非线性能量阱在转子系统振动抑制中的应用
发布时间：2021-12-22 13:26
现代旋转机械需要结构简单且具有宽频抑振范围的抑振装置,因此研发了一种具有分段线性非线性刚度的非线性能量阱（Nonlinearenergysink,NES）。首先介绍了该非线性能量阱的结构和工作原理;其次分析了非线性能量阱的刚度和阻尼特性,并建立了转子-非线性能量阱系统的动力学方程;之后,采用数值方法分析了非线性能量阱在各向同性转子系统和各向异性转子系统中的振动抑制效果,并对其宽频抑振能力进行了验证;最后,建立试验系统验证了非线性能量阱的效果。研究结果表明,该非线性能量阱对于各向同性和各向异性转子系统都有很好的振动抑制能力,数值仿真最佳抑振率达到68%,试验最佳抑振率达到67%。
【文章来源】：机械工程学报. 2020,56(15)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
NES结构及原理
机械工程学报第56卷第15期期192NES大致可按结构分为四类：刚度为多项式形式(以立方非线性为主)[5]、冲击式[8]、自身旋转式[7]、双稳定式[9]。目前NES已经广泛应用于航天结构[10]、地面建筑[11]、机床等[12]很多方面的减振中。针对旋转结构的NES也很多，例如文献[13]研究了NES对转子轴承系统振动的抑制、文献[14]研究了旋转梁的NES振动控制方法、文献[15]对比了中空转子中线性吸振器和NES的效果、文献[16]研究了NES对航空发动机多频激励振动抑制的效果。文献[17]设计了一种正负刚度联用的转子系统NES，并理论分析了该NES的振动抑制有效性。以上研究充分表明了NES在转子系统振动抑制中的有效性。但是，目前的文献理论分析较多，实验研究较少，且文献中NES的具体结构描述较少。因此，本文提出了一种应用于转子系统的NES的具体结构，理论分析其有效性，并进行了试验验证。1NES结构和转子-NES系统动力学微分方程1.1NES结构所提出的NES结构如图1a所示，NES分为4部分：内支撑、弹性杆、NES质量、外支撑。内支撑里具有滚动轴承，可以保证NES绕轴旋转；弹性杆(图1b)包括连接杆和分段刚度杆；NES质量和支撑之间通过连接杆相连；外支撑包括支架和弹簧，弹簧与NES质量相连，保证其不能随轴旋转。图1NES结构及原理本NES结构的工作原理是：NES质量上不同直径的孔与分段刚度杆之间有间隙(图2a)，随着振幅的增大，与NES质量有间隙的分段刚度杆逐一与NES质量接触，因此其刚度分段线性变化，其弹性回复力呈现分段非线性特性(图2b)
月2020年8月姚红良等：非线性能量阱在转子系统振动抑制中的应用1931.3转子-NES系统的动力学方程假设所考虑的是各向异性的转子系统，其质量为m，其刚度和阻尼分别为kx，ky和cx，cy。将NES添加到转子系统构成转子-NES系统后，其动力学模型如图4所示。图4转子-NES系统的动力学模型根据该模型，可以得到转子-NES系统的动力学方程为000101()()()cos(2π)()()()sin(2π)()()()0()()()xxnnnnnxnyynnnnnynnnnnnnnxnnnnnnnnnnynnmxcxkxcxxkxxfxxFftmycykycyykyyfyyFftmxcxxkxxfxxkxmycyykyyfyyky0n(5)式中，F为外激励幅值；f为外激励频率。2数值仿真分析2.1各向同性转子系统假设转子系统为各向同性，其参数如表1所示。表1转子系统参数参数数值参数数值质量m/kg1阻尼c/(N·s·m1)6刚度k/(N·m-1)76400质量mn/kg0.08长度l/mm50直径d0/mm0.7直径d1/mm2直径d2/mm2.38直径d3/mm2.63直径d4/mm2.83阻尼cn/(N·s·m1)3刚度kn0/(N·m1)1000弹性模量E/Pa2.1×1011分段线性杆与NES质量之间的间隙决定了分段线性刚度的大小，因此采用两种情况，第1种为小间隙：1e0.5mm、2e1.0mm、3e1.5mm、4e2.0mm；第2种为大间隙：1e0.75mm、2e1.5mm、3e2.25mm、4e3.0mm。首先分析无NES时转子系统的响应。设外激励为不平衡激励，偏心大小为5r310m。则外激励幅值为2Fmr(2πf)。采用龙格库塔方法数值计算稳态?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于非线性能量阱的双频激励非线性系统减振[J]. 孙斌,吴志强. 应用数学和力学. 2017(11)
[2]轨道型非线性能量阱对高层结构脉动风振的控制仿真[J]. 刘中坡,乌建中,王菁菁,吕西林. 振动工程学报. 2016(06)
