几何非线性黏性阻尼隔振系统的传递率特性

针对传统舰载非线性隔振系统中存在的抑制共振峰值和改善高频传递特性相矛盾的问题，首先，建立了包含非线性刚度、库伦阻尼和几何非线性黏性阻尼的非线性隔振系统数学模型，采用谐波平衡法进行解析求解；其次，对比分析了线性阻尼、库伦阻尼和几何非线性阻尼对隔振系统传递特性的影响规律，进一步研究了激励幅值对不同阻尼隔振系统振动性能的影响；最后，通过振动试验进行了验证。结果表明：增加系统库伦阻尼，虽然能够降低软特性隔振系统共振区传递率，但会导致硬特性隔振系统出现“频率岛”现象，同时高频隔振性能下降，而且随着激励幅值的增加，共振区隔振性能随之变差；增加系统几何非线性黏性阻尼，不仅能够有效降低共振区传递率峰值，而且能够保证高频区良好的隔振性能；几何非线性黏性阻尼拓宽了系统对激励幅值的适用范围，为非线性隔振系统设计提供了指导作用。     

导弹贮运非线性振动控制研究

为了降低贮运过程中的振动可能对导弹产生的损伤和危害,在隔振器中引入负刚度机构,拓宽振动的隔振频率,降低起始隔振频率,同时提出了一种非线性速度反馈控制的主动控制方法,用于抑制共振频率内可能产生的共振。研究结果表明,该隔振器有良好的低频振动抑制,高频振动隔离的效果,能够有效的降低振动对导弹的危害作用;采用线性速度反馈与立方速度反馈结合的方法,在有效抑制共振的同时,又降低了对非共振隔离的影响。     

串联节点刚度对隔振系统传递率的影响研究

目前针对动力机械隔振系统传递率的研究主要集中于隔振器本身刚度或阻尼对系统的影响,但在部分实际应用的隔振系统中,阻尼减振器作为独立元件,其端部节点的刚度对隔振系统传递率有着不可忽视的影响。为了讨论阻尼减振器的节点刚度对动力机械隔振系统传递率的影响,采用理论分析与实验验证相结合的方式,对其进行了研究。研究结果表明:在一个质量、隔振器刚度和减振器阻尼都一定的系统中,当动力机械设备工作在低频共振区时,随串联节点刚度增大,传递率明显下降,串联刚度大于一定值后,传递率趋于稳定;当动力机械激励频率远高于固有频率时,随串联节点刚度减小,传递率明显下降。研究可为变刚度隔振系统提供理论依据,也可为应用于隔振系统的减振器性能优化设计提供参考。     

时滞对振动主动控制系统控制效果的影响分析

为解决振动主动控制技术在实际工程应用中反馈环节的时滞会导致受控系统失稳的问题,以获得最优的控制效果,提出了采用逐步输入荷载项的方法,对精细积分方法进行修正,用以求解含双时滞受控系统的动力学方程。通过数值仿真,计算不同时滞情况下的系统响应,在得到不同反馈增益下含双时滞的动力系统响应峰值分布基础上,分析了时滞变化和反馈增益不同的取值对系统响应的影响。研究结果表明,时滞对受控系统控制效果的影响程度随反馈增益的增大而增大,当时滞量和反馈控制增益匹配调节适当时,可以使系统保持稳定状态,该结果可为考虑时滞影响的结构振动主动控制算法的合理设计提供依据。
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基于欧拉梁的准零刚度隔振系统动力特性分析

将两端受轴向压力的欧拉梁和线性弹簧并联,组成一个具备高静刚度和低动刚度的准零刚度隔振器。通过对隔振系统进行静力分析,给出系统具备准零刚度特性所需的条件。利用谐波平衡法求解系统的振动微分方程,分析系统的幅频特性,给出了系统的力传递率,讨论了阻尼、激励力等参数对系统传递率的影响。最后分析了该隔振系统的跳跃频率。研究结果表明：激励力以及初始偏移量的增大会使系统的隔振效果变差,因此要控制激励力的大小并尽量避免超载;阻尼比的选取需要综合考虑高频的隔振效果和有效隔振频率范围。     

