（固体力学专业论文）自调谐吸振技术研究.pdf

摘要 摘要 吸振器是一种常用的振动控制器械，在航空航天，建筑、船舶等很多领域都 得到了广泛应用。普通被动式吸振器的减振效果在外界激励频率发生改变的情况 下会显著变差。为了解决这一问题，发展出自调谐吸振技术。自调谐吸振器能够 实时调整其固有频率来追踪激励频率，从而取得更好的宽频减振效果。目前，自 调谐吸振技术已经得到了一定的发展，但具体的工程应用仍然存在许多问题亟待 解决，这些问题主要表现在器械的减振性能不够理想，实用化程度不高，应用研 究较少等方面。因此，进一步开展自调谐吸振技术研究具有重要的理论和工程应 用价值。本文以实验室承研的国家应用技术研究项目为背景，围绕自调谐吸振技 术开展了理论和实验研究，主要内容包括自调谐吸振器的设计研究，自调谐吸振 技术在多模态系统减振中的应用研究和主动式自调谐吸振技术的研究。具体内容 如下。 针对实际应用需求，开展了自调谐吸振器的设计研究。分析了吸振器结构参 数对减振效果的影响。设计了一种机械式变刚度结构，以这种变刚度结构为核心， 研制出机械式自调谐吸振器，并对其进行了逐代改进、优化。最终得到的自调谐 吸振器具有结构紧凑，质量利用率高，控制方便快速等优点。吸振器动力学性能 的测试结果表明，该吸振器具有较宽的移频范围，且阻尼较小。为自调谐吸振器 设计了一种兼顾快速性和准确性的变步长、自寻优控制策略，并对控制策略的效 果进行了仿真分析。 开展了自调谐吸振技术在多模态系统减振中的应用研究。利用子结构综合法 建立了耦合系统的数学模型，依据该模型进行了仿真分析。重点考察了不同安装 位置的自调谐吸振器减振效果之间的差异，在此基础上确定了吸振器的最优安装 位置。建立了大质量、多模态的模型实验平台，在该平台上对所研制的机械式自 调谐吸振器的减振效果进行了评估测试。结果表明：利用自调谐吸振器能够有效 控制多模态系统振动；机械式自调谐吸振器的减振性能较好。在质量1 ：1 ：1 6 0 的情 况下，能够在1 1 1 7 h z 的范围内取得5 d b 以上的减振效果。采用有限元方法对系 统进行了仿真计算，所得结果和实验结果吻合良好。 为提高自调谐吸振器的减振效果，将主动控制技术引入到自调谐吸振技术领 域，研制出主动式自调谐吸振器。对主动式自调谐吸振器的减振机理进行了理论 分析，在此基础上提出了主动式自调谐吸振器的控制策略。利用磁流变弹性体材 料设计了一种主动式自调谐吸振器，分别在振动台和梁结构平台上对吸振器的动 力学性能和减振特性进行了测试，结果表明：加入主动力后吸振器的阻尼比明显 摘要 减小，减振效果显著提高。这表明了采用这种方案来改善吸振器的性能是可行的。 本文还对吸振器和梁结构平台的耦合系统进行了理论建模和仿真分析，所得结果 和实验结果吻合良好。 关键词：振动控制，自调谐吸振技术，吸振器，多模态振动，主动振动控制 n a b s t r a c t a b s t r a c t t u n e dv i b r a t i o na b s o r b e r s ( t v a s ) a r ew i d e l yu s e di ni n d u s t r i e st o s u p p r e s s u n d e s i r a b l ev i b r a t i o n so fm a c h i n e se x c i t e db yh a r m o n i cf o r c e s h o w e v e r 。t h e 佻i s o n l ye f f e c t i v ei nan a r r o wf r e q u e n c yr a n g e a st h ee x c i t a t i o nf r e q u e n c yv a r i e s ，t h e v i b r a t i o na t t e n u a t i o ne f f e c to ft h et v ad e c r e a s e so re v e nc o l l a p s e sb e c a u s eo f m i s t u n i n g t h i sp r o b l e ml i m i t sm a n yp r a c t i c a la p p l i c a t i o n so ft h et v a s o n es o l u t i o n i st od e v e l o pa na d a p t i v et u n e dv i b r a t i o na b s o r b e r ( a t y a ) b ya d j u s t i n gar e s o n a n t f r e q u e n c yi nr e a lt i m et ot r a c kt h ee x c i t a t i o nf r e q u e n c y , t h ea t v a i sa b l et oi m p r o v e t h ev i b r a t i o na t t e n u a t i o np e r f o r m a n c es i g n i f i c a n t l y i nr