非線性吸振器剛度調(diào)整策略研究

唐斯密 朱石堅 樓京俊

(海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院 武漢 430033)

0 引 言

艦艇機械設(shè)備在正常工作時,如果缺少有效的振動控制措施,將會嚴(yán)重影響艦艇的聲隱身性能,并縮短機械設(shè)備的使用壽命.動力吸振器(dynamic vibration absorber,DVA)由于結(jié)構(gòu)簡單,對于主系統(tǒng)的窄帶響應(yīng)有良好的減振效果,受到廣泛的研究[1].由線性振動理論可知：在單頻激勵的情況下,即使是優(yōu)化的被動線性吸振器,在某些頻率范圍內(nèi)不僅沒有吸振效果,反而會加劇主系統(tǒng)的振動.實際應(yīng)用中,主系統(tǒng)的工況往往會變化,被動線性吸振器的應(yīng)用范圍受到了很大的限制,但是只要附加的線性動力吸振器的自然頻率與施加在主系統(tǒng)上的外激勵頻率一致,主系統(tǒng)就能保持最好的減振效果[2-3].因此,研究如何控制吸振器的自然頻率成為減振領(lǐng)域的研究熱點,已有不少學(xué)者對剛度可調(diào)節(jié)的吸振器進(jìn)行了廣泛的研究.例如,胡海巖提出使用分段線性[4],通過改變彈簧間隙使吸振器的工作頻率跟蹤外激勵頻率的變化;孫志卓研究了一種電磁式動力吸振器[5],依靠改變線圈電壓得到一個可控剛度的電磁彈簧;靳曉雄研究了一種半主動式空氣彈簧動力吸振器[6],通過改變上下氣囊的壓力調(diào)節(jié)其剛度.這種吸振器只需要調(diào)節(jié)自身參數(shù)即可實現(xiàn)寬頻減振,由于其能耗小,工作頻帶寬的優(yōu)勢受到廣泛研究[7-8],不少文獻(xiàn)稱其為半主動控制吸振器,以區(qū)別施加驅(qū)動力的主動控制吸振器.

通常這類吸振器具有非線性剛度,為了簡化分析,往往對非線性系統(tǒng)進(jìn)行線化.在吸振器處于小振幅情況下,線化得到的結(jié)論具有較高的可信度,但是吸振器本質(zhì)上是以增大自身振幅換取主系統(tǒng)的減幅,故其振幅往往較大,非線性剛度多數(shù)情況下不能被忽略.陳繼峰等人對帶有非線性剛度吸振器的隔振系統(tǒng)進(jìn)行了研究[9],以阻尼為控制對象,比較了兩種阻尼調(diào)整策略對非線性吸振器吸振效果的影響,結(jié)果表明：采用適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)參數(shù)和控制策略可以有效地改善主系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng).本文對附加Duffing硬彈簧類非線性吸振器的振動系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析,以吸振器的剛度調(diào)整策略為研究對象,根據(jù)諧波平衡法解析得到了主系統(tǒng)基頻的反共振點,以此作為非線性吸振器剛度調(diào)整的依據(jù),仿真分析了在此剛度調(diào)整策略下,多種因素對系統(tǒng)減振性能的影響.本文得到的結(jié)論對剛度可調(diào)的Duffing硬彈簧類吸振器實際應(yīng)用具有參考價值.

1 模型及策略

1.1 數(shù)學(xué)模型及量綱一的量

在主系統(tǒng)添加了非線性吸振器之后,可簡化為如圖1所示的2自由度動力學(xué)模型.如圖1所示系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為

圖1 系統(tǒng)動力學(xué)模型

式中：M,m分別為主系統(tǒng)和吸振器的質(zhì)量;K,k分別為主系統(tǒng)和吸振器彈簧的剛度;ε為吸振器彈簧剛度的非線性因子;Fcos(ω t)為作用在主系統(tǒng)上的諧波激勵;x,x1分別為該激勵下的主系統(tǒng)和吸振器的位移.令相對位移z=x-x1,吸振器自然頻率,主系統(tǒng)自然頻率吸振器與主系統(tǒng)的質(zhì)量比μ=m/M,f=F/M,可以將模型簡化為以下方程組

1.2 剛度調(diào)整策略

根據(jù)諧波平衡法,設(shè)式(3)的一階諧波解為：x=Xcos(τ),z=Zcos(τ).將2個表達(dá)式代入到量綱一的量方程組中,進(jìn)行三角函數(shù)的變化,展開后令同諧波項的系數(shù)相等.在基頻的反共振點處有X=0,表示主系統(tǒng)的基頻幅值為零,將其代入式(3),可以解出反共振的條件

由文獻(xiàn)[10]可知,這是系統(tǒng)惟一且穩(wěn)定的反共振點,由式(4)得到了動力吸振器剛度調(diào)整的依據(jù),即吸振器彈簧剛度的調(diào)節(jié)應(yīng)滿足

由式(5)可知,只有式(5)成立時才能保證主系統(tǒng)基頻的幅值為零.由此可見,在計及非線性剛度的情況下,吸振器剛度的調(diào)整策略不僅與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和激勵頻率相關(guān),甚至連外力作用下的靜變形 f0也必須考慮,這也體現(xiàn)了非線性吸振器不同于線性吸振器的特點.

