基于MR阻尼器的船舶减振基座试验研究PPT课件

1,-,基于MR阻尼器的船舶减振基座试验研究,邓忠超,2,-,研究的目的意义、发展现状及论文研究内容基座的设计思想及主要元件力学特性减振基座数值试验减振基座主要元件特性及模态测试减振基座振动试验减振元件中MR阻尼器力学特性研究总结与展望,报告的主要内容,3,-,1.1研究的目的意义船舶减振研究的目的意义:过大的船体振动可导致船体结构产生疲劳破坏;会影响船上设备和仪表的正常工作;影响舒适性;隐身性能MR阻尼器力学模型研究的意义:建立较为精确的MR阻尼器动力学模型是设计控制策略和获得良好控制效果的关键因素之一，也是在实际应用中MR阻尼器具有较高可信度的有力保障。,1研究的目的意义、发展现状及研究内容,4,-,1.2国内外研究现状1.2.1船舶减振的研究现状被动减振主动减振半主动减振单层减振双层减振浮筏减振1.2.2MR阻尼器研究现状磁流变液（MagnetorheologicalFluid，简称MR液）是1948年美国学者JacobRabinow发明的一种可控制流体，目前其是智能材料研究领域中较为活跃的一种。美国Lord公司自九十年代初以来在磁流变液及其工程应用等方面取得了突出成就，在该研究领域处于领先地位。我国在磁流变液的研制及工程应用方面与国外相比仍有一定差距。,5,-,(a)未加磁场,(b)加磁场,磁流变效应示意图,6,-,MR液有以下四个特点:连续性:MR液的屈服应力可随磁场强度的变化而连续变化；可逆性:MR液可随磁场强度增加而“变硬”，也可随磁场强度减小而“变软”；频响时间短:MR液屈服剪应力随场强正逆向变化所需时间仅在10-3ms数量级内；能耗小:一般只需要数十瓦功率的直流电源就能满足工程应用的需要。,7,-,8,-,（a）压力驱动模式（阀式）（b）剪切模式（c）挤压模式,MR阻尼器构造特点,MR阻尼器的工作模式,MR阻尼器的常见结构形式,9,-,MR阻尼器的应用与研究主要集中在以下领域：,MR液及MR阻尼器的制作MR阻尼器的力学模型工程应用中MR阻尼器的控制方法建筑结构抗震斜拉索桥拉索减震汽车悬架减震医疗领域机器人领域航空领域军事领域,10,-,1.3主要研究工作基于将MR阻尼器与钢丝绳弹簧相并联的思想，以船舶主机为保护对象，进行了减振基座模型系统的设计，根据国内现有的MR阻尼器的形状特性对传统的舰船基座结构进行了合理改造；对钢丝绳减振器和MR阻尼器的力学特性进行了数值仿真分析，研究了MR阻尼器活塞与缸体间隙变化对阻尼器性能的影响。详细讨论了外型尺寸参数变化对钢丝绳减振器等效刚度的影响，并针对试验要求确定了钢丝绳减振器的关键外型尺寸参数；对基座系统的振动响应进行了仿真分析。应用有限元软件ANSYS和对基座系统的振动响应进行了计算；基于MTS多点加载系统和LMS数据采集分析系统进行了振动模型试验设计。通过对模型激振频率、激振力幅、控制质量和MR阻尼器电流的调整进行了大量的试验。并采用PID控制方法对振动响应进行了控制。试验结果表明减振基座系统在控制结构振动方面效果明显，尤其体现在在低频减振方面；基于试验中MR阻尼器的出力特点，在现有MR阻尼器模型研究基础之上对Sigmoid模型进行改进。新模型中各系数的力学意义更加明确。,11,-,2基座的设计思想及主要元件力学特性,2.1智能舰用隔离器的设计思想,船舶减振基座,减振基座概念图,12,-,基座系统组成图,13,-,14,-,2.2磁流变阻尼器的数值试验研究,目前的研究表明，磁流变液在磁场作用下表现为Bingham流体，其本构关系为：,为流体的动态剪切屈服强度,为磁流变液的流体表观粘度系数；,为流体的剪切应变速率；,为与外加磁场强度H有关的库仑剪切屈服强度。