e c e n ty e a r s ，t h ea d a p t i v et u n e d v i b r a t i o na b s o r b i n g t e c h n o l o g y h a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l y h o w e v e r , i nr e a l e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ，m a n yi s s u e sa r es t i l ln e e d e dt ob ed e a l tw i t ha p p r o p r i a t e l y t h e s ei s s u e si n c l u d e ：p o o rv i b r a t i o na t t e n u a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ed e v i c e ，l o wl e v e l o fp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，a n dl a c ko ft h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c h t h e r e f o r e ，f u r t h e r r e s e a r c ho nt h ea d a p t i v et u n e dv i b r a t i o na b s o r b i n gt e c h n o l o g yi sc r u c i a li nt h e o r ya n d e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nr e p o r t sb o t ht h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a l r e s e a r c h e so nt h ea d a p t i v et u n e dv i b r a t i o na b s o r b i n gt e c h n o l o g y t h ed e v e l o p e d t e c h n o l o g yi s a l s oa na i mo fn a t i o n a la p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c h t h em a i n c o n t e n t si n c l u d et h r e ep a r t s ：( a ) d e s i g no fam e c h a n i c a la t v a ，c o ) a p p l i c a t i o no ft h e a t v at oam u l t i m o d a ls y s t e m ；a n d ( c ) r e s e a r c ho nt h ea c t i v e a d a p t i v ev i b r a t i o n a b s o r b e r ( a a v a ) i nt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h ea t v a ，s e v e r a lk e yf a c t o r si ni n f l u e n c i n gt h e v i b r a t i o na r e n u a t i o ne f f e c tw e r ea n a l y z e d t h e s ea n a l y s e sl e dt oan o v e lm e c h a n i c a l a t v aw i t ht h ev a r i a b l es t i f f n e s sa st h e h e a r t t h en a t u r a lf r e q u e n c yo ft h ed e v i c ec a l l b ea d ju s t e di nr e a lt i m eb ya d j u s t i n gi t sg e o m e t r yp a r a m e t e r s t h ep r o p o s e da t v a w a sp r o t o t y p e da n di th a st h ea d v a n t a g e so fc o m p a c ts t r u c t u r e ，h i g hu t i l i z a t i o no ft h e m a s sa n ds oo n t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h ea t v aw a se x p e r i m e n t a l l