磁流变弹性体及其半主动吸振技术

磁流变材料是一类智能材料的总称,它们的流变特性能够用外加的磁场来控制.磁流变弹性体是这类材料中的新成员,它是将微米尺度的软磁性颗粒混合于液态或粘塑性体高分子聚合物中,形成特殊有序结构后固化而成.其典型特征是弹性剪切模量可由外场控制,此外它还具备其他磁控性能如磁控电阻等.这些独特的优点使其在调谐吸振器、可调刚度的悬挂系统和可调阻抗表面等领域有着巨大的应用前景.论文介绍我们课题组近年来在磁流变弹性体的研制、力学性能的实验和理论表征,及其在半主动吸振技术中的应用等方面的研究.     

张力弦-永磁动力吸振器理论及试验研究

为了实现转子系统振动抑制,设计了一种适用于旋转机械的张力弦-永磁刚度动力吸振器.利用张力弦结构的拉力-刚度可调特性,实现吸振器的频率可调;又引入永久磁铁构成的刚度机构,使得吸振器整体结构与转子系统相互分离.对转子-动力吸振器系统进行动力学建模和仿真分析,研究了吸振器的工作特性,又进行试验研究证明理论研究的正确性.研究结果表明,该吸振器可以达到转子系统振动抑制的效果,在永磁刚度机构磁铁间距小时吸振器效果好且更加稳定.     

分数阶时滞动力吸振器对主系统振动影响

为了研究分数阶时滞动力吸振器对主系统振动的影响,仿照整数阶导数的时滞动力吸振器的设计原理,提出了一种分数阶导数的时滞动力吸振器吸振理论。通过对高哲法的逆向推导,研究分数阶时滞动力吸振器的固有频率与反馈增益关系的确定方法,该方法可以在频率变化的情况下,允许分数阶时滞动力吸振器的固有频率实时跟踪外激励频率而变化。研究发现在保证主系统和动力吸振器稳定的情况下,在一定时滞范围内,通过增加动力吸振器的时滞量可以减小主系统的振动幅值。通过数据仿真分析证明了这种新方法确实可行,吸振器减振效果明显,振动源在加入新型动力吸振器后振动减少了99%左右,几乎将振动完全吸收;在被动型动力吸振器吸振效果降低时,新型的动力吸振器仍然能达到83%的吸振效果。     

叠加激励下的时变时滞反馈减振控制

时滞动力吸振器是一种将时滞反馈力作为主动控制力的主动吸振器。当系统受单个激励力作用时,时滞动力吸振器能够对系统的振动响应起到很好的控制效果,但当多个频率不同的激励力同时作用时,时滞动力吸振器的控制效果并不明显。针对上述问题,文中提出了"等效频率"概念和时变时滞反馈控制方法。通过计算激励力的等效频率,据此对时滞反馈控制力进行实时调整,使时滞动力吸振器可以对多个同时作用的激励作出有效应对,从而有效控制主系统的振动响应。文中首先利用精细积分法,将系统振动微分方程变为精细积分方程形式,以此将连续时间区间上的多个同时作用的激励力变为各个离散时间区间内与叠加激励具有相同作用效果的正弦激励力;然后计算得出离散时间区间内正弦激励力的频率,并根据计算结果调整时滞动力吸振器参数与系统参数,据此计算各时间区间内的时滞反馈控制力;最后,以二自由度时滞动力吸振器减振模型为例,以主系统的各项振动响应为仿真对象,对主系统振动响应的时域进行仿真研究。研究结果表明,比于定值时滞反馈动力吸振器控制,在时变时滞反馈动力吸振器控制下,主系统振动位移、振动速度与振动加速度分别减少了96.4%、95.9%和97.1%,说明在时变时滞反馈控制下,结构主系统的振动响应得到了有效的控制。     

空间航天器用动力吸振器设计与试验验证

为了抑制空间航天器的振动,提出一种空间结构紧凑且阻尼力可非接触产生的动力吸振器设计方案.首先,建立动力吸振器的减振效果评价分析模型;其次,对吸振器进行有限元分析和力锤敲击试验,以验证吸振器基频设计的合理性;最后,以等效悬臂梁板结构为对象,将电磁激励器与动力吸振器分别置于悬臂梁板不同位置,对吸振器进行减振效果测试.试验结果表明:吸振器测试基频29.38 Hz与目标基频30.00 Hz误差不超过2.06%;针对悬臂梁板一阶频率的振动,有电涡流阻尼吸振器相比于无电涡流阻尼吸振器,其减振效果有所下降,但减振带宽由28.80~30.97 Hz扩展至29.09~35.53 Hz,带宽扩大67.5%;针对悬臂梁板二阶频率的振动,无电涡流阻尼吸振器没有抑制作用,而有电涡流阻尼吸振器有抑制作用且对二阶共振峰最大抑制达到了37.3%.     

