张拉整体结构振动控制研究

为降低动力荷载条件下张拉整体结构的振动响应,提升结构体系的主动控制效果,提出了一种适用于张拉整体结构的动态滑模控制方法。根据结构体系的动力学模型,推导出受控系统的状态空间表达,进而设计了基于趋近律的动态滑模控制器,并运用模糊规则对控制器参数进行自适应调节。采用一种基于作动器同等能量输入的对比分析方案,结合控制性能评价指标,探讨了作动器的控制效能问题,并以此评估不同控制方法对体系的控制效果。以某一跨度为5 m的空间张拉整体梁为例,对其开展了水平地震作用下的数值仿真,结果表明,动态滑模控制方法提升了作动器的控制效能,对降低结构的动态响应是切实有效的,且比常规的二次线性最优控制方法具备更加优异的控制效果,为此类结构的主动振动控制研究提供了新的策略选择。

基于双惯容调谐质量系统的半潜式海上风力机振动控制

与固定式海上风力机相比,漂浮式海上风力机的振动问题更为突出,进一步控制漂浮式海上风力机的振动成为了工程难题.针对此问题,探索了惯容调谐质量阻尼器(惯容-TMD,即IBA)系统对半潜式海上风力机的振动抑制效果,并提出一种基于结构阻抗的惯容-TMD综合优化设计方法,从整个设计空间出发保证惯容-TMD的最优性.为寻求最优的减振效果,基于达朗贝尔原理建立风力机-惯容-TMD动力学模型,采用双IBA的控制策略同时对半潜式海上风力机浮台和塔筒的振动响应进行抑制,并从增益效果角度,比较了双IBA与双TMD的减振性能.最后对OpenFAST软件进行二次开发,数值验证了风浪联合作用下双IBA相对于双TMD减振性能的提升.结果表明:双减振装置的减振性能相较于单个减振装置有明显提升,且双IBA振动控制效果要优于双TMD;此外,基于惯容器质量增益效果,在达到最优TMD相同减振效果的情况下,机舱惯容-TMD(NIBA)和浮台惯容-TMD(PIBA)分别可将结构减振器中质量元件的质量减少23.9%和32.2%,大幅降低装置成本.

弦支穹顶结构阻尼器替换撑杆振动控制研究

针对弦支穹顶结构在地震作用下的动力响应问题,提出采用黏弹性阻尼器替换弦支穹顶结构撑杆的振动控制方法,基于结构力学原理推导了弦支穹顶结构上弦节点静力位移公式,提出了黏弹性阻尼器参数刚度系数K、阻尼系数C的理论公式,借助有限元软件针对结构跨度、结构矢跨比、阻尼器参数、替换杆件类型、替换撑杆位置进行参数化分析。结果表明,替换阻尼器参数选用理论计算值的减振效果优于对照组,验证了阻尼器参数理论公式适用于弦支穹顶结构振动控制,最优替换杆件类型为结构的竖向撑杆,最优减振率可达72.46%。

地震作用下时滞位移反馈对AMD振动控制效果的影响

在传统被动TMD的基础上引入时滞位移反馈控制,将TMD转变为AMD。在AMD系统中,将时滞和反馈增益系数作为可调的控制参数。首先,建立AMD作用下两自由度耦合振动系统力学模型和数学模型;然后,采用特征值分析法判断控制参数平面上系统的稳定性;最后,以位移响应峰值、加速度响应峰值、位移均方根和加速度均方根为评价指标,基于Simulink仿真,分析控制参数对El Centro波作用下AMD振动控制效果的影响。研究结果表明,当系统物理参数固定时,控制参数取值决定了系统振动稳定性;相较于TMD作用的情况,合理的控制参数取值,可使AMD达到更佳的振动控制效果,主结构和阻尼器地震响应均在不同程度上得到抑制;在控制参数取值不合理的情况下,AMD振动控制效果变差。