ye v a l u a t e d ， w h i c hi n d i c a t e st h a tt h ea t v ah a sw i d ef r e q u e n c y s h i f tr a n g ea n dl o wd a m p i n gr a t i o a no p t i m a lv a r i a b l es t e p s i z ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h ea t v aw a si n v e s t i g a t e d t h e v a l i d i t yo ft h i ss t r a t e g yw a sv e r i f i e dv i as i m u l a t i o n t h ea p p l i c a t i o no ft h ea t v at oam u l t i - m o d a ls y s t e mw a sa l s oi n v e s t i g a t e dt h r o u g h b o t ht h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a la p p r o a c h e s t h et h e o r e t i c a ls t u d yf i r s t l ys e tu pt h e m a t h e m a t i c sm o d e lo ft h es y s t e mw i t ht r a n s m i s s i o nm o b i l i t ym e t h o d t h ev i b r a t i o n i i i a b s t r a c t a t t e n u a t i o ne f f e c t so ft h ea t v a si n s t a l l e da td i f f e r e n tm o u n t i n gp o s i t i o n sw e r e a n a l y z e da n dc o m p a r e d ；t h eo p t i m a li n s t a l l i n g p o s i t i o n w a sd e t e r m i n e d t h e e x p e r i m e n t a ls t u d yi n t e r m so ft h ev i b r a t i o na t t e n u a t i o ne f f e c to ft h ea t v aw a s c o n d u c t e dw i t has e l f - m a d em a s s i v em u l t i m o d ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m f u r t h e r m o r e ， t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dw a se m p l o y e dt oa n a l y z et h ea t v ap e r f o r m a n c e s ，w h i c h a g r e e d w e l lw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s t of u r t h e ri m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ea t v a ，a na c t i v e - d a m p i n g - c o m p e n s a t e d m a g n e t o r h e o l o g i c a l e l a s t o m e ra d a p t i v e t u n e dv i b r a t i o n a b s o r b e r ( a a 、，a ) w a s d e s i g n e da n dp r o t o t y p e d t h ep r i n c i p l ea n dt h ev i b r a t i o na ：t t e n u a t i o np e r f o r m a n c eo f t h ep r o p o s e d 阑k w e r et h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d b a s e do nt h ea n a l y s i s ，a ne f f e c t i v e c o n t r o ls t r a t e g yo ft h ea a v aw a sd e v e l o p e d t h i sc o n t r o ls t r a t e g yu s e dt h ev e l o c i t y s i g n a lo ft h eo