[3]转子系统永磁变刚度抑振及吸振研究[J]. 姚红良,王重阳,陈子冬,闻邦椿. 机械工程学报. 2017(09)
[4]鼠笼式调谐质量阻尼器用于转子振动控制的研究[J]. 张震坤,何立东,黄秀金,黄文超. 北京化工大学学报(自然科学版). 2015(03)
本文编号：3546463
【文章来源】：机械工程学报. 2020,56(15)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
NES结构及原理
机械工程学报第56卷第15期期192NES大致可按结构分为四类：刚度为多项式形式(以立方非线性为主)[5]、冲击式[8]、自身旋转式[7]、双稳定式[9]。目前NES已经广泛应用于航天结构[10]、地面建筑[11]、机床等[12]很多方面的减振中。针对旋转结构的NES也很多，例如文献[13]研究了NES对转子轴承系统振动的抑制、文献[14]研究了旋转梁的NES振动控制方法、文献[15]对比了中空转子中线性吸振器和NES的效果、文献[16]研究了NES对航空发动机多频激励振动抑制的效果。文献[17]设计了一种正负刚度联用的转子系统NES，并理论分析了该NES的振动抑制有效性。以上研究充分表明了NES在转子系统振动抑制中的有效性。但是，目前的文献理论分析较多，实验研究较少，且文献中NES的具体结构描述较少。因此，本文提出了一种应用于转子系统的NES的具体结构，理论分析其有效性，并进行了试验验证。1NES结构和转子-NES系统动力学微分方程1.1NES结构所提出的NES结构如图1a所示，NES分为4部分：内支撑、弹性杆、NES质量、外支撑。内支撑里具有滚动轴承，可以保证NES绕轴旋转；弹性杆(图1b)包括连接杆和分段刚度杆；NES质量和支撑之间通过连接杆相连；外支撑包括支架和弹簧，弹簧与NES质量相连，保证其不能随轴旋转。图1NES结构及原理本NES结构的工作原理是：NES质量上不同直径的孔与分段刚度杆之间有间隙(图2a)，随着振幅的增大，与NES质量有间隙的分段刚度杆逐一与NES质量接触，因此其刚度分段线性变化，其弹性回复力呈现分段非线性特性(图2b)
月2020年8月姚红良等：非线性能量阱在转子系统振动抑制中的应用1931.3转子-NES系统的动力学方程假设所考虑的是各向异性的转子系统，其质量为m，其刚度和阻尼分别为kx，ky和cx，cy。将NES添加到转子系统构成转子-NES系统后，其动力学模型如图4所示。图4转子-NES系统的动力学模型根据该模型，可以得到转子-NES系统的动力学方程为000101()()()cos(2π)()()()sin(2π)()()()0()()()xxnnnnnxnyynnnnnynnnnnnnnxnnnnnnnnnnynnmxcxkxcxxkxxfxxFftmycykycyykyyfyyFftmxcxxkxxfxxkxmycyykyyfyyky0n(5)式中，F为外激励幅值；f为外激励频率。2数值仿真分析2.1各向同性转子系统假设转子系统为各向同性，其参数如表1所示。表1转子系统参数参数数值参数数值质量m/kg1阻尼c/(N·s·m1)6刚度k/(N·m-1)76400质量mn/kg0.08长度l/mm50直径d0/mm0.7直径d1/mm2直径d2/mm2.38直径d3/mm2.63直径d4/mm2.83阻尼cn/(N·s·m1)3刚度kn0/(N·m1)1000弹性模量E/Pa2.1×1011分段线性杆与NES质量之间的间隙决定了分段线性刚度的大小，因此采用两种情况，第1种为小间隙：1e0.5mm、2e1.0mm、3e1.5mm、4e2.0mm；第2种为大间隙：1e0.75mm、2e1.5mm、3e2.25mm、4e3.0mm。首先分析无NES时转子系统的响应。设外激励为不平衡激励，偏心大小为5r310m。则外激励幅值为2Fmr(2πf)。采用龙格库塔方法数值计算稳态?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于非线性能量阱的双频激励非线性系统减振[J]. 孙斌,吴志强. 应用数学和力学. 2017(11)
[2]轨道型非线性能量阱对高层结构脉动风振的控制仿真[J]. 刘中坡,乌建中,王菁菁,吕西林. 振动工程学报. 2016(06)
[3]转子系统永磁变刚度抑振及吸振研究[J]. 姚红良,王重阳,陈子冬,闻邦椿. 机械工程学报. 2017(09)
[4]鼠笼式调谐质量阻尼器用于转子振动控制的研究[J]. 张震坤,何立东,黄秀金,黄文超. 北京化工大学学报(自然科学版). 2015(03)
本文编号：3546463
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