,2.2.1MR阻尼器的工作原理及其伪静力模型,15,-,平行平板间的Bingham流体剪应力、速度分布及其微元体受力图,16,-,在平行平板间内单位时间内总的粘塑性体积流量为：,17,-,式中：,称为粘滞阻尼系数；,称为库仑阻尼力，它是磁流变液屈服强度的函数。,18,-,磁流变阻尼器的有限元模型,间隙2mm间隙4mm间隙6mm,2.2.2参数变化对MR阻尼器性能的影响,19,-,计算工况：,20,-,经计算，可以得到间隙取不同值时，活塞在不同速度下，阻尼器缸体内部的压强时间历程曲线和压力峰值与间隙和速度变化关系,计算结果:,V=2m/s,h=2-6mm,V=5m/s,h=2-6mm,21,-,间隙h、速度V与压强峰值P的关系图,V=5m/s,h=2-6mm,计算结果分析在相对速度V一定的情况下，间隙h越大，压强峰值也越低，则阻尼器发生泄漏的可能性也越低。当间隙h取一定值时，活塞与缸体的相对速度V越高，缸内的压强也越高。结合试验工况选定MR阻尼器间隙在2mm。,22,-,钢丝绳减振器,2.3钢丝绳弹簧特性仿真研究,（I型）螺旋型钢丝绳弹簧,（II型）螺旋型钢丝绳弹簧,（III型）拱型钢丝绳弹簧,23,-,取材料杨氏模量E4.6108N/m2,钢丝绳有限元模型,钢丝绳减振器有限元计算模型,仿真结果对比试验数据的载荷-位移曲线,24,-,计算工况：,25,-,减振器等效刚度,工况22-24的载荷-位移曲线,26,-,R0.075m时，、P与刚度K的关系图,R0.1m时，、P与刚度K的关系图,R0.15m时，、P与刚度K的关系图,计算结果分析：1）钢丝绳自身直径对于钢丝绳减振器性能影响最大。从0.01m变到0.05m，钢丝绳减振器的刚度上升可达100倍之多。2）钢丝绳线圈的半径R对钢丝绳减振器性能的影响也较大，0.075m变化到0.15m，钢丝绳减振器的刚度K下降可达200600。3）螺距P对于钢丝绳减振器性能的影响较小。从0.02m变化到0.08m，钢丝绳减振器的刚度K下降一般在2030左右。,27,-,3减振基座数值试验,智能舰用隔离器系统有限元模型图,单元类型：钢板架结构用shell63单元；钢丝绳弹簧用combin14单元；MR阻尼器用combin14单元；被保护设备质量用mass21单,28,-,谐响应分析工况表,29,-,定义振幅放大因子：,指标定义：,定义力的传递率：,施加给振动系统传的激振力的幅值,振动系统传递给支撑结构的合力,激振力幅值引起的系统静变形,激振力引起的振动系统位移振幅,30,-,1工况1响应谱线2工况4响应谱线3工况6响应谱线,1,2,3,低阻尼状态力的传递率响应谱,力的传递率变化规律:,高阻尼状态力的传递率响应谱,1工况15响应谱线2工况18响应谱线3工况20响应谱线,2,1,3,31,-,减振基座系统与单纯使用钢丝绳减振器的力的传递率对比图,改进后的基座系统与钢丝绳弹簧力的传递率对比图,32,-,振幅放大因子的变化规律,低阻尼状态振幅放大因子响应谱,高阻尼状态振幅放大因子响应谱,1,3,2,1,2,3,1工况12工况43工况6,1工况152工况183工况20,33,-,减振基座系统与单纯使用钢丝绳减振器的振幅放大因子对比图,改进后的基座系统与钢丝绳弹簧振幅放大因子对比曲线,34,-,计算结果分析：在简谐激振载荷作用下，基座系统与单纯的被动式减振器相比较在激振频率较高时力的传递率和振幅放大因子控制效果基本相同，相对误差分别为2.1%和6.4%。