s c i l l a t o ra st h ef e e d b a c kc o n t r o ls i g n a l t h ed y n a m i cp r o p e r t i e so ft h e m r e 删k p r o t o t y p ea n d i t sv i b r a t i o na t t e n u a t i o np e r f o r m a n c e sw e r ee x p e r i m e n t a l l y i n v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ed a m p i n gr a t i oo ft h e d e v e l o p e d 删kw a ss i g n i f i c a n t l yr e d u c e db yt h ea c t i v ef o r c e c o n s e q u e n t l y , i t s v i b r a t i o na t t e n u a t i o nc a p a b i l i t yw a ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dc o m p a r e dw i t ht h e c o n v e n t i o n a lm r ea t v a t h i sd e m o n s t r a t e st h a tt h ed e v e l o p e dm e t h o di se f f e c t i v e f o ri m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h ea b s o r b e r a d d i t i o n a l l y , t h ec o u p l i n gs y s t e m m o d e lo ft h eb e a ma n dt h ea a v a w a sd e v e l o p e da n da n a l y z e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t s a g r e ew e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e yw o r d s ：v i b r a t i o nc o n t r o l ，a d a p t i v et u n e dv i b r a t i o na b s o r b i n gt e c h n o l o g y , v i b r a t i o na b s o r b e r , m u l t i - m o d ev i b r a t i o n ，a c t i v ev i b r a t i o nc o n t r o l i v 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确 的说明。 作者签名： 签字日期： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中国学 位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 口公开口保密( 年) 作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 第一章绪论 1 吸振器 第一章绪论 振动是一种常见的自然现象，一些有害的振动给人们的生产和生活带来了许 多麻烦和危险。随着科学技术的日益进步，人们对安全和舒适度的要求越来越高， 这对减振技术提出了更高的要求。 吸振器是一种常用的减振设各。自从1 9 0 9 年f r a h m 1 1 发明以来，该技术已 经有1 0 0 多年的发展历史。它的基本原理是在目标减振系统即主振系统( 简称： 主系统) 上附加一个振动子系统即吸振器，适当选择该子系统的结构形式、动力参 数以及与主系统的耦台关系，就能够改变主系统的振动状态，从而在预期的频段 上减小主系统的振动响应四。该技术结构简单、易于实施、减振效果明显，因此 已在交通运输、工业机械、建筑桥梁等各个行业得到了广泛应用成为实施振动 控制最常用的手段之一。图l1 是吸振器的几种典型应用。 c i 图1 1 碾撮器的几种应用实例“” 图i _ 1 ( a ) 是世界上最高建筑物之一的台北l 叭大厦，该大厦高达4 4 9 米，且 建筑在地震多发地带。为了增强其抗震能力，在该大厦的顶部安装了一个球形吸 一姒。*勰l 游m 吸一 第一章绪论 振器。该吸振器的质量达到了6 6 0 吨，是目前世界上最大的吸振器。吸振器在建 筑领域的另一著名应用实例是迪拜的帆船酒店，在该酒店的侧翼护栏上也安装了 多个吸振器以提高建筑的抗风能力。图1 1 ( b ) 是某一型号的船用大型电机l j j ，该 电机在运行的过程中会因为偏心，电磁耦合作用等因素引起较大的振动。为了对 该电机减振，在电机的机身两侧安装了多个吸振器。