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基于并联机构及磁流变阻尼器的多维隔振系统振动和馈能特性研究

高翔  
【摘要】:随着社会生产力的提升和科技的飞速进步,机械系统向着高速、高精度方向发展,由此带来的多维振动问题也日益显著。多维振动将严重影响精密车载仪器、航天卫星、车载担架等设备的精度和寿命,因此对于多维振动的研究已成为当前振动领域的前沿和热点问题。传统的多维减振装置为多层叠加的单自由度被动隔振系统,结构复杂、制造成本高且难以实现低频隔振。传统多维主动隔振系统售价高昂,且存在失电不能正常工作的风险。本文提出一种4-PUU并联机构作为多维隔振系统的主体,在主动副处布置弹簧与磁流变阻尼器,构造基于并联机构及磁流变阻尼器的多维减振系统。该减振系统具有惯量低、刚度大、结构简单等优点。采用磁流变阻尼器的并联减振平台,能推广到车载精密设备、航天卫星、车载担架等领域的多维隔振,为研制新型多维隔振系统提供了重要参考。首先采用GF集理论对3T1R机构进行综合,提出一种具有45°交叉轴的4-PUU机构构型,通过并联机构的几何关系和拉格朗日方程推导运动学和动力学方程,研究机构各参数对多维减振系统固频的影响规律。考虑到机构参数众多,采用灰色关联分析法研究机构各参数对固有频率影响的贡献量,从而可以在隔振机构设计中抓住主要矛盾。机构参数变化将导致雅克比矩阵变化,这是导致系统固频发生改变的主要因素。在时域和频域中,该多维减振系统能够有效削弱由路面不平度导致的水平、纵向、垂向以及俯仰方向的多维振动。引入基于Bingham模型的磁流变阻尼器力学模型,构造半主动隔振系统。采用LQR控制策略结合限界Hrovat半主动算法得到实际可控阻尼力,对半主动隔振系统的时、频域隔振性能展开讨论。研究表明,与被动隔振系统相比,半主动减振系统在各方向上的隔振性能得到极大改善,取得了与主动隔振系统接近的减振效果。由于多维隔振系统在制造和装配中的误差难以避免,于是采用基于区间扩张理论的摄动方法,研究摄动量和不确定性因素对隔振性能的影响规律。几何尺寸摄动改变了机构的雅克比矩阵,因此隔振性能展现出不同特性。外界不确定性因素对LQR控制策略的鲁棒性有显著地影响,通过推导Lyapunov方程,提出多维隔振系统LQR策略的鲁棒性能指标,该性能指标与多维隔振系统参数密切相关。研究表明,隔振性能指标和鲁棒性能指标互相抑制,隔振性能和LQR控制策略的鲁棒性,可分别通过调整机构参数得到改善。随即引入对结构参数摄动不敏感的鲁棒最优控制策略,推导并求解线性矩阵不等式,得到反馈增益,研究多维减振系统在鲁棒最优控制下的时、频域隔振能力。为表明鲁棒最优控制的有效性,与具有相同不确定参数的LQR控制方法在阶跃激励下进行了对比。建立馈能式磁流变阻尼器发电模块的电路、磁路模型,通过磁路欧姆定律和基尔霍夫定律得到气隙磁通量和控制电流的表达式。研究电磁参数对控制电流的影响规律,并采用多目标优化算法对电磁参数进行优化。通过参数优化,馈能式磁流变阻尼器的电功率和感应电流均有显著提高。为研究馈能式磁流变阻尼器的振动传递特性,以二自由度隔振系统为例,推导机电耦合方程,提出馈能式磁流变阻尼器的能量利用率和能量转换效率。与被动隔振系统相比,馈能式隔振系统的簧载质量速度和加速度分别降低51%和78%,位移传递率降低约10dB。最后研究随机激励下,电磁参数改变对馈能式磁流变阻尼器能量转换效率的影响规律。研究表明,馈能式磁流变阻尼器表现出良好的隔振能力,在其共振频率附近尤为显著。将4-PUU并联机构与馈能式磁流变阻尼器结合,研究馈能式多维减振系统的时、频域隔振性能以及振动传递率随电参数的变化规律,推导馈能式多维隔振系统的能量转换效率,研究能量转换效率随电学参数的变化规律。对多维隔振系统进行多体动力学仿真分析,进而制作基于4-PUU机构的多维隔振系统样机并搭建实验台,对多维隔振装置进行模态实验和减振实验研究,为理论分析提供实验支持,实验结果与理论分析结果基本一致,验证模型建立和理论推导的正确性和可靠性。


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