双筒液压复合隔振系统多场耦合动力学与阻尼控制研究

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隔振系统作广泛存在于各类工业设备中,对外部振动的吸收起着不可或缺的作用。随着振动控制技术的不断发展,出现了以液压减振器作为核心吸振元件,串联弹性隔振体的双层隔振系统。相比单层隔振系统,双层隔振系统具有宽频特性以及更好的高频隔振性能。受双层隔振系统启发,本文提出了一种以双筒液压减振器为核心吸振元件,串联石墨烯薄片增强功能梯度多孔(Graphene platelet reinforced-functional graded porous,GPL-FGP)隔振结构的双筒液压复合(Twin-tube hydraulic composite,THC)隔振系统。针对当前对THC隔振系统多场耦合机理尚不明确、动力学特性未被阐清、失效问题下阻尼控制策略缺乏关注的问题,本文分别开展了对THC隔振系统的多场耦合问题,动力学问题与阻尼控制的研究,相关研究内容如下:首先,揭示了THC隔振系统的“汽-液-固”多场耦合现象。为阐明耦合现象,在全局流场的定义下建立了耦合方程。为构造耦合方程,通过流体力学方程推导出耦合现象的能量平衡。为使耦合方程具备描述空化动力学的能力,利用Schnerr&Sauer传质法建立了新的空化模型。此外,为求解耦合方程中的结构响应问题,构造了“油膜-阀片”耦合本构方程。为求解多场耦合模型,设计了由计算流体力学法(CFD)驱动的参数迭代策略。最后,基于耦合模型,对THC隔振系统内部的汽-液-固耦合进行了试验和数值分析。结果表明,所构建模型可具体描述汽液固耦合过程与阻尼力迟滞问题的复杂关系。该项研究为后续的动力学分析与阻尼控制分别提供了准确的阻尼力与阻尼系数表达。其次,基于多场耦合模型的阻尼力表达,分析了THC隔振系统隔振结构在两类主要工况下对不同载荷的动态响应。为此,建立了GPL-FGP隔振结构在弹性边界条件下的动力学模型。模型的构建基于一阶剪切变形理论和虚拟弹簧技术,并采用正交雅可比多项式实现了对模型非线性项的线性化。在此基础上,采用瑞利-里兹法通过哈密顿最小能原理实现对线性化模型的求解。为了验证该方法的准确性,进行了收敛性研究并与已发表结果进行了对比。在主要THC隔振系统工况下,分析了GPL-FGP隔振结构的强迫振动特性与瞬态响应特性。分析结果提供了在常见THC隔振系统工况下的最佳GPL-FGP隔振方案,所得到方案为部署GPL-FGP隔振结构至THC隔振系统中提供了重要指导。此外,动力学模型提供了准确的质量、刚度矩阵、以及动力学表达给后续的阻尼控制研究。最后,基于多场耦合模型与动力学模型提供了阻尼系数与质量刚度矩阵等重要参数,形成THC隔振结构的受控状态方程。基于该状态方程,针对THC隔振系统发生失效时的阻尼控制策略有效性问题,将THC隔振系统失效行为视作一类无界不确定性,提出了概率自适应动态规划方法,并基于该方法设计了一种失效预测最优控制器。在方法的提出中,首先分析了阻尼控制器在无界不确定性下达成稳定性与可优化性的条件,以此构建了概率控制策略迭代法。由提出的迭代法,形成了THC隔振系统的临界安全性保证,在此基础上求解了控制障碍方程与控制Lyapounov方程约束下的HJB方程,从而得到失效预测最优控制器。仿真结果验证了所提方法可行性,并与已有的自适应动态规划方法相比,通过概率自适应动态方法得到的THC隔振系统动态阻尼策略具备更佳的动态性能。在加快受控系统稳定速度的同时,还能兼顾最优控制器调节过程导致的可靠性问题。
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