图1 1 ( c ) 是吸振器用于硬盘 减振的情况【4 】，这是该技术应用在信息技术领域的实例。目前信息技术的发展对 电子设备抗振能力的要求越来越高，在此推动下，吸振器在该领域的应用研究也 有了长足进展。另外，在生产和生活中其他许多方面吸振器也都被广泛应用，例 如铁路【5 ，6 1 ，航型7 ，8 1 ，电力系鲥9 1 等领域。 通常所说的吸振器按减振功能特点可以分为两种。一种主要针对单频激励， 这种吸振器的固有频率通常设置为和激励频率一致。吸振器的阻尼为0 时，能够 将减振对象的振动减小为o ，取得最理想的减振效果 1 0 , l l 】。另一种主要针对随机 激励等宽频激励，这种吸振器也被称为调谐质量阻尼器i l2 1 。它的固有频率通常 设置到减振对象的某一阶敏感频率附近。和第一种吸振器不同，调谐质量阻尼器 通常需要一定的阻尼来保证减振带宽。一些文献对调谐质量阻尼器频率和阻尼的 优化进行了较详细的研究【1 3 d5 1 。由于其宽频减振特点，调谐质量阻尼器通常被应 用在建筑减振领域。 从技术特点来看，目前研究得较多的吸振器有被动式吸振器【l6 。，自调谐吸 振器( 半主动吸振器) 【1 7 】和主动式吸振器【1 8 】。被动式吸振器的各项参数一经设定便 不再改变，因此主要适用于激励频率变化不大时的减振需求。被动式吸振器结构 简单、性能稳定，在实际中应用最为广泛。自调谐吸振器也叫半主动吸振器，它 的某个( 些) 参数( 频率、质量和阻尼) 可以实时改变。这种吸振器能够满足激励情 况改变时的减振需求，宽频减振效果较被动式吸振器有了较大提高。主动式吸振 器与前两种吸振器的最大区别是在结构中引入主动力，利用主动力、弹性力和阻 尼力的耦合作用实现减振。主动式吸振器的减振效果比被动式吸振器和自调谐吸 振器更好，但结构复杂且能耗较高，因此一般被应用于某些对减振效果要求较高 的领域，如精密加工或光学设计等领域。 1 。2 自调谐吸振器 自调谐吸振器按可变参数的不同可以分为两种类型：阻尼可调式和频率可调 式。阻尼可调式通常应用在建筑减振领域，此类型的吸振器在很多文献中又称为 自调谐式调谐质量阻尼器【1 9 。2 1 1 。这种吸振器通常采用天棚阻尼控制策略作为吸振 器的控制策略。本文重点研究的是频率可调式自调谐吸振器，下文如无特殊说明， 2 第一章绪论 所说的自调谐吸振器其含义均为吸振器的频率可调。自问谐吸振器频率的调整一 般是通过改变弹性元件的刚度或质量块的质量来实现的，其中以变刚度方式更为 常见。目前研究得较多的可变刚度元件主要包括机械式，智能材料式和电磁式等 几种类型。和本文关系较密切的是机械式和智能材料式t 下面蘑点分折这两种自 调谐吸振器的研究现状。 21 机械式自调谐吸振器 机械式自调谐吸振器采用传统机械结构作为吸振嚣的可变刚度弹簧，通过改 变机械结构的等效刚度来改变吸振器的固有频率。这种吸振器拥有性能稳定，技 术成熟，材料易得且廉价等优点，因此研究得最为广泛。咀下是几种较为典型的 机械式自调谐吸振器。 f r a n c h e k 等人设计了一种应用于建筑物减振的机械式自调谐吸振器口“。图 12 就是这种吸振器的原理图。该吸振器利用螺旋弹簧作为弹簧元件，通过改变 螺旋弹簧的有效圈数来改变弹簧的刚度，从而改变吸振器的固有频率 v i b r a t i o nc o n t r o l m n o ra 埘g e 哪r a i n ( p o t e a t i o m e t e rn o ts h o 帅 图1 2 基于螺旋弹簧的机械式自调谐吸振器i ”】 图13 所示的是基于同一种变刚度设计思想的几种不同结构的吸振器。w a l s h 等人最先提出了这种自调谐吸振器的设计思想口”。图l3 ( a ) 就是w a l s h 设计的原 理图。两条弯曲弹性粱在两端处连接在一起作为吸振器的弹簧元件，在粱的两端 放置两个集中质量块作为吸振质量。使用时改变两根弹性粱中点处分开的距离就 能改变两粱组成的弹性结构的垂向等效剐度，从而改变吸振器的固有频率。 k i d t x e r 等人口4 i 在w a l s h 研究韵基础上进一步发展，他们设计了如图l3 ( b ) 所示四 种变刚度结构，并建立了每种结构刚度和跨距之间关系的数学模型。实验结果表 明p i n n e d 和c l a m p e d 两种结构的数学模型和实验结果吻合较好。孙建民等人基 于这种思想设计了一种可应用于内燃机减振的吸振器口”吸振器的结构如图 i3 ( c ) 所示。但是他们只进行了初步的概念设计，并没有开发出样机。 第一章绪论 f 93t np m n “h b u t or 州* n b f c c n ：。j d j n n “c j o a 1f b l 图1 3 组台粱式自调谐吸振器2 埘i 口 粱弹簧的刚度和其有效长度有关，长度越大，刚度越小。这个特点使其能够 作为自调谐吸振器的弹簧单元。图14 是两种典型的利用梁弹簧作为弹簧单元的 自调谐吸振器。图14 ( a ) 显示的是悬臂梁式吸振器的一种典型结构，该结构最早 来源于n a g a y a 的设计“。结构中下端的丝杠( 5 ) 在电机( 3 ) 和( 4 ) 的带动下转动，附 在丝杠上的支撑板随之左右运动。