大型梁结构的振动抑制使用调谐质量阻尼器和涡流阻尼

文摘

几十年来,各种方法提出了抑制结构的振动和剥削。这些包括被动方法使用约束层阻尼(CLD)和主动使用智能材料的方法。然而,将这些方法应用于大型结构可能不实用,因为重量,材料,和致动器的限制。本研究的目的是提出和开发一个有效的方法来抑制大型和重型梁结构的振动与最低的质量或体积增加材料。传统的调谐质量阻尼器(TMD)为结构振动衰减非常有效;然而,他们经常添加大量的质量。涡流阻尼相对简单并且有很好的性能,但力量是有限的。该方法是应用相对轻量级的TMD减弱大型梁结构的振动,提高其性能应用涡流阻尼TMD。结果表明,目前的方法是简单而有效的抑制大型梁结构的振动没有实质性的体重增加。

1。介绍

机械和结构振动的抑制具有重要应用在机床工业和民用等工程领域,汽车和航空航天结构。在过去的几十年里许多研究工作已经应用于工程结构的振动抑制和机器。传统上,被动的方法被用来减弱机械振动。最近的数字信号处理和传感器/执行器技术的进步导致实质性的努力用积极的方法(1]。除了半活性方法填补了被动和主动方法之间的差距。

被动振动抑制的一个受欢迎的方法是使用约束层阻尼(CLD)治疗使用粘弹性材料。CLD可以显著提高结构的阻尼,是一个现成的商业产品。梁的振动也可以通过积极的方法抑制使用智能压电材料等材料。许多研究人员应用这些方法来轻柔性梁结构。抑制梁结构的振动,这是大而重,非常大的驱动力量是必需的,而且这些方法可能不可用。积极使用压电材料的方法可能不是成功的驱动力量的限制。CLD的解决方案可能需要添加太多的质量。因此重量和控制成本大大增加衰减大的梁结构的振动。

涡流产生当一个移动导体相交一个固定磁场,反之亦然。导体之间的相对运动和磁场产生涡流在导体内的循环。这些循环涡流诱导自己的磁场相反极性的应用领域,造成阻力。这些电流消失由于电阻和这个力最终会消失。因此,振动系统的能量将会消散。由于涡流引起的阻力相对速度成正比,导体和磁体可以允许函数作为粘性阻尼的一种形式。这种涡流阻尼可能不是时候非常有效的抑制光弹性梁的振动(2- - - - - -6]。

大主教和英国宇航系统公司(7)已经提出了良好的文献综述。有一些应用程序利用涡流振动抑制(8- - - - - -19]。Karnopp [8]介绍了线性电动马达组成的铜线与永久磁铁可以作为机电阻尼器。高木涉et al。9)动态特性的数值分析方法开发一个弹性薄板与涡流阻尼效应和李10)研究的动态稳定性进行梁板在横向磁场。Kienholtz et al。11]介绍了一种自适应被动阻尼系统与远程可调涡流调谐质量阻尼器的低阶模式的航天器大型太阳能阵列。然而et al。12]研究了外部的有效性意味着减少振荡的全桥气动弹性模型使用一个调谐质量阻尼器(TMD)。为了减少振动,他们使用了TMD具有固有的可调阻尼涡流提供的机制。Teshima et al。13]研究了涡流阻尼对振动的影响与超导悬浮相关联。他们表明,垂直振动的阻尼是100倍提高了涡流阻尼器涡流阻尼时使用。

除了有几个研究调查的影响,磁场在悬臂梁的振动。松崎et al。14,15)提出了一个新的振动控制系统的概念,部分磁化梁的振动抑制利用电磁力和执行是一个实验研究显示他们的概念的有效性。夸克et al。2]研究了涡流阻尼器(ECD)的影响在悬臂梁上。他们的实验结果表明,儿童早期开发可以有效的抑制悬臂梁的振动设备。Bae et al。3)建立了一个理论模型的ECD由夸克et al。2]。使用这个理论模型,研究儿童早期开发的阻尼特性和模拟悬臂梁的振动抑制和夸克的儿童早期开发。大主教et al。4- - - - - -6)提出了一个新的概念使用导电板的涡流诱导抑制悬臂梁的振动。程和哦16,17)研究了多模振动抑制使用永久磁铁和线圈与半活性控制的并联电路。荣格et al。18)提出了电磁同步切换方案来提高柔性梁结构的阻尼特性受到动态载荷。最近,Bae et al。19]介绍了磁调谐质量阻尼器(mTMD减)的概念图所示1改进传统的TMD的减震性能通过使用涡流阻尼(ECD)。他们表明他们的方法可以显著提高TMD的减振效果模拟和实验如果没有充分调整。王等人。20.]推导的理论公式ECD在水平TMD和建造大规模的水平与儿童早期开发战区导弹防御系统。他们调查了其特性实验。