在激振频率较低时智能抗冲减振系统的减振效果明显优于被动式减振器，力的传递率和振幅放大因子的相对降幅分别达65.8%和94%；通过改变磁流变阻尼器的出力状态，能够分别实现降低系统力的传递率，达到减振降噪的目的，和控制模型上部结构的振动位移，达到满足主机和轴系运行要求的目的。,35,-,4减振基座主要元件特性及模态测试,4.1钢丝绳弹簧性能测定,钢丝绳弹簧照片,钢丝绳弹簧加压前,钢丝绳弹簧加压后,36,-,钢丝绳弹簧刚度曲线,37,-,4.2MR阻尼器性能测定,MR阻尼器照片,MR阻尼器性能测试,38,-,MR阻尼器出力曲线,39,-,试验方法及实现手段：应用LMS公司的数据采集系统及模态处理软件进行模态分析试验。在试验模型的各特征部位安装加速度传感器，采用锤击法对模型进行激励，通过对各加速度传感器的信号进行分析得出整个系统的模态信息,4.3基座模型系统模态测试,40,-,加速度传感器的布置在本试验中，模型上部结构承载了主要的被保护结构质量，它的振动特性直接与结构的振动响应相关。因此，模态试验主要对上部结构的模态进行测定。,41,-,模态分析简图是由一个水平平面和该平面上四个垂向方向的三角形组成。垂向方向的三角形分别对应试验模型的四个MR阻尼器罩。模态分析简图虽然对试验模型上部结构进行了简化，但能描述出模型的主要形状特性。模态分析简图的变形反应了实际试验模型的变形。,上部结构模态分析简图,42,-,动态特性试验照片,43,-,模态试验结果,经模态测试后，将试验结果振动特性表和模态图的形式给出。其中模态图是将试验模型在静止状态和模型在某阶模态下的最大变形状态所对应的模态简图叠加在同一图中，从中反应出该阶模态的振动变形特性。经测定，该动力学系统在质量为2t时固有频率及振型如下：,44,-,1）垂向模态：试验模型垂向方向振动振型及频率。,一阶模态图二阶模态图三阶模态图,45,-,2）水平轴向模态：试验模型水平轴向振动振型及频率。,一阶模态图二阶模态图三阶模态图,46,-,3）横向模态：试验模型横向振动振型及频率。,一阶模态图二阶模态图三阶模态图,47,-,5减振基座振动试验,基于MTS加载系统进行振动试验设计边界条件的处理：1）模型下部结构固定于地面，模拟船底结构.2）在模型上部结构上用MTS(10t)作动筒通过振动加载架施加垂向方向激振力模拟主机振动载荷。,5.1减振基座振动试验,48,-,激振力的加载方式激振力通过额定载荷为10t的作动筒施加给系统，作动筒与模型之间通过振动加载架连接。,振动加载架与上部结构的连接示意图,49,-,传感器布置本次试验所使用的传感器有位移、速度、加速度以及力传感器。主要布置在上部结构，测定在激振力的作用下系统的响应信号。传感器布置位置见下图,振动试验传感器位置图,50,-,传感器图,51,-,试验工况设定,结合MTS加载系统的工作特点，将系统输入激振力设定为：力幅：04000N、08000N、012000N、016000N、020000N、024000N六个状态；激振频率：1Hz、2Hz、3Hz、4Hz、5Hz、6Hz、7Hz、8Hz、9Hz、10Hz、11Hz、12Hz、13Hz、14Hz、15Hz十五个状态；整个模型系统的控制质量划分为：1000kg、1200kg、1400kg、1600kg、1800kg、2000kg六个状态；将磁流变阻尼器的控制电流划分为：0A、0.25A、0.5A、1.0A、1.5A、1.75A、2.0A以及不安装阻尼器八个状态。