当支撑板运动到右侧悬臂梁弹簧( 2 ) 的有效 长度变短，导致弹簧刚度变大，吸振器的固有频率增加。支撑板在左边时的情况 则与此楣反。c a m e a l 对这种吸振器进行了改进f 2 7 1 ，图14 ( b ) 就是改进后的吸振 器结构。在改进结构中，步进电机被放置在粱弹簧的中间作为动质量，这样的设 计能够大大减小了吸振器的冗余质量，提高了吸振器的质量利用率。 囤1 4 粱式自调谐吸振器口啦7 l ( b ： 文献2 8 1 中提到了两种机械式自调谐吸振器。图15 和图l6 所示的就是这 两种吸振器的实物照片。图l5 中吸振器的弹簧元件是两根有一定曲率的金属片 弹簧。片弹簧上都贴有压电片，给压电片通电可以改变片弹簧的曲率，曲率的改 变就将引起弹簧垂向等效剐度的改变1 2 q 。图l6 中吸振器的弹簧元件是两根垂直 放置、底部固定的弹性粱。改变两根粱之间的距离就将改变该结构垂直方向的等 效刚度。该吸振器的优点是其固有频率可以设计的较高能够满足高频减振需求。 图示结构吸振器的变刚度驱动装置放置在底都，和碱振主系统固定在一起，这部 分质量没有得到有效利用。改进时可以将驱动装置放置在吸振器的上部作为吸振 器的动质量这样可以大大提高吸振器的质量利用率口“。 一鬻一雾野 第一章绪论 图1 5 雁屯弯曲自调谐吸振器唧i图1 6 平行板吸振器 3 0 空气弹簧的刚度同气囊中的压力有关，增大或减小气囊压力就能够改变弹簧 的等效刚度。图17 就是利用空气弹簧设计的一种自调谐吸振器l 】。上下两只气 囊是吸振器的弹性单元，中间放置的质量块是吸振器的吸振质量。使用时利用气 泵改变气囊压力就能够改变吸振器的固有频率。同济大学的靳晓雄等人利用空气 弹簧设计了一种汽车用的半主动吸振器，并对其效果进行了仿真口”。空气弹簧 吸振器的优点是承载能力强，型号尺寸能够设计得较大：抗疲劳性能好，能够长 期使用；允许较大的变形量，满足低频减振需求。此类型吸振器的缺点是采用气 泵作为变刚度驱动设备，需要附加较大的冗余质量，且调谐速度较慢。 图1 7 空气弹簧自调谐吸振器 22 智能材料式自调谐吸振器 用于设计自调谐吸振器的智能材料较常见有磁流变材料，压电材料 3 2 , 3 3 和形 状记忆合金材料 3 4 - 3 6 j 。磁流变材料自调谐吸振器和本文关系最为密切，因此重点 分析这种吸振器的研究现状。磁流变材料是一类材料的总称，具体包括有磁流变 液，磁流变弹性体和磁流变胶等。这类材料的共同特点是材料的属性随着外界磁 场的改变而改变。这种特点使其在减振智能控制领域拥有广阔的应用前景。磁流 变液是一种很好的阻尼材料，这种材料最广泛的用途是用作阻尼器的阻尼材料。 跫增嫣譬。蛾蘸墨一莲? 越 第一章绪论 通过改变外加磁场的大小就能够改变阻尼器的输出阻尼力。磁流变弹性体是一种 粘弹性复合材料，它的弹| 生模量可以随着外界磁场的改变而改变凶此它更适合 用于设计自调 皆吸振器。 中国科学技术大学的智能材料和振动控制实验室很早就开始了基于磁流变 弹性体的智能器件的研制。图18 是两种由邓华夏等人设计的剪切式磁流变弹性 体自调谐吸振器，该吸振器工作时磁流变弹性体元件处于被剪切状态，执定吸振 器固有频率是的磁流变弹性体材料的剪切模量。图18 ( a ) 中设计的吸振器采用两 块磁流变弹性体作为吸振器的弹簧单元，项部安装了质量块作为吸振器的吸振质 量，通过改变贯穿磁流变弹性体元件的磁场的大小来调整吸振器的固有频率”1 。 图i8 ( b ) 将( a ) 中的结构进行了改进口，将励磁线圈等部分放到顶部作为吸振质量 以提高吸振器的质量利用率。 ”毡碧 8 6 j 一 图1 8 剪切式磁流变弹性体吸振器i ”j q 倪正超等人设计了一种动态调刚度磁流变弹性体吸振器f 圳，图1 9 为该吸振 器的原理图。 图1 9 动态调刚度磷流变弹性体吸振器m i 该吸振器工作时采用两块压电陶瓷挤压磁流变弹性体元件，以此来动态调节沿铁 6 勰鬻 每 ，瓣 ，糍您 霎 一h 一口 第章绪论 颗粒方向的剪切储能模量。这种吸振器可以减小阻尼对减振效果的限制作用，仿 真结果表明：采用文中所设计的控制率时，该吸振器的减振效果和一般磁流变弹 性体自调谐吸振器相比有较大提高。 与以上剪切结构的吸振器不同一些研究人员对其他工作模式下的磁流变弹 性体吸振器进行了研究。h o l d h u s e 等人设计了一种拉压式的磁流变弹性体吸振器 ( 4 0 i ，图1 1 0 是这种吸振器的原理图。图中上端和下端的磁流变弹性体材料是吸 振器弹簧单元，中间的线圈及磁路部分是吸振器的吸振质量。h o l d h u s e 还为这种 吸振器设计了类似于天棚阻尼的控制策略，该控制策略能够针对多频激励减振。 但根据其研究结果来看，此类型吸振器的减振效果并不明显，工程应用意义不大。 l e m e r 等人比较了剪切式，拉压式和拉拉( 压压试三种工作模式的磁流变弹性体 自调谐吸振器的动力学性能。图11 1 中是三种工作模式的示意图。他们的研 究结果表明：剪切模式的磁流变弹性体吸振器能够产生最大的移频范围，铁粉含 量3 5 的材料设计的吸振器的移频范围最大可达到5 0 7 。 固l l o 拉压式吸振器 n 1 1 1 “ e ，a ， 7r 。 | 。h ol， 囤1 1 l 吸振嚣几种工作模式的比较 除了磁流变弹性体外，磁流变液也可以用于设计自调谐吸振器。