2 數(shù)值仿真及分析

其余參數(shù)同1.1所設(shè),吸振器剛度調(diào)整策略同1. 2所確定1.5].對于吸振器的質(zhì)量有嚴(yán)格限制,一般質(zhì)量比μ不超過10%,設(shè)阻尼系數(shù)ξ=0.01,ξ1=0.005,用龍格庫塔法對上述微分方程組進(jìn)行仿真,將主系統(tǒng)振幅量綱一的量化：ˉX=X/f0.

當(dāng)主系統(tǒng)沒有附加動力吸振器時,其運動微分方程為

量綱一的量方程為

以下仿真將討論不同的外力作用靜變形、非線性因子和質(zhì)量比對此剛度調(diào)整策略下的主系統(tǒng)減振有效性的影響.

2.1 不同的 f0對系統(tǒng)減振效果所產(chǎn)生的影響

艦艇使用的機械設(shè)備,由于連接較多的管路及附屬設(shè)備,振幅過大會造成管路的振動而發(fā)出較大的噪聲,故對振幅有嚴(yán)格的限制.一般機械設(shè)備工作時,振動幅度不會超過0.5 mm,以此為前提,所有的單位取法定計量單位,設(shè)ε=0.01,μ= 1%,外力作用下的靜變形 f0一般比工作時的振幅要大一些,當(dāng)其分別為1,2和5 mm時,仿真并進(jìn)行減振效果的對比,結(jié)果見圖2.

圖2 外力作用下的靜變形對減振效果影響仿真對比

由圖2可以看出：f0取不同的值時,三條曲線在s≥0.8時所表現(xiàn)的行為一致,具有較好的減振效果,但是在s＜0.8的范圍內(nèi)表現(xiàn)各異,f0=0.001時,剛度調(diào)整策略發(fā)揮了很好的減振作用,在仿真的很大頻率范圍類主系統(tǒng)都處于減振狀態(tài).而在其他2種條件下的剛度調(diào)整策略的有效性受到了限制.總體來看,當(dāng)時和當(dāng)時所對應(yīng)的情況都不具備減振效果,這在設(shè)計此類吸振器時是應(yīng)該避免的.外力作用下的靜變形對減振效果具有一定的影響,由于 f0與所施加的力幅值和主系統(tǒng)彈簧剛度有關(guān),當(dāng)主系統(tǒng)彈簧剛度一定時,外力下的靜變形越大,表示施加力的幅值越大,在較大的作用力激勵時,容易激發(fā)諧波而使得基于基波反共振的剛度調(diào)整策略失效.

2.2 不同的非線性因子ε對系統(tǒng)減振效果產(chǎn)生的影響

由于非線性因素,非線性吸振器會產(chǎn)生不同于線性吸振器的效果,吸振器彈簧剛度的非線性因子的值可以差別很大,以下通過仿真討論不同的非線性因子對主系統(tǒng)減振的影響.設(shè)當(dāng)靜變形,質(zhì)量比μ=1%,ε分別為0.01,0.1和1時吸振效果對比,結(jié)果見圖3.

圖3 非線性因子對吸振效果影響仿真對比

由圖3可以看出：非線性因子對系統(tǒng)減振效果的影響是很大的,當(dāng)吸振器呈弱非線性時(ε= 0.01),系統(tǒng)在很寬的頻帶內(nèi)具有較好的吸振效果,說明剛度調(diào)整策略有效;當(dāng)非線性因子升高(ε =0.1,ε=1)呈現(xiàn)強非線性時,系統(tǒng)的超諧波被激發(fā),出現(xiàn)共振點,且非線性越強,吸振效果越弱,共振峰越高,并向右偏移.非線性因子由弱到強,吸振帶寬逐漸減小,但是在s≥1的頻帶內(nèi)具有一致的較好的減振效果,說明剛度調(diào)整策略也同時受到激勵頻率與主系統(tǒng)自然頻率之比的影響,在比值較高的頻帶處,諧波的幅值受到了制約;在s≤0.7的頻帶內(nèi),強非線性反而比弱非線性有更好的減振效果.由于非線性因子由多種因素決定,在特定的頻帶內(nèi)合理地設(shè)計吸振器的非線性因子可以得到更好的減振效果.

