双腔液固混合介质隔振器动力学特性及半主动控制研究

发布时间：2018-11-06 15:57

【摘要】：液固混合介质(SALiM)隔振器是一种适用于低频重载动力机械隔振的被动隔振装置,由可变形压力容器、液压油、若干弹性单元体三部分组成。SALiM隔振器兼具高承载能力和低刚度两个优点,既可以直接地应用于单层隔振系统,也可以作为弹性组件应用于多层隔振系统,在低频重载隔振领域有着广泛的应用前景。SALiM隔振器是一种优良的被动隔振装置,但是由于其刚度阻尼特性一定,因而无法处理诸如宽频激励、冲击激励等复杂工况。本文在课题组的研究基础上,提出了一种带附加腔室的(双腔)SALiM隔振器设计方案。新式隔振器在原有SALiM隔振器的基础上添加了一个刚性腔室和连接通道,刚性腔室内部同样装满SALiM,因而可以进一步降低系统刚度。连接通道扮演了阻尼元件的角色,通过改变节流开度可以方便调其耗散特性。本文通过理论、仿真和试验结合的方法研究双腔SALiM隔振器的刚度阻尼特性以及隔振特性。为了进一步改善隔振系统的工作特性,将连接通道用一个节流开度可控的主动阀组替代,双腔SALiM隔振器转变为一个变刚度隔振系统。最后结合相关的控制律,用仿真和试验相结合的方法验证了半主动控制系统的可行性。本文主要研究内容和学术贡献如下:1刚度阻尼模型的建立。建立了两个腔室内部液固混合介质变形体积和油压的关系、主腔位移和所有弹性单元体变形体积之间的关系,通过液压流体力学相关知识建立连通管道两端的压差流量关系,从而可以得到双腔SALiM隔振器的非线性动力学模型。为便于研究,对于弹性单元体引入的非线性刚度项和流体阻尼引入的平方阻尼项进行合理简化,可以得到线性化系统的运动方程。常规的研究思路是基于复刚度理论,运用傅里叶变换的方法推导隔振器复刚度表达式,从而得到动刚度、损耗因子(或滞后角)具体表达式。本文将隔振系统简化成一个单自由度系统处理,对比简化前后两个系统的频响方程,可以得到简化后系统等效刚度、等效阻尼表达式。2刚度阻尼特性研究内容、方法。对于隔振器的刚度和阻尼特性,本文采取了理论推导、数值仿真和试验验证三者相结合的方法。相关领域的工作主要关注连接通道几何参数对于隔振器刚度阻尼特性的影响。本文除了囊括常规的研究内容,还引入了一些新的问题,主要包括:(1)等效刚度和等效阻尼的边界特性。研究了隔振器各个参数以及激励频率、幅值对于等效刚度、等效阻尼边界的影响,并基于相关结论提出了双腔SALiM隔振器的改进方案。(2)主腔刚度对于隔振器刚度和阻尼的影响。SALiM隔振器可以通过改变单元体数量改变刚度大小。在刚度阻尼特性测试试验过程中,调整主腔单元体的个数,研究主腔刚度对于系统动特性影响。(3)测试了空载情况下和承载(激振器)情况下隔振器刚度和阻尼特性。对于空载工况,运用MTS(电液伺服疲劳试验机)对于隔振器施加位移激励,改变简谐激励频率和幅值,记录隔振器的位移和回复力信号,研究振动水平和激励频率对于隔振器刚度阻尼特性的影响。对于承载工况,在主腔和附加腔室中设置了液压传感器,通过分析液压时域信号进一步讨论连通管道的压差流量特性和隔振系统的刚度阻尼特性。现有的研究工作局限于测量恒定运行速度(管道压差)下连接通道的流通的特性,本文通过液压传感器的实测信号研究各种复杂工况下连接通道两端的压差流量特性,更具研究意义。3双腔SALiM隔振器功能的拓展。通过配置两个腔室内部弹性单元体的数量和材质,双腔SALiM隔振系统可以实现多种功能,本文着重了介绍了三种情况。一是常规隔振系统,用主动阀组替代连接通道,可使其转化成一个变刚度阻尼隔振系统。二是负刚度隔振系统,当管道内部液柱和有效载荷的相位差小于90度时,液柱振动会引起刚度渐软效应。满足特定条件下隔振器等效刚度将由正值变为负值,研究结果表明,在零刚度点,隔振器将取得极其优越的隔振特性。在一些特殊应用场合,负刚度隔振器系统可以替代动力吸振器。三是限位系统,主腔装载较软的弹性单元体,附加腔室装载较硬弹性单元体,在临界压强下,主腔单元体会达到变形极限,从而使系统具有分段刚度阻尼特性。限位系统在小位移工况下具有小刚度、小阻尼工作特性,在大位移情况下具有大刚度、大阻尼工作特性。4变刚度控制研究。主要包括变刚度原理、节流开度控制、数据采集与控制系统、半主动控制律等问题。对于双腔隔振系统,可以通过改变连接通道的几何面积控制系统的刚度阻尼特性。因而设计主动控制阀(组),对于节流开度进行实时连续控制是实现变刚度控制的关键。本文结合数字阀的原理,使用四个二位二通电磁插装阀和两个节流阀组成了一个控制阀组,可以实现对于节流开度的近似连续控制。利用线性最优控制、基于频率辨识的寻优控制、基于模型的寻优控制等控制律,对于双腔SALiM半主动控制系统进行了仿真和控制研究,相关结果表明,半主动控制可以进一步改善系统隔振特性。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB535.1

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本文编号：2314751