图1 1 2 就 是h i r u n y a p r u k 等人利用磁流变液设计了一种自调谐吸振器 4 “。将磁流变液灌注 在两条弹性梁之间的剪切层中，弹性梁的中点固支在主系统上，两集中质量块布 置在粱的两端。利用外加磁场改变磁流变液的粘度，就能够改变吸振器的固有频 率。 h “ 巳： = = 兰兰 圈1 1 2 瞄流变液自调谐吸振器 第一章绪论 智能材料自调谐吸振器的研究开拓了自调谐吸振器的设计思路，有着较重要 的研究意义。但限于智能材料技术的研究水平和应用水平，目前几种研究得较多 的智能材料自调谐吸振器基本都处在实验阶段，所研究的自调谐吸振器有一定的 效果，但还存在着各种不足，这些缺点极大地限制了此类型吸振器的进一步发展。 因此，如何解决这些不足就是该方向迸一步发展的核心任务。这一方面要依赖于 智能材料研究的进步，另一方面也要广开思路，尝试多方面的技术，扬长避短地 发挥该技术的应用潜力。 1 2 3 自调谐吸振器的控制策略研究 自调谐吸振器控制的最终目的是通过控制吸振器的固有频率来取得最好的 减振效果。控制的基本依据是使得自调谐吸振器的固有频率能够始终和激励频率 保持一致。为此，研究人员开发了多种控制策略。早期的控制策略多采用开环控 制，如s e t o 等人【4 3 】和w a l s h 等人1 4 4 】设计的控制策略。开环控制算法简单，实施 速度快，但稳定性较差，所取得的控制效果也不够理想。为改善开环控制的性能， 一些研究人员将闭环控制引入。w a n g 等人设计了一种开环和闭环相结合的控制 算法1 4 5 1 ，这种算法的控制目标是实现主系统瞬态振动能量的最小化。d e b e d o u t 等人为主动式亥姆霍兹共振器设计了一种粗调和梯度搜索算法相结合的控制算 法m 引。这种吸振器可以看做是自调谐吸振器的声学版本。l o n g 等人设计的控制 算法【47 j 与d e b e d o u t 的设计类似，先采用查表法对吸振器的固有频率进行粗调， 然后根据吸振器质量块和主系统之间的相位差进行精细调节。为了提高控制效 果，一些智能控制算法如模糊控制【4 8 , 4 9 , 2 4 】，也被引入到自调谐吸振器的控制领域。 模糊规则制定依据包括吸振器质量块和主系统之间的相位差或主系统的振动能 量等。w i l l i a m s 等人针对形状记忆合金材料的非线性特性，设计了一种用于形状 记忆合金自调谐吸振器控制的非线性控制算法【5 叭。 在自调谐吸振器的控制中，信号的采集和识别是必不可少的一环，是进一步 实施控制的基础。因此，为了提高该环节的准确性，一些信号识别算法也被应用 到自调谐吸振器控制领域。n a g a r a j a i a h 等人设计了一种基于短时傅里叶变换的信 号识别算法，该算法能够实时获得输入激励的瞬时频率，然后调整吸振器的刚度 来追踪该瞬时频率【5 1 1 。l i u 等人设计的控制算法1 5 2 】能够减小瞬态振动的影响，准 确识别出系统的频率变化。 1 3 主动式吸振器 8 第章绪论 131 主动式吸振器的结构 主动式吸振器的典型结构是在被动式吸振器的基础上增加能够提供主动力 的主动元件。常用的主动元件主要是电磁式作动器旧4 7 1 和压电式作动器m6 0 1 。电 磁式作动器和压电式作动器相比技术更为成熟研究更为广泛。下面以图l1 3 所示的几种主动式吸振器为例，重点分析一下电磁式主动吸振器的研究情况。 j 鏖川鹾 围陶p ， 重芏掣号型；离 兰墅! 【 w j 乏一 图1 _ 1 3 几种电磁式主动吸振器【辨蚓 图11 3 ( a ) 是张洪田等人设计的船用柴油机减振的主动式吸振器p ”，该吸振 器是一种非常典型的电磁式吸振器。图i1 3 c o ) 是c h e n 等人设计的主动式吸振器 】，该吸振器采用音圈电机作为吸振器的主动元件。音圈电机是一种研究得较 为成熟的电磁作动器，在生产和生括中已经得到了广泛的应用。这种电机具有频 响高，行程长，效率高等优点，很适合用做吸振器主动元件。音圈电机的典型结 构是由线圈和磁体组成的单相两极结构。给线圈施加电压则在线圈中产生电流， 通电线圈在磁场中受到与电流成比例的安培力，该力能使线圈在气隙内沿轴向运 动。线圈中电流的大小及方向将决定电机输出力的太小及方向。图11 3 ( c ) 是台 湾的w u 等人口”设计的一种主动式吸振器。它采用了带位移传感器l v d t 的直 线作动器作为吸振器的主动元件其中l v d t 用于实现位移反馈。图l1 3 ( d ) 是 胡杰等人设计的主动吸振器p q ，他们设计的器械的最大特点是采用粘弹性元件 作为吸振器的弹簧单元。 以上就是几种比较典型的电磁式主动吸振器，此类型吸振器的结构原理比较 第一章绪论 简单，但对具体的工艺设计要求较高。为取得好的减振效果，所设计的主动部件 要满足输出力大，行程长，控制精度高等要求。另外为减小吸振器的冗余质量， 主动部件的质量不能太大。这些都给器械的设计带来了困难，也是主动式吸振器 结构研究中所需要解决的核心问题。 1 3 2 主动式吸振器的控制策略 主动式吸振器的控制策略主要包括反馈控制和自适应控制。采用反馈控制的 主动吸振器包括主动共振吸振器【6 l 】和延迟共振吸振器【6 2 彤j 。