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动力机械半主动周期隔振系统的动力学特性研究

方媛媛  
【摘要】:动力机械广泛应用于车辆工程、航空航天和船舶工程等领域,其运行时产生的振动噪声对设备安全和外部环境都可能带来严重危害。隔振是动力机械减振降噪的重要手段之一,设计优良的隔振系统可以提高车辆驾乘人员的舒适性和运载工具的使用寿命。目前的隔振系统通常采用被动隔振技术,其结构简单但隔振效果有限。相比之下,采用半主动隔振技术能有效控制宽频带的振动,尤其是低频振动。由于周期性结构对特定频段的弹性波具有良好的衰减能力(带隙特性),合理设计的周期结构可以有效降低特定频段的振动。因此,基于半主动隔振技术和周期隔振技术的优点,本文提出一种动力机械半主动周期隔振技术,深入研究其非线性动力学特性,并研究隔振系统的控制策略和主要系统参数对其动力学性能的影响规律,研究结论将为半主动周期隔振技术在动力机械隔振领域的工程应用提供理论依据和指导。本文开展了磁流变阻尼器的力学特性试验,并利用MATLAB建立了其正向和逆向力学模型。基于改进的Bingham模型,建立了动力机械单层和双层半主动隔振系统的动力学方程,并通过解析和试验方法研究了隔振系统力传递和位移传递的主共振特性以及半主动隔振系统的响应特性,揭示了磁流变阻尼器阻尼系数、控制力和零力速度等主要参数对半主动非线性隔振系统主共振特性的影响规律。借助数值仿真与试验手段,研究了动力机械双层周期隔振系统的隔振特性,阐明了周期结构形式对隔振效果的影响规律。结合半主动控制技术在低频段优良的隔振性能和周期隔振技术在中高频段具有带隙特性的优点,提出了动力机械半主动周期隔振技术,采用ADAMS/Simulink对其隔振性能进行了联合控制仿真分析,确定了系统的最佳控制策略。主要研究内容和工作如下:(1)建立了磁流变阻尼器的力学模型。在材料性能试验机上测试了磁流变阻尼器的动力学特性,揭示了控制电流和激励特性对阻尼器动力学特性的影响规律。基于试验结果,构建了磁流变阻尼器的多种正向力学模型,通过模型预测与试验结果的误差分析和泛化性验证,确定了各模型的计算精度和适用性。借助BP神经网络技术构建了磁流变阻尼器的逆向力学模型,并采用遗传算法优化了逆向力学模型的权值和阈值,确定了电流与输出力和响应之间的非线性关系。基于所构建的BP网络正向力学模型和GA-BP逆向力学模型,建立了磁流变阻尼器的控制模型。(2)单层半主动隔振系统的非线性动力学特性研究。采用改进的Bingham模型描述磁流变阻尼器的力学特性,建立了考虑基础质量影响的单层隔振系统的动力学方程。采用平均法研究了不同激励条件下隔振系统的主共振特性,包括动力机械力激励下隔振系统的力传递率和基础位移激励下隔振系统的位移传递率,并比较了理论解与数值结果的差异。同时,开展了单层半主动隔振系统的试验研究,揭示了控制电流与激励参数对隔振系统振动传递的影响规律。结果表明:理论分析和数值结果吻合良好。此外,增加基础质量可降低系统的固有频率及隔振区域的隔振效果,增加阻尼器控制力和零力速度可提升隔振性能,而增加阻尼系数虽可提高共振区域的隔振效果,但降低了隔振区域的隔振效果。(3)双层半主动隔振系统的非线性动力学特性研究。采用改进的Bingham模型分别建立了单机和双机激励下的半主动双层隔振系统的动力学方程,得到了隔振系统的主共振解析解。以力传递率为隔振系统性能的评价指标,研究了磁流变阻尼器特性参数对隔振系统隔振性能的影响。针对某型发动机双层半主动隔振系统,研究了最优控制策略对其隔振效果的影响。结果表明:在主共振区域,阻尼系数和零力速度的增加可有效降低系统的各阶力传递率,提高系统的隔振效果;在各阶共振区域,控制力对系统隔振效果的影响规律不同;阻尼系数和控制力对力传递的影响大于零力速度的影响。在共振频段,采用最优控制策略时,发动机传递到基座上的力明显减小,且全频段内隔振系统的隔振效果均有所提升。(4)双层周期隔振系统的动力学特性研究。在保持质量不变的前提下,采用周期拓扑方法设计了不同形式的双层隔振系统中间结构(砖形、直方柱、斜方柱型的周期结构和框架结构),以某型柴油机为隔振对象,对柴油机双层周期隔振系统的动力学特性仿真分析,研究中间质量的周期结构形式对系统隔振性能的影响规律。基于缩减周期数的斜方柱结构,搭建了双层周期隔振试验系统,并进行了相关隔振试验。在斜方柱双层隔振系统中,设计了局域共振单元结构,进一步提升周期结构的隔振效果。结果表明:双层周期隔振系统的结构刚度更大,一阶固有频率更高,隔振系统的各阶模态频率更加分散,且避开了扰动频率及其倍频;低频段内四种隔振系统的隔振效果基本相同,在大于200Hz的中高频,周期隔振系统的隔振效果优于框架结构隔振系统的隔振效果,且采用斜方柱周期结构时隔振效果最佳;引入局域共振结构后,斜方柱周期隔振系统具有很好的低频带隙,且高频段的隔振效果也有提升。(5)双层半主动周期隔振系统的动力学特性研究。针对采用斜方柱周期结构的动力机械双层半主动周期隔振系统,采用ADAMS/Simulink对其隔振性能进行联合控制仿真分析。针对系统的垂向运动,研究了开关控制、PID控制和模糊-PID控制等三种不同控制策略对系统的力传递率特性的影响。研究结果表明:在低频段,采用半主动控制可在周期隔振系统的基础上,进一步显著降低双层隔振系统的力传递率;基于模糊自适应PID控制时,系统的隔振效果最佳,显著降低力传递率,并有较好的自适应性。


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