2.3 不同的質(zhì)量比μ對減振效果產(chǎn)生的影響

圖4 質(zhì)量比對吸振效果影響仿真對比

吸振器的質(zhì)量不能過大,按照工程應(yīng)用的要求,質(zhì)量比一般在10%以內(nèi).不同的質(zhì)量比會對吸振效果造成不同的影響,以下分析當(dāng)靜變形 f0 =0.002和非線性因子ε=0.1時,質(zhì)量比μ分別為1%,5%,10%時的減振效果對比,結(jié)果見圖4.

由圖4可以看出：此時系統(tǒng)的外力作用靜變形和非線性因子較大,系統(tǒng)容易激發(fā)出諧波.由圖4可見：當(dāng)質(zhì)量比較小μ=1%時,在頻帶s≤0.8的頻帶范圍內(nèi)失去減振效果,剛度調(diào)整策略失效;增加質(zhì)量比至μ=5%,無減振效果的頻帶范圍被縮小至s＜0.6,剛度調(diào)整策略起作用的頻帶擴大,并且減振的效果也更好;進(jìn)一步增大質(zhì)量比至μ=10%,在整個仿真的頻帶內(nèi),系統(tǒng)始終有減振效果,且效果均好于其他兩種情況.可見,當(dāng)剛度調(diào)整策略有效性變差時,適當(dāng)?shù)靥岣呶衿鞯馁|(zhì)量比可有效壓制超諧波,提高系統(tǒng)的減振效果.

3 結(jié) 論

1)非線性吸振器的減振效果受到多種因素的影響,很大程度上體現(xiàn)了不同于線性吸振器的特性,因而不能用調(diào)整線性吸振器剛度的思路來調(diào)整非線性吸振器的剛度.

2)即使剛度調(diào)整策略使主系統(tǒng)基頻達(dá)到反共振狀態(tài),若存在較大的激勵力和較強的吸振器非線性因子,剛度調(diào)整策略會在某些頻帶范圍內(nèi)失效而對減振產(chǎn)生負(fù)面影響.

3)基于本文所提出的剛度調(diào)整策略,適當(dāng)?shù)脑黾淤|(zhì)量比有助于壓制非線性吸振器的諧波幅值,使得吸振器處于良好的工作狀態(tài),并擴大減振的頻率帶寬.

4)在使用Duffing硬彈簧類吸振器時,不僅要使用合適的剛度調(diào)整策略,還應(yīng)該根據(jù)原系統(tǒng)的實際情況(s,f0),合理地選擇吸振器的各種參數(shù)值(μ,ε),才能使得減振效果達(dá)到最優(yōu).

5)本文的剛度調(diào)解策略是基于基頻處于反共振狀態(tài)下得到的,如何在諧波被激發(fā)的狀態(tài)下調(diào)整剛度,達(dá)到更好的減振效果有待于進(jìn)一步研究.

[1]劉文法,向 陽.基于有限元分析的寬帶動力吸振器技術(shù)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版,2006,30(6)：1073-1076.

[2]丁文鏡.減振理論[M].北京：清華大學(xué)出版社, 1988.

[3]師漢民.機械振動系統(tǒng)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社,1990.

[4]胡海巖,金棟平.基于分段線性吸振器的振動半主動控制[J].振動工程學(xué)報,1997,10(2)：125-129.

[5]孫志卓,王全圈,王付山.一種主動電磁式動力吸振器的研究與設(shè)計[J].振動與沖擊,2006,25(3)：198-200.

[6]靳曉雄,肖 勇,朱 娜.空氣彈簧半主動式動力吸振器的研究[J].中國工程機械學(xué)報,2007,5(3)：253-257.

[7]Franchek M A,Ryan M W,Bernhard R J.Adaptive-passive vibration control[J].Journal of Sound and Vibration.1995,189(5)：565-585.

[8] Yang J N.Hybrid control of seismic-excited bridge structures using variable dampers,structure engineering in national hazards mitigation[J].ASCE Structure Congress,1993(93)：778-783.

[9]陳繼峰,程遠(yuǎn)勝.具有非線性剛度動力吸振器的半主動控制[J].噪聲與振動控制,2006,12(6)：1-4.

[10]王元璞.非線性動力吸振器的基本理論[J].北方工業(yè)大學(xué)學(xué)報,1990,2(1)：31-37.