【摘 要】
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随着科技的不断进步与发展,许多工程应用中对隔振技术提出了更高的要求,如潜艇声隐中的低频振动隔离、精密仪器的环境微振动隔离、航天器发射过程中的多工况隔振等。常规的被动隔振技术在低频段的隔振性能较差,不能满足高规格的应用需求;主动隔振技术的宽频隔振性能较好,但是能耗较大、控制较为复杂。因此,研发一种新型隔振技术以提升低频隔振性能与系统自适应性,并克服现有技术存在的局限性,具有十分重要的理论意义与应用价
【基金项目】
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国家自然科学基金 “磁流变液构成的阻抗分层调制结构振动传递特性研究”(No.51675111); 中央高校基本科研业务费专项基金“基于磁流变材料的智能隔振系统的研发”(No.HEUCF160707); 中央高校基本科研业务费专项基金“基于磁流变材料和磁悬浮技术的多参数调制复合隔振机理研究”(No.HEUCF170702);
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随着科技的不断进步与发展,许多工程应用中对隔振技术提出了更高的要求,如潜艇声隐中的低频振动隔离、精密仪器的环境微振动隔离、航天器发射过程中的多工况隔振等。常规的被动隔振技术在低频段的隔振性能较差,不能满足高规格的应用需求;主动隔振技术的宽频隔振性能较好,但是能耗较大、控制较为复杂。因此,研发一种新型隔振技术以提升低频隔振性能与系统自适应性,并克服现有技术存在的局限性,具有十分重要的理论意义与应用价值。为实现这一目标,本文以水下航行器的动力设备减振降噪为应用背景,结合被动、半主动和主动隔振的各自特点,开展了基于磁流变阻尼与准零刚度调控的复合隔振系统研究,此系统的阻尼与刚度特性皆处于可调控状态。具体研究工作包括:外多极式磁流变阻尼单元的设计、电磁式准零刚度单元的设计与性能评估、复合隔振系统的动力学特性分析以及系统的各项性能实验研究。本文首先对复合隔振系统的阻尼单元进行设计研究,在磁流变阻尼器的设计中首次引入外多极电磁结构以提升阻尼器的电磁效率和阻尼力动态范围。通过对磁流变阻尼器的力学性能进行分析与建模,研究了影响阻尼力性能的主要参数,并以此为基础对阻尼器的主要结构参数进行优化设计,同时结合电磁有限元仿真对外多极磁流变阻尼器的性能进行仿真评估。此外,对外多极式阻尼器进行了探索研究,在其磁极芯部加入内嵌流道设计以进一步提高电磁效率,并对新结构阻尼器进行完整的建模与仿真分析。其次,对复合隔振系统的刚度单元展开研究,提出了基于磁流变弹性体的电磁主动式准零刚度隔振器,以解决常规准零刚度隔振器存在承载能力较小、工作范围较窄的问题。通过电磁有限元仿真建立了电磁负刚度单元的电磁力唯象模型,得到电磁力与气隙和驱动电流之间的关系表达式,并利用实验辨识对此模型进行修正。基于位移反馈建立了电磁式准零刚度单元的控制系统,并设计了硬件驱动器以实现电流环的控制。通过实验测试对电磁式准零刚度单元样机的静态刚度特性和自适应性进行评估。再次,对复合隔振系统的非线性动力学特性进行完整分析,以研究阻尼与刚度子单元之间的协调工作机理。建立了复合隔振系统在正常工作状态下的动力学模型,利用平均法进行求解,研究了阻尼、非线性刚度系数、激励幅值对系统响应和隔振性能的影响。此外,还研究了平衡点偏移对系统隔振性能的影响,并利用谐波平衡法对该工作状态下的动力学模型进行求解,同时分析了偏移量、工作范围宽度、激振力、阻尼等参数变化对隔振性能所产生的影响。最后,搭建了复合隔振系统的振动测试实验平台,对子单元的动态性能和系统隔振性能进行了实验研究。基于电液伺服平台对外多极式磁流变阻尼器进行了动态力学性能测试,结果表明其阻尼特性主要参数指标符合设计预期,动态范围得到了较大提升。通过改变振动测试中的实验变量对电磁式准零刚度单元和复合隔振系统的隔振性能进行了全面测试研究,实验结果表明,本文所构建的复合隔振系统具有比常规隔振系统更加优良的低频隔振性能以及更好的自适应性。
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