儿童早期开发是一种有效的方法抑制结构振动和相对简单的应用。正如前面提到的,它不可能像儿童早期开发应用著名的方法,CLD,智能材料的主要结构驱动的大型梁结构,因为成本和重量。本研究的目的是提出和开发一个有效的方法来抑制大型梁结构的振动,这是大而重,比如坦克炮筒不引入过多的附加质量。

本研究是应用的关键理念相对轻量级的TMD减弱大型梁结构的振动,提高其性能应用涡流阻尼TMD。该方法是因此源于磁调谐质量阻尼器(mTMD减)Bae et al。19)如图1。战区导弹防御系统的设计参数提出了基于参数化研究。战区导弹防御系统的振动分析,一个大的梁结构,和梁TMD。结果与实验验证,讨论了TMD的性能提高大型梁结构的阻尼性能。最后介绍了儿童早期开发TMD和该方法的阻尼性能进行了实验研究。

2。理论分析

2.1。TMD的理论建模

TMD的示意图与阻尼主要和吸收器系统如图2。从之前的工作13),并给出了运动方程如下:

解运动方程(1),让在指数形式表示并假设稳态解可以写成: 在哪里和是主质量和吸收器的振动振幅质量,分别。

用(2)(1),运动方程可以表达

假设主系统的阻尼可以被忽视,(3可以编写)的无量纲比率 在哪里的比率是吸收器质量的主要质量(),是主要的驱动频率的比率自然频率(),是解耦的自然频率的比值(),吸收器的比例阻尼和吗()。

方程(4)将被用来设计TMD和磁TMD的参数。根据这些参数设计的TMD和磁TMD和验证有限元方法。

2.2。大型梁结构的振动分析

之前确定TMD的参数的动态特性主要结构必须进行调查。本研究中使用的大型梁结构是一辆坦克的炮筒,如图3。梁的长度和重量都超过6000毫米,超过1300公斤,分别。表1显示第一个的固有频率和振型两种模式的两端自由梁的边界条件。基本频率是21.5赫兹,它的形状是弯曲模式(1 b)。

2.3。TMD参数研究

主结构的规范化方程级(4)是用来确定TMD的设计参数。虽然吸收剂的质量比的主要质量增加的振动抑制性能TMD有重量限制在当前研究中。最大的质量比例不得超过0.02。在的情况下和,不同的主要结构的规范化程度和呈现在图4。如图4吸收振动,战区导弹防御系统有良好的性能这个值是由Den Hartog方程(21]。一般存在的优化阻尼比振动抑制的性能成为最好的(19]。

2.4。战区导弹防御系统的设计和振动分析

质量的TMD是安装在梁的尖端是由26公斤,质量比是0.0195。图5显示了TMD的示意图安装在梁的尖端。战区导弹防御系统包括四个铝棒、固定夹、铝和钢质量吸收器。吸收器的质量可以通过棒自由移动。TMD的基本频率可以通过改变杆长度可调减震器质量之间的距离与固定夹。从一节频率比的结果是由0.98。当固有频率,TMD是由21.2赫兹。图6显示了TMD的振动分析结果时,杆长度是140毫米。fixed-free边界条件。最低的固有频率和振型是19.8赫兹和扭转模式,分别。但这种模式可以忽略不计,因为它没有任何对梁的弯曲振动的影响。第一个弯曲模式的固有频率是21.1赫兹。

图7显示了频率响应函数的横向弯曲位移的TMD当梁杆长度是140毫米。梁的边界条件是免费的。TMD梁的振幅远小于没有TMD的梁。图8显示最低的模式形状TMD梁的两种模式。从振动分析结果可以得出结论,TMD是精心设计的。