可控环形动力吸振器抑制管道强迫振动的研究

针对压缩机等旋转机械连接的管道系统的强迫振动,在动力吸振器减振原理的基础上,提出采用可控环形动力吸振器进行振动控制。针对某管系设计了具有相同自振频率的多个离散分布式环形动力吸振器,并建立动力吸振器-管道有限元模型进行模拟仿真同时搭建相应实验台进行验证。为了克服加动力吸振器调谐后引起的两个共振峰,设计了可控型环形动力吸振器控制管道强迫振动。模拟仿真与实验的结果表明,通过这种具有相同自振频率的多个离散分布式可控环形动力吸振器不仅能更好地适应大型管道中出现多处大振幅振动的空间条件,而且具有更稳定的吸振效果和更宽的吸振频带;高达20 Hz的带宽可有效抑制管道强迫振动,解决了单个和多重动力吸振器的失谐问题。     

基于PID控制算法的主动式动力吸振器

在传统的动力吸振器和主系统之间添加作动器,采用PID控制器,根据主系统的位移反馈对作动器进行调节,从而达到主动控制的目的.首先推导了激振力和控制力对位移的传递函数;其次通过对电磁作动器与PID控制器的分析,得到了作动器和控制器的传递函数,建立了主动式动力吸振器控制系统模型;最后对控制系统进行了数值仿真,得到了主系统位移的频响函数曲线和在不同激励下主系统位移的响应曲线.分析表明:基于PID控制算法的主动式动力吸振器相比于被动式动力吸振器,具有更好的吸振效果和更宽的抑振带宽.     

基于磁流变阻尼器的车辆悬架系统模糊半主动控制

在对磁流变流和磁流变阻尼器的研究基础上，以磁流变阻尼器作为半主动控制元件组成模糊半主动悬架系统。运用数值仿真和试验研究等方法对基于磁流变阻尼器的模糊半主动悬架进行了研究，数值仿真和试验结果表明，设计的模糊半动控制算法了对基于磁流变阻尼器的半主动控制悬架实现有效的控制。     

汽车动力传动系统振动问题及解决方法综述

汽车动力传动系统的减振对汽车行业发展具有十分重要的意义,文章通过对汽车传动系统振动问题的形成机理、表现形式以及典型振动问题展开研究,总结了国内外研究现状,提出了汽车传动系统减振技术的一般研究过程;分析了汽车传动系统模型的建立过程,介绍了建模过程中常用的动力学模型及数学模型,并着重讨论了汽车传动系统建模中常用的集中质量模型和分布质量模型;针对减振器在降低汽车传动系统扭转振动方面的作用,对离合器从动盘式扭转减振器、双质量飞轮及带离心摆式吸振器的离合器从动盘作了重点介绍,并对3种减振器的综合性能进行了分析。     

橡胶阻尼式动力吸振器固有频率测试方法分析

考虑到橡胶元件的动刚度与激振振幅和激振频率有关,研究了不同激振形式下不同激励频率和激振幅值对橡胶阻尼式动力吸振器固有频率测试结果的影响.通常情况下,动力吸振器的固有频率的测试只考虑频率相关性,忽略了幅值相关性.文中分别采用恒振幅激振、恒加速度激振、随机加速度激振、脉冲激振和力锤敲击激振,对一橡胶阻尼式动力吸振器的固有频率进行了测试分析,给出了不同激振形式下动力吸振器的固有频率的测试值.结果表明:激振幅值对动力吸振器的固有频率的测试结果影响很大,目前一些企业采用的用力锤激振方法测试得到的橡胶阻尼式吸振器的固有频率并不能很好地表征动力吸振器的固有频率.文中结果为在真实振动工况下动力吸振器的固有频率的选择提供了依据.     

多重动力吸振器对高速列车地板振动的控制

针对某高速动车组线路运行时出现的地板局部振动问题,通过线路试验发现地板在33 Hz附近存在局部振动放大现象,为解决该问题,基于多自由度结构振动原理,建立包含多重动力吸振器(MDVAs)的地板振动控制模型,分析了多重动力吸振器控制地板振动的最优调谐参数,并对动力吸振器控制效果进行了验证。结果表明,安装位置会对控制效果产生明显影响,吸振器安装应尽量选择振型最大处安装,吸振器参数的控制效果不会随参数变化而无限增加。采用地板动力吸振方案可有效降低目标频率处的振动,地板时域最大峰值下降约66%,舒适度指标降低0.3。     

电磁式固有频率可控动力消振器

提出了一种新的消振元件－可用于消除变频振动的电磁式固有频率可控动力消振器。介绍了该消振器的结构，原理，并对其动力特性进行了分析。     

简谐激励下磁流变弹性体支撑悬臂梁碰撞特性分析

利用磁流变弹性体在外加磁场作用下刚度可调可控的特点,基于剪切受力方式,设计以磁流变弹性体作为主要弹性元件的支撑结构,搭建简谐激励作用下悬臂梁碰撞故障实验系统.对不同外加磁场控制电流作用下系统的振动响应特性进行了实验测试,分析和研究了系统在不同控制电流下的移频降幅性能,以及碰撞工况下的振动响应.实验结果表明:在控制电流作用下,能有效增加磁流变弹性体的刚度,实现系统的固有频率和振幅的可控性;控制悬臂梁碰撞故障严重程度,提高设备寿命.     

