管路振动特性分析与主动控制研究
发布时间：2020-08-24 09:47
【摘要】：管路系统广泛存在于各类舰船,其振动噪声问题受到设计与建造人员关注。由流体激励而产生的强烈振动会导致管路系统颤振失稳,甚至发生疲劳断裂;同时,管路作为海水泵设备向舰船结构振动传递路径,会大大影响舰船的声隐身性和舒适性。为此,开展管路系统振动噪声控制对于提高船舶综合性能具有重要意义。本文以管路系统为研究对象,对其耦合振动特性及振动控制进行了研究。为研究管路系统耦合振动特性,首先建立输流管道横向振动微分方程及边界条件方程,采用改进傅里叶级数法对流固耦合振动微分方程及边界条件进行求解,并在MATLAB环境中编程仿真,得到经典边界以及任意弹性支承下管道耦合系统固有频率,以及边界支承刚度与管内流速等参数对管路耦合振动特性影响规律。为抑制管路系统空间多方向低频振动,设计一种适用于各种管径输流管道的V型主动吸振装置。首先对V型吸振装置作动原理及其动力学特性进行了建模分析,优化其内部作动元件几何构型;并对电磁出力模块的出力性能进行测试,以评估主动吸振装置出力特性;最后对吸振装置整体进行了结构设计,为管路振动主动控制实施奠定基础。基于滤波x-LMS自适应控制算法,在LabVIEW平台搭建了适用于V型管道吸振装置主动控制程序,用于控制管路横向振动;通过LabVIEW主动控制仿真分析,初步验证了所搭建程序结构的正确性与有效性。搭建管道振动控制实验台架系统,以管道振动为控制对象,采用V型主动吸振装置为执行机构,基于LabVIEW所开发主动控制程序,对管路系统进行振动主动控制实验研究。实验结果表明管道径向多个方向振动均可获得一定程度的抑制,验证了所设计V型主动吸振装置对管道系统振动控制的适用性和有效性。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U674.70
【图文】：
料(PZT)[37]，并随着计算机、电子等学科的发展，使得上世纪80年代中期压电材料才作为智能材料在振动主动控制领域得到越来越多关注。压电式作动器具有出力大、响应快、结构尺寸孝功耗低等优点，很适合需要多方向振动噪声控制的输流管路，为此很多学者基于压电式作动器对管路内的流体脉动和噪声辐射问题进行了主动控制研究。瑞典学者Maillard等[38,39]针对舰船内部由于流体激励导致的压力脉动问题而引起的管路系统振动噪声问题进行了研究，其设计了一套由6个PZT堆作动器组成的圆周环非浸入式主动控制装置安装在管路中，如图1.1所示。通过各压电堆作动器间的耦合相互作用，根据管道内部的压力脉动情况，有针对性的对管道内流体压力脉动进行控制，实验结果证明了该控制系统的有效性。但该研究主要对流体的压力脉动问题进行了分析，并没有解决管路振动和噪声辐射的问题。图1.1非浸入式管路振动主动控制实物与实际控制效果相比于上述研究，CheerJ,DaleyS.[40]综合考虑了流体脉动以及管路振动和噪声辐射的问题，同样采用非侵入式环形压电堆叠作动器来作为振动主动控制的执行机构，来实现对于管路内流体脉动以及振动噪声辐射的控制。该主动执行机构由8个压电堆作动器均匀布置于管道周向，通过调节控制器的方式来对流体脉动及振动辐射噪声进行控制。研究表明，当要求控制器对流体脉动噪声进行最优控制时，水听器所测得的平均衰减效果约有12.8dB，但其远场处辐射出的噪声信号将显著的增加；若设计控制器对辐射噪声进行最优控制时，远场麦克所测得的平均衰减效果约有20dB，但流体脉动噪声将会显著增强。若综合考虑同时控制流体脉动噪声和振动噪声辐射，虽然对流体脉动噪声的抑