,52,-,试验录像,53,-,施加控制电流0时的垂向方向位移响应曲线,未安装MR阻尼器时的垂向方向位移响应曲线,施加控制电流2A时的垂向方向位移响应曲线,典型时域信号：,5.2恒定阻尼器电流试验结果分析,54,-,未安装MR阻尼器时的垂向方向加速度响应曲线,施加控制电流0时的垂向方向加速度响应曲线,施加控制电流2A后的垂向方向加速度响应曲线,55,-,施加控制电流0时的阻尼器出力曲线,施加控制电流2A时的阻尼器出力曲线,56,-,未安装MR阻尼器时的垂向位移响应富里叶谱线,未安装MR阻尼器时的垂向位移响应自功率谱线,典型响应谱线,57,-,MR阻尼器电流为0时的垂向位移响应富里叶谱线,MR阻尼器电流为0时的垂向位移响应自功率谱线,58,-,MR阻尼器电流为2A时的垂向位移响应富里叶谱线,MR阻尼器电流为2A时的垂向位移响应自功率谱线,59,-,参数定义：,定义力的传递率：定义振幅放大因子：力的落差级：位移落差级：,(dB),(dB),60,-,力的传递率与频率比的关系曲线图,位移放大系数与频率比的关系曲线图,61,-,位移落差级与频率比的关系曲线图,力的落差级与频率比的关系曲线图,62,-,经对实验数据进行综合、分析可总结出如下规律：1)磁流变阻尼器的控制作用主要体现在对振动共振峰值的抑制上,试验结果表明MR阻尼器在低频减振方面具有较好作用，与单独使用钢丝绳减振器相比较有了较大程度的改善。,63,-,2)磁流变阻尼器对系统力传递率的峰值具有较好的控制效果，与没有磁流变阻尼器时相比较，响应峰值降低了84%，落差级为15.1dB。位移放大系数的控制规律与力传递率的控制规律基本相同，在没有安装磁流变阻尼器时，系统最大的位移放大系数达到了6.1，安装了磁流变阻尼器后，未施加控制电流时系统最大的位移放大系数为5.1，当控制电流达到额定电流2A时，位移放大系数降到最低，大小为1.4。在磁流变阻尼器的控制下，响应峰值最大可降低77%，落差级为11.2dB。,64,-,无阻尼器,控制电流为0A,仿真计算和振动实验的位移放大系数对比图,控制电流为2A,65,-,仿真计算和振动实验的力传递率对比图,控制电流为0A,控制电流为2A,无阻尼器,66,-,通过大量的试验分析工作，得出如下结论：磁流变阻尼器与钢丝绳减振器相并联构成的减振系统对低频振动有较好的控制作用，对共振区振动的控制效果更为突出，与单独使用钢丝绳弹簧相比较，减振落差级达到15.1dB。受磁流变阻尼器本身最小出力的限制，磁流变阻尼器的减振作用在激振力力幅较大时更为明显，而对于较小的激振力磁流变阻尼器对振动响应得调控效果不明显。磁流变阻尼器的控制效果随着控制质量的增大而降低，对于质量较大的控制对象应考虑选择出力较强的磁流变阻尼器。激振频率较高，远离共振区后，磁流变阻尼器对振动响应得调控效果不明显，其主要是在低频段特别是共振区起作用。,67,-,5.3PID振动控制试验结果分析,系统组成：模型控制主要包括1.加载系统2.信号采集设备3.控制计算机4.控制信号的输出设备5.响应信号放大器,68,-,控制流程图,69,-,控制软件,70,-,控制过程振动位移时历曲线,控制过程MR阻尼器出力时历曲线,71,-,试验结果分析,控制前位移响应富里叶谱,控制后位移响应富里叶谱,72,-,控制前磁流变阻尼器出力富里叶谱,控制后磁流变阻尼器出力富里叶谱,73,-,由试验现象可发现：通过控制系统的半主动控制，基本达到了预期的控制效果，振动位移由控制前的2.1mm降低为控制后的1.1mm。