抑制轴系扭振的改进型电力系统稳定器

提出了抑制轴系扭振的改进型电力系统稳定器的设计原则——分离模态设计原则，并将其应用于一典型次同步谐振（ＳＳＲ）问题，以改进经典的电力系统稳定器（ＰＳＳ）．特征根分析和大干扰下的非线性仿真结果表明，改进后的ＰＳＳ不但能很好地抑制系统的低频振荡，而且能有效地抑制轴系扭振．     

汽车传动系扭转振动建模与仿真分析

文章根据汽车传动系扭振动力学方程,建立了传动系扭振仿真模型,在此基础上进行仿真分析,并通过实车试验加以验证,通过仿真运算,观察到传动系中存在较明显的扭振成分;对仿真模型中的参数进行灵敏度分析,得出对扭振影响较大的参数,通过对相应参数的修改,使得扭振降低,该方法为解决车辆传动系扭振提供了参考依据。     

基于磁流变阻尼器的轴系扭振特性研究

针对传统被动硅油减振器调谐范围较窄、不易匹配的问题,基于磁流变液的流变效应,提出并设计了一种应用于轴系扭振半主动控制的磁流变阻尼.根据所设计的磁流变阻尼器结构,推导建立了其力学模型,并对其进行了磁场仿真;然后将其引入到曲轴系统中,建立磁流变阻尼器-曲轴系统耦合模型,利用Newmark法进行数值仿真,获得曲轴系统的扭振响应,并分析作用于磁流变阻尼器上的电流对扭振特性的影响.结果表明:磁流变液板极外的漏磁与磁压降较小,所设计的磁路是有效的;传统的硅油减振器对曲轴6谐次扭振幅值具有较好的抑制作用,但是对4.5谐次扭振效果的抑制不理想,反而使扭振幅值增大;与传统硅油减振器相比,采用磁流变阻尼器可使曲轴系统具有明显的变刚度、变阻尼特性.通过施加合适的电流,可使曲轴系统的扭振幅值在整个工作转速范围内达到最低.      

电动车辆驾驶室隔振系统建模与振动特性分析

针对电动车辆驾驶室的低频振动问题,首先建立了底部装有4个隔振器的驾驶室有限元模型,提出采用三个方向的非线性弹簧阻尼单元的方法来等效替代隔振器,并进行约束模态分析.根据模态分析结果,讨论了驾驶室晃动产生的原因,并在此基础上,给出了两种减小驾驶室晃动的隔振器设计改进方法.根据实际使用情况,对液阻型橡胶隔振器进行了设计和静力分析,改善驾驶室的乘坐舒适性,此外通过调整隔振器的安装位置有效地减轻驾驶室的振动,模态分析结果显示振型频率均有所提高,同时第4阶振型变为驾驶室后壁局部振动.最后,利用有限元仿真,对驾驶室隔振系统进行振动分析,结果表明调整隔振器安装位置后的驾驶室减振系统在低频路面位移激励下垂向振幅明显减小.     

磁流变调谐质量阻尼器在海上风机振动控制中的应用

针对近海风机在风、波浪和地震3种载荷作用下的振动控制问题,提出了基于磁流变弹性体(magnetorheological elastomer, MRE)调谐质量阻尼器(tuned mass damper, TMD)的海上风机半主动控制方法。首先,介绍了MRE的变刚度磁致力学特性及面向海上减振需求的MRE-TMD结构设计原理;其次,建立了海上风机-TMD动力学模型,计算了风、波浪及地震激励载荷;再次,应用半主动控制算法跟踪识别风机塔筒顶端响应的频率,实时调节MRE-TMD的刚度,进而对海上风机进行振动控制。通过分析导管架式近海风机在多种载荷作用下的动力响应可知,采用基于MRE-TMD的控制方法能够有效衰减导管架式海上风机在多种载荷作用下的振动响应。与被动TMD相比,MRE-TMD具有较好的减振效果,为海上风机振动控制提供了一种新的解决思路。     

混合动力汽车传动系统扭振建模与分析

针对混合动力扭振分析复杂化的特性,以某P2构型的混合动力运动型实用汽车(SUV)为研究对象,建立传动系统集中质量模型,分析其固有特性和激振响应特性.然后基于AMESim仿真软件对传动系统进行扭振影响因素分析,对离合器刚度、阻尼等主要参数进行灵敏性分析,探讨其对扭振的影响特点.仿真结果表明,改变离合器减振刚度可以影响传动系统固有特性,进而改变其共振峰值及频率;增大离合器阻尼有利于降低传动系统衰减共振的峰值,但是不利于高速时的减振.