主动共振吸振器采 用速度反馈和位移反馈相结合的反馈方式；延迟共振吸振器单纯采用位移反馈， 但需要将反馈信号进行一定的延时。这两种吸振器原理一致，都是利用反馈控制 把吸振器子系统的特征根配置到虚轴上，进行产生共振【6 刚。这两种控制策略能 够取得的减振效果是相同的，但第一种需要速度和位移两种信号的反馈，这就给 控制系统中的信号采集和处理环节增加了难度1 67 1 。 实际中很多振动为简谐振动，这种振动比较简单，信号采集及分析相对容易。 对于简谐振动的控制，前馈控制策略更为有效，且实现简单，可靠性高。目前研 究得较多的主动吸振器前馈控制算法是基于滤波x 最小均方( f i l t e r e dx - l m s ) 算 法的自适应前馈控制。l m s 滤波算法最早是由w i d r o w 在维纳滤波器的基础上提 出来【6 8 】。后来很多研究人员对该算法进行了改进【6 9 7 1 1 ，发展出各种改进滤波 x l m s 算法，提高了算法的收敛速度和控制精度。这些研究成果为主动式吸振 器前馈控制算法的设计打下了良好的基础。文献 5 3 5 6 中主动吸振器的控制策 略采用的就是基于l m s 算法的前馈控制策略。王永等人针对斯特林制冷机用主动 吸振器，提出了一类自寻优前馈振动控制律，实现了对单频简谐振动的主动控制， 取得了2 0 d b 以上的减振效果 2 l 。 近年来，一些智能控制算法也被引入到主动吸振器的控制领域，包括模糊控 制7 3 - 7 5 1 ，神经网络控制【7 6 铘】，滑模控带1 j 7 9 8 0 1 等等。这些控制算法能够适应复杂激 励时的减振需求，因此更多见于主动式调谐质量阻尼器的控制领域。 1 3 3 基于自调谐吸振器的主动式吸振器 目前研究的主动式吸振器绝大部分都是基于被动式吸振器设计的。将自调谐 吸振器和主动吸振器结合起来的研究则不多见。k i d n e r 等人【引1 进行了利用主动 力提高吸振器减振效果的研究，他们的研究结果指出：在被动式吸振器中引入相 对或绝对速度反馈能够提高被动式吸振器的减振效果。这项工作为后续相关工作 进行了铺垫。 1 0 第一章绪论 k i d n e r 等人还设计了一种刚度和阻尼都实时可调的吸振器吲，并为凌器械 设计了一种模糊控制策略。利用该策略能够对器械的刚度和主动力实施联台控 制。图11 4 是该器械的实物图。它的弹性单元采用两条弹性粱制成，改变梁中 点的跨距即可调整吸振器的固有频率。器械采用压电元件提供主动力。实验结果 表明在激励频率发生改变的情况下，泼器械能够取得很好的减振效果。 图1 1 4 刚度、阻尼均可调吸振器 s u n 等人口”对刚度可调的吸振器的原理及所需主动力进行了理论分析。从抵 消吸振器阻尼力的角度出发，设计了一种相对速度反馈形式的主动力。采用这种 方式能够有效减小系统阻尼对减振效果的影响。文中另一个重要内容是对吸振器 所需主动力进行了分析，分析结果表明：同普通主动式吸振器相比，该类型吸振 器所需主动力将大大减小。这是该类型吸振器一个显著优点。 综合以上分析来看，上述类型吸振器结合了自调谐吸振器和主动式吸振器的 优点：减振效果好且耗能小。因此这是一个拥有很大应用潜力的技术方向。该方 向的研究目前还很少在器械的机理、控制策略及样机设计方面均有比较广阔的 研究空间。 14 吸振器应用于多横态主系统减振的研究现状 在吸振器的研究文献中，通常采用单自由度系统作为减振主系统，但是单自 由度系统只是理想化的假设。现实中的振动物体本质上都属于多模态系统。因此 为满足实际应用的需求，需要研究吸振器应用于多模态系统的减振特性。 梁、板等构件在生产和生活中经常见到它们属于典型的弹性多模态系统。 很多振动物体都能够抽象成此类结构，如飞机的壁板，厂房的楼板等。因此开展 利用吸振器控制该类结构的振动，有很重要的现实意义。高宪智等人m i 对船体 粱与吸振器的耦合作用进行了研究。他们建立了船体粱与吸振器耦台的数学模 型，井分析了某型艇动力吸振的艉部减振效果。宛敏红等人 s s , 9 6 1 和仇君等人【”i 将吸振器用于弹性板的减振，并进一步分析了吸振器的参数、安装位黄和激励特 第一章绪论 征等因素对吸振器振动控制效果的影响。b r e n n a n 等人【8 8 , 8 9 j 提出了一种利用吸振 器控制梁中弹性波传递的减振方案，分析了吸振器在此应用中的作用机理，并给 出了吸振器的最佳调谐频率的优化结果。文献【9 0 】中将圆筒作为振动主系统，分 析了在单点激励和分布激励时，吸振器对圆筒内部声场的控制效果。很多运载工 具的舱体都可以抽象为圆筒结构，因此该文献中的研究具有较重要的借鉴意义。 浮筏隔振系统是减振中常见到的复杂弹性系统，中国科学技术大学开展了利用吸 振器改善浮筏隔振系统性能的研究。孙红灵等人【9 l 】首先进行了相应的理论研究， 他们研究中采用二维弹性梁来模拟浮筏。张鲲等人1 9 z j 在孙红灵工作的基础上更 进一步，采用板结构来模拟浮筏。王莲花等人 9 3 , 9 4 1 平1 j 李嘉全等人【9 5 】分别用自调谐 吸振器和主动式吸振器在复杂浮筏上进行了实验研究。结果表明该方法能够有效 的提高浮筏的隔振性能。 一些大型机械的刚度较大，其弹性振动只占其振动总量的很少部分。此类物 体可以抽象为具有弹