,74,-,6减振元件中MR阻尼器力学特性研究,6.1MR阻尼器的力学模型研究现状,目前建立MR阻尼器力学模型的方法主要有以下几种：在假定磁流变液稳定流动的情况下，基于阻尼器自身的结构参数，如活塞的尺寸、磁流变液粘性系数、活塞与缸体之间间隙等建立MR阻尼器的力学模型。这种方法建立的模型也被称为伪静力模型；以精确描述MR阻尼器的力-速度和力-位移的非线性关系为目的，基于部分阻尼器的结构参数，考虑磁流变液在屈服过程中不同阶段的特性，来建立力学模型。这种模型又被称为参数化动态模型；采用半几何或智能化方法通过拟和试验曲线、建立解析表达式，或利用黑箱理论、神经网络等智能化理论来建立MR阻尼器的力学模型。这种模型又被称为非参数化动态模型。,75,-,6.2修正的Sigmoid力学模型,MR阻尼器出力具有如下特性：在低速区域MR液有稀化现象，具体表现为力-速度曲线中，低速段的斜率较大；在高速区域MR阻尼器的处理主要由库仑力决定，粘性阻尼力所占比例较小。具体表现为高速段的斜率较小；MR阻尼器的力-速度曲线具有明显的滞回特性。在低速区，其力-速度曲线图是相对于原点中心对称的回滞环；在高速区，其力-速度曲线也表现为一个扁平状回滞环；MR阻尼器的出力曲线为光滑、连续的曲线。,76,-,Sigmoid函数的基本特性,77,-,模型的构成：,基于以下参数应用Sigmoid模型建立MR阻尼器的力学模型：MR液屈服前的粘滞阻尼系数cpr；MR液屈服后的粘滞阻尼系数cpo；在确定电流条件下的库仑力Fy；力-速度曲线的穿越速度；MR阻尼器的刚度k；等效质量m。,78,-,该模型包含6个参数：cpr、cpo、Fy、k、m，每一项都有各自明确的物理意义；并且方程表达式比较简单，易于在仿真计算中实现。,模型的表达式：,79,-,模型参数对力-位移关系影响曲线,模型参数对力-速度关系影响曲线,80,-,模型参数的确定:,假定模型中的6个参数都是控制电流的函数。可根据试验数据，采用回归分析和拟合的方法确定该MR阻尼器力学模型中的各个参数。在每个确定的MR阻尼器控制电流条件下，对于cpr而言,可分别根据试验F-v曲线中低速段的数据采用线性回归的方法确定；对于cpo和Fy可根据高速段的数据确定；为MR阻尼器出力为0时的速度，可由试验数据直接获得，对于k和m，可通过在该电流条件下应用模型表达式进行回归分析的方法进行求解。,81,-,各模型参数与电流关系曲线,Cpo=214.18I2-2719.6I+8998.2,Cpr=665.4I2+25839I+7852.3,=1.3968I+11.094,Fy=0.0899I2+0.7396I-0.0179,k=107.14I2+1725I+192.86,m=25.298I2+47.917I+43.036,82,-,模型的验证：,控制电流为2.1A时试验曲线与力学模型的比较,修正的Sigmoid模型与实测曲线的对比：,83,-,控制电流为1.5A时试验曲线与力学模型的比较,控制电流为0.6A时试验曲线与力学模型的比较,84,-,修正的Sigmoid模型与其它模型的比较：,修正的Sigmoid模型充分考虑了MR阻尼器的阻尼、刚度、等效质量对其出力特性的影响，可以较准确的描述MR阻尼器的出力。尤其是在描述MR阻尼器低速状态和高速状态下的滞回特性方面具有明显优势。该模型结构简单，参数易识别且物理概念清晰。,85,-,采用有限元方法对构成减振基座的主要元件钢丝绳弹簧和MR阻尼器进行了力学性能分析，经与实测数据的对比分析表