料(PZT)[37]，并随着计算机、电子等学科的发展，使得上世纪80年代中期压电材料才作为智能材料在振动主动控制领域得到越来越多关注。压电式作动器具有出力大、响应快、结构尺寸孝功耗低等优点，很适合需要多方向振动噪声控制的输流管路，为此很多学者基于压电式作动器对管路内的流体脉动和噪声辐射问题进行了主动控制研究。瑞典学者Maillard等[38,39]针对舰船内部由于流体激励导致的压力脉动问题而引起的管路系统振动噪声问题进行了研究，其设计了一套由6个PZT堆作动器组成的圆周环非浸入式主动控制装置安装在管路中，如图1.1所示。通过各压电堆作动器间的耦合相互作用，根据管道内部的压力脉动情况，有针对性的对管道内流体压力脉动进行控制，实验结果证明了该控制系统的有效性。但该研究主要对流体的压力脉动问题进行了分析，并没有解决管路振动和噪声辐射的问题。图1.1非浸入式管路振动主动控制实物与实际控制效果相比于上述研究，CheerJ,DaleyS.[40]综合考虑了流体脉动以及管路振动和噪声辐射的问题，同样采用非侵入式环形压电堆叠作动器来作为振动主动控制的执行机构，来实现对于管路内流体脉动以及振动噪声辐射的控制。该主动执行机构由8个压电堆作动器均匀布置于管道周向，通过调节控制器的方式来对流体脉动及振动辐射噪声进行控制。研究表明，当要求控制器对流体脉动噪声进行最优控制时，水听器所测得的平均衰减效果约有12.8dB，但其远场处辐射出的噪声信号将显著的增加；若设计控制器对辐射噪声进行最优控制时，远场麦克所测得的平均衰减效果约有20dB，但流体脉动噪声将会显著增强。若综合考虑同时控制流体脉动噪声和振动噪声辐射，虽然对流体脉动噪声的抑
第1章绪论5制效果稍有影响，但远场噪声相比于仅考虑流体脉动噪声时会有明显的衰减，如图1.2所示为非侵入式压电环绕型振动控制装置与实际控制效果。图1.2环型主动执行机构与控制效果对于压电式主动执行机构，国内众多学者也对其开展了系统性的研究，并用于控制管路系统的振动噪声问题。焦宗夏[41]提出一种基于压电陶瓷的管道主动节流阀装置，使用压电陶瓷作为节流阀装置的主动控制部件，通过主动程序的识别来控制节流阀的开关状态，从而对管道内流量进行调节分流，变相的实现了对管道内流体激励的振动控制。率志君[42]将压电陶瓷管设计成次级源管段用于控制管道内流体压力脉动，结合x-LMS自适应控制算法对充液管道的流体压力脉动平面波进行主动控制实验。实验结果显示，在100-450Hz的频段内，所设计的主动控制系统对单频的压力脉动有20-30dB的控制效果，对窄带随机压力脉动有10dB左右的控制效果。说明所设计的压电陶瓷管具有很好的控制效果，如图1.3所示。图1.3压电陶瓷管段与实际控制效果通过以上分析可以看出，压电式作动器多用于控制管路内的流体压力脉动以及辐射噪声问题，并且为了控制多方向上的振动噪声问题，需采用多个压电式作动器共同工作来达到控制效果，这便要求了主动控制策略及控制器设置的复杂性；同时由于压电式作动器的出力位移较小，因此对于低频段的控制效果不佳；这些不足之处在一定程度上限制了压电式作动器的使用。因此国内外学者对使用个数相对较少、作动位移相对较大的电磁式作动器开展了丰富的研究。
本文编号：2802301
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U674.70
【图文】：
料(PZT)[37]，并随着计算机、电子等学科的发展，使得上世纪80年代中期压电材料才作为智能材料在振动主动控制领域得到越来越多关注。压电式作动器具有出力大、响应快、结构尺寸孝功耗低等优点，很适合需要多方向振动噪声控制的输流管路，为此很多学者基于压电式作动器对管路内的流体脉动和噪声辐射问题进行了主动控制研究。瑞典学者Maillard等[38,39]针对舰船内部由于流体激励导致的压力脉动问题而引起的管路系统振动噪声问题进行了研究，其设计了一套由6个PZT堆作动器组成的圆周环非浸入式主动控制装置安装在管路中，如图1.1所示。通过各压电堆作动器间的耦合相互作用，根据管道内部的压力脉动情况，有针对性的对管道内流体压力脉动进行控制，实验结果证明了该控制系统的有效性。但该研究主要对流体的压力脉动问题进行了分析，并没有解决管路振动和噪声辐射的问题。图1.1非浸入式管路振动主动控制实物与实际控制效果相比于上述研究，CheerJ,DaleyS.[40]综合考虑了流体脉动以及管路振动和噪声辐射的问题，同样采用非侵入式环形压电堆叠作动器来作为振动主动控制的执行机构，来实现对于管路内流体脉动以及振动噪声辐射的控制。该主动执行机构由8个压电堆作动器均匀布置于管道周向，通过调节控制器的方式来对流体脉动及振动辐射噪声进行控制。研究表明，当要求控制器对流体脉动噪声进行最优控制时，水听器所测得的平均衰减效果约有12.8dB，但其远场处辐射出的噪声信号将显著的增加；若设计控制器对辐射噪声进行最优控制时，远场麦克所测得的平均衰减效果约有20dB，但流体脉动噪声将会显著增强。若综合考虑同时控制流体脉动噪声和振动噪声辐射，虽然对流体脉动噪声的抑