动力机械隔振系统传递率影响因素研究

采用理论分析和实验研究相结合的方法,研究了动力机械隔振系统参数对传递率的影响,获得了不同的激振力频率下,刚度和阻尼参数对传递率的影响规律,并分析了规律存在的内在机理。研究结果表明,当动力机械设备工作在低频共振区时,传递率Ta的最大值与刚度(或固有频率)无关,随阻尼比ξ增加按T_a=1/(2ξ)+1规律明显下降;当动力机械激励频率ω远高于固有频率时,传递率随隔振系统刚度减小而明显下降,同时减小阻尼比也有助于减小传递率;对于质量、刚度和阻尼均确定的系统,当激励频率远大于系统固有频率时,传递率Ta随激励频率ω增加而减小。上述结论得到了试验验证。     

基于压电摩擦阻尼的四参数隔振系统等效建模与频变阻尼特性分析

在轨卫星搭载的高精度有效载荷对环境微振动异常敏感,从而对隔振系统的振动衰减性能提出了更高的要求。传统两参数被动隔振系统提高隔振性能时,常采用添加定常阻尼进行能量耗散的方式,但存在低频共振峰抑制与高频快速衰减不能兼顾的固有矛盾问题。为了解决这一问题,一种能够实现阻尼特性基于频率变化的四参数隔振系统被提出,采用归一化方法建立其系统传递率与等效阻尼理论模型,并与两参数和三参数隔振系统进行对比分析。基于四参数系统的频变阻尼等效理论,设计一种基于压电陶瓷致动器产生摩擦阻尼的具象化四参数隔振系统,考虑非线性摩擦阻尼的融合问题,并分析中间等效质量参数对阻尼频变特性的影响规律,最后对其频变阻尼特性和隔振性能进行了仿真与实验验证。结果表明：时域上,四参数隔振系统对随机信号的隔振率达到91.1%;频域上,相较常值小阻尼系统,四参数隔振系统在低频共振处的峰值性能提升5.46dB,且高频段保持相近的快速衰减,表现出低频大阻尼、高频小阻尼的频变阻尼特性。仿真与实验结果均表明,系统能够解决被动隔振系统中存在的高低频隔振性能之间的矛盾问题。     

复杂激励环境下精密隔振系统的振动传递率研究

在分析基础干扰单独作用下被动隔振系统和主动隔振系统振动传递率的基础上,定义了基础干扰和直接干扰同时作用的复杂激励环境下隔振系统的振动传递率概念,推导了复杂激励环境下被动隔振系统和主动隔振系统振动传递率的有关计算公式。系统研究了复杂激励环境下加速度反馈、速度反馈和位移反馈对隔振系统振动传递率的影响。     

柔性基础上迟滞干摩擦隔振系统的简化分析

工程实际中,柔性基础上非线性隔振系统广泛存在,而振动特性的分析却严重制约着其应用与研究。基于柔性基础上含有三次非线性刚度的迟滞干摩擦隔振系统,首先采用振型分离的方法建立了系统的动力学方程,并结合增量谐波平衡法求解了系统在发生任意阶主振动情况下的响应;随后,以基频谐波项为基础,推得了系统力传递率的计算公式,并根据公式定性分析了隔振器各参数对系统力传递率的影响。发现,适当减小刚度系数,增大阻尼系数,增大静摩擦极限均可有效降低系统的力传递率。研究为该类系统的工程实际应用提供了可靠借鉴。     