料(PZT)[37]，并随着计算机、电子等学科的发展，使得上世纪80年代中期压电材料才作为智能材料在振动主动控制领域得到越来越多关注。压电式作动器具有出力大、响应快、结构尺寸孝功耗低等优点，很适合需要多方向振动噪声控制的输流管路，为此很多学者基于压电式作动器对管路内的流体脉动和噪声辐射问题进行了主动控制研究。瑞典学者Maillard等[38,39]针对舰船内部由于流体激励导致的压力脉动问题而引起的管路系统振动噪声问题进行了研究，其设计了一套由6个PZT堆作动器组成的圆周环非浸入式主动控制装置安装在管路中，如图1.1所示。通过各压电堆作动器间的耦合相互作用，根据管道内部的压力脉动情况，有针对性的对管道内流体压力脉动进行控制，实验结果证明了该控制系统的有效性。但该研究主要对流体的压力脉动问题进行了分析，并没有解决管路振动和噪声辐射的问题。图1.1非浸入式管路振动主动控制实物与实际控制效果相比于上述研究，CheerJ,DaleyS.[40]综合考虑了流体脉动以及管路振动和噪声辐射的问题，同样采用非侵入式环形压电堆叠作动器来作为振动主动控制的执行机构，来实现对于管路内流体脉动以及振动噪声辐射的控制。该主动执行机构由8个压电堆作动器均匀布置于管道周向，通过调节控制器的方式来对流体脉动及振动辐射噪声进行控制。研究表明，当要求控制器对流体脉动噪声进行最优控制时，水听器所测得的平均衰减效果约有12.8dB，但其远场处辐射出的噪声信号将显著的增加；若设计控制器对辐射噪声进行最优控制时，远场麦克所测得的平均衰减效果约有20dB，但流体脉动噪声将会显著增强。若综合考虑同时控制流体脉动噪声和振动噪声辐射，虽然对流体脉动噪声的抑
第1章绪论5制效果稍有影响，但远场噪声相比于仅考虑流体脉动噪声时会有明显的衰减，如图1.2所示为非侵入式压电环绕型振动控制装置与实际控制效果。图1.2环型主动执行机构与控制效果对于压电式主动执行机构，国内众多学者也对其开展了系统性的研究，并用于控制管路系统的振动噪声问题。焦宗夏[41]提出一种基于压电陶瓷的管道主动节流阀装置，使用压电陶瓷作为节流阀装置的主动控制部件，通过主动程序的识别来控制节流阀的开关状态，从而对管道内流量进行调节分流，变相的实现了对管道内流体激励的振动控制。率志君[42]将压电陶瓷管设计成次级源管段用于控制管道内流体压力脉动，结合x-LMS自适应控制算法对充液管道的流体压力脉动平面波进行主动控制实验。实验结果显示，在100-450Hz的频段内，所设计的主动控制系统对单频的压力脉动有20-30dB的控制效果，对窄带随机压力脉动有10dB左右的控制效果。说明所设计的压电陶瓷管具有很好的控制效果，如图1.3所示。图1.3压电陶瓷管段与实际控制效果通过以上分析可以看出，压电式作动器多用于控制管路内的流体压力脉动以及辐射噪声问题，并且为了控制多方向上的振动噪声问题，需采用多个压电式作动器共同工作来达到控制效果，这便要求了主动控制策略及控制器设置的复杂性；同时由于压电式作动器的出力位移较小，因此对于低频段的控制效果不佳；这些不足之处在一定程度上限制了压电式作动器的使用。因此国内外学者对使用个数相对较少、作动位移相对较大的电磁式作动器开展了丰富的研究。
【引证文献】
相关硕士学位论文 前1条
1 尹元西;船用水泵管系分布式吸振器应用研究[D];哈尔滨工程大学;2019年
本文编号：2802301
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/chuanbolw/2802301.html