船舶设备半主动单层隔振系统传递特性分析

为了提高船舶动力设备单层隔振系统的隔振性能,研究半主动磁流变(magnetorheological,简称MR)阻尼器和基础质量对系统传递特性的影响规律,采用通过试验验证的改进的Bingham模型描述MR阻尼器的力学特性,建立考虑基础质量影响的二自由度无约束隔振系统的动力学模型。通过平均法得到了隔振系统主共振时的解析解,并通过数值方法验证了理论解的正确性。以力传递率为评价指标,研究了半主动隔振系统主要参数对系统主共振的影响。结果表明:基础质量增加可降低系统的固有频率及隔振区域的减振效果;MR阻尼器控制力和零力速度的增加可提升隔振性能;MR阻尼器的阻尼增加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。     

磁悬浮支承振动半主动控制设计与仿真

利用DSP作为控制算法的核心器件,搭建了半主动减振系统,并将其应用于双层隔振系统中。通过调节PID控制器参数,改变电磁力从而获得系统的最佳刚度和阻尼。针对磁悬浮支承双层隔振系统的非线性和工作过程的复杂性,利用Simulink在非线性控制系统领域的仿真优势,建立磁悬浮支承的数学模型,将模糊控制、神经元控制分别和PID控制相结合进行仿真对比,仿真实验表明,神经元PID控制的动态性能和稳定性最佳,为磁悬浮浮筏隔振系统进行变刚度变阻尼控制提供可遵循的依据。     

卫星遥感器微振动隔离用液体阻尼隔振器

针对卫星平台的微振动,提出了具有良好高频衰减及共振峰控制性能的松驰型液体阻尼隔振器。建立了松弛型液体阻尼隔振模型,从传递率的角度分析了提出的松驰型液体阻尼隔振器与传统隔振模型的区别。使用波纹管提供刚度及密封,基于小孔阻尼结构形式,设计了松弛型液体阻尼隔振器并求解了系统的阻尼因子。对所设计的隔振器进行了传递率测试,结果表明,松弛型液体阻尼隔振器在共振频率处能够提供大阻尼,将共振放大倍数控制在2倍以内;在高频隔振区能提供小阻尼,100Hz衰减率超过95%,隔振性能优于传统隔振器。得到的结果和理论预测吻合较好。该项研究对松弛型液体阻尼隔振器的设计以及其在遥感器微振动隔离的应用上具有很强的指导作用。     

一个新的非线性迟滞隔振系统动力学模型

提出了一个新的非线性迟滞隔振系统的动力学模型,并导出了系统动力学模型的实用表达式。该模型由非线性刚度和非线性阻尼构造,迟滞非线性阻尼力被表示为位移的函数,从而使数值计算变得简单易行,试验中的测量工作减少。模型中的各个参数物理意义明晰,各阶刚度系数能很好地反映系统中存在的线性和非线性特性,而阻尼函数能很好地反映系统的迟滞和耗能特性,运用阻尼函数还可对隔振系统中可能存在的干摩擦阻尼、粘性阻尼及高阶阻尼等各种阻尼成分进行有效的识别。     

轧机主传动非线性延时系统的Hopf分岔研究

针对传统轧机主传动系统模型忽略位移延时的缺点,在考虑轧辊与轧件间的非线性摩擦力、阻尼、刚度和系统延时的基础上,建立了轧机主传动非线性延时系统的数学模型。分析了系统的局部稳定性和Hopf分岔的存在性,从理论上得到了系统产生Hopf分岔的延时临界值,通过采用1150型初轧机的实验数据进行对比仿真,证明了实验系统所建模型的正确。从得到的轧机主传动位移延时反馈系统的时间历程图、相图以及分岔图,验证了时延就是一个分岔参数,当时延的取值超过临界值时,轧机主传动位移延时反馈系统产生了Hopf分岔,从而得出了从生产工艺的角度加大轧制速度可以避免延时产生的不良影响,为进一步研究、控制轧机主传动系统提供了新思路。     

差动电磁作动器的超大型光学仪器 隔振基础的主动控制机理

提出了一种基于差动电磁作动器的超大型光学仪器隔振基础的主动控制机理。该控制机理采用差动布置方案,使电磁作动器变为输出力和控制电流呈线性关系的线性作动器,再利用小阻尼条件下,绝对速度反馈与Skyhook控制方法性能接近且易于工程实现的特点,采用了绝对速度反馈的控制方法,可在不改变中/高频隔振性能的前提下大幅提高谐振区隔振性能。实验结果表明:利用所提出的控制机理,在时域上,z、θ_x和θ_y三个自由度的速度(角速度)均方根值分别由10.06 μm/s、4.16×10^－6rad/s和4.65×10^－6rad/s降至3.38 μm/s、1.76×10^－6rad/s和1.49×10^－6rad/s;在频域上,三个自由度谐振区隔振性能均有约10 dB的提高。     

Control concepts for an active vibration isolation system

In the fields of high-resolution metrology and manufacturing, effective anti-vibration measures are required to obtain precise and repeatable results. This is particularly true when the amplitudes of ambient vibration and the dimensions of the investigated or manufactured structure are comparable, e.g. in sub-micron semiconductor chip production, holographic interferometry, confocal optical imaging, and scanning probe microscopy. In the active anti-vibration system examined, signals are acquired by extremely sensitive vibration detectors, and the vibration is reduced using a feedback controller to drive electrodynamic actuators. This paper deals with the modeling and control of this anti-vibration system. First, a six-degree-of-freedom rigid body model of the system is developed. The unknown parameters of the unloaded system, including actuator transduction constants, spring stiffness, damping, moments of inertia, and the vertical position of the center of mass, are determined by comparing measured transfer functions to those calculated using the updated model. Finally, different strategies for actively controlling the vibration isolation system are considered.     

Parameter estimation and statistical analysis on frequency-dependent active control forces

The active control forces of an active magnetic bearing (AMB) system are known to be frequency dependent in nature. This is due to the frequency-dependent nature of the AMB system, i.e. time lags in sensors, digital signal processing, amplifiers, filters, and eddy current and hysteresis losses in the electromagnetic coils. The stiffness and damping coefficients of these control forces can be assumed to be linear for small limit of perturbations within the air gap. Numerous studies have also attempted to estimate these coefficients directly or indirectly without validating the model and verifying the results.This paper seeks to address these issues, by proposing a one-axis electromagnetic suspension system to simplify the measurement requirements and eliminate the possibility of control force cross-coupling capabilities. It also proposes an on-line frequency domain parameter estimation procedure with statistical information to provide a quantitative measure for model validation and results verification purposes. This would lead to a better understanding and a design platform for optimal vibration control scheme for suspended system. This is achieved by injecting Schroeder Phased Harmonic Sequences (SPHS), a multi-frequency test signal, to persistently excite all possible suspended system modes. By treating the system as a black box, the parameter estimation of the “actual” stiffness and damping coefficients in the frequency domain are realised experimentally. The digitally implemented PID controller also facilitated changes on the feedback gains, and this allowed numerous system response measurements with their corresponding estimated stiffness and damping coefficients.     

用于原子干涉重力仪的隔振平台模型辨识及验证

负刚度隔振平台广泛应用于原子干涉重力仪等量子精密测量设备,其低频性能和环境自适应能力对设备性能影响较 大,为此本文对典型商用负刚度隔振平台进行了半主动改造,以进一步增强隔振平台综合性能。 首先从理论上对力-位移关系 做了简要分析,着重探讨了负刚度特性和承载能力的决定因素;然后建立并分析了系统运动模型,分别在时域和频域对模型参 数做了精准辨识,根据测试结果对半主动隔振做了仿真分析,并采用贝叶斯优化算法快速找到最优控制参数;最后在真实系统 上进一步验证了该方案,结果表明半主动隔振可将系统的低频共振峰衰减 357 倍,系统在低于 0. 3 Hz 和高于 8 Hz 的频段能起 到良好的隔振效果,超低频隔振性能有显著提升,文中所提方案可广泛应用于量子精密测量相关隔振设备。