3所示。实验结果的战区导弹防御系统

3.1。梁的实验装置和实验结果

在目前研究弹力测试方法被用来执行两端自由梁的振动测试,如图9。八头寸光束被选来衡量每每个位置的加速度和两个加速度计是用来测量平面与平面外弯曲运动。表2显示了实验两端自由梁的固有频率和阻尼比。第一平面外模式的频率和阻尼比是21.48赫兹和0.009,分别,其模式形状是1日弯曲模式。实验结果如表所示2与分析结果有很好的一致性。平面模式的固有频率几乎是相同的平面外模式。

3.2。TMD的实验装置和实验结果

图10显示了TMD和加速度的实验装置由三个加速度计测量三个点。图11显示了TMD的频率响应函数在三分和自然频率是一样的19.44赫兹时杆长度是140毫米。探讨重力的影响振动测试当TMD进行垂直放置。频率是19.40赫兹,作者得出的结论是,重力可以忽略不计。实验结果表明,TMD从实验中获得的自然频率小于预测频率由于TMD结构建模的不确定性。因此杆长度由130毫米和自然频率和频率比率是21.3赫兹和0.99,分别。

3.3。战区导弹防御系统性能的实验结果

梁的实验设置TMD梁是一样的。图12显示了TMD的提示安装在梁的振动进行了测试各种杆长度。表3显示了各杆长度的实验结果和图13显示了频率响应函数。当杆长度是130毫米和140毫米之间TMD成为最佳的性能。阻尼的增加由于TMD 6 dB,而质量的增长仅为1.95%。

4所示。磁TMD的实验结果

4.1。磁TMD的实验结果

图14显示了磁TMD的示意图(mTMD减)。不同于TMD的质量是由钢和铜一部分而总质量是一样的。铜是一种导电材料和涡流产生由于铜环和永磁体之间的相对运动13]。图15显示了mTMD减的实验装置和两个磁铁的不同安排。在案例1中涡流阻尼由于两个磁铁在水平面远小于在垂直平面上,因为mTMD减在垂直平面上移动。案例2中涡流阻尼由于四个磁铁几乎是相同的。铜环和磁铁之间的差距大约是7毫米。图16显示了mTMD减的频率响应函数。战区导弹防御系统的阻尼比没有ECD,例1,和第二种情况是0.009,0.025,和0.032,分别。但由于存在ECD mTMD减阻尼比的增加。垂直运动的磁铁的比例1例2有更好的阻尼性能。

4.2。mTMD减梁的实验结果

大的梁结构的振动测试与mTMD减三种磁铁进行了安排。图17显示了三种不同的频率响应函数磁铁mTMD减的安排。案例3结合磁铁的例1和例2所示图15。表4显示了mTMD减梁的阻尼比。这些值是由对数衰减法(22]。mTMD减梁的阻尼比大于没有和TMD的光束。特别是案例3的阻尼比是没有TMD的6.1倍和2.2倍的战区导弹防御系统。它可以得出结论,mTMD减可以优秀的方法减弱大型梁结构的振动。

5。结论

semipassive,被动和主动的方法来抑制结构振动是众所周知的。然而,这些方法有局限性,可能使他们有效地涉及大型结构的应用程序。本研究提出了一个有效的方法来抑制大型梁结构的振动并利用其性能。

我们应用一个轻量级的TMD减弱大型梁结构的振动,提高其性能应用涡流阻尼TMD。TMD的参数设计是基于理论模型的参数研究。战区导弹防御系统的振动分析,一个大的梁结构,和梁TMD。分析结果与实验结果进行了验证。阻尼的增加由于TMD是大约6 dB当质量的增长仅为1.95%。

介绍了儿童早期开发增加TMD的阻尼性能。mTMD减的体重是一样的TMD设计,构建,和测试。大型梁结构的振动测试与mTMD减。当前方法的阻尼比是2.2倍大的梁结构TMD。和现在的阻尼比是6.1倍大的梁结构TMD。因此可以得出结论,目前的方法是一种有效的方法来抑制大型梁结构的振动没有多少重量增加。

命名法

:	阻尼矩阵
:	外力
:	弹簧系数系统
:	刚度矩阵
:	系统质量
:	质量矩阵
:	标准频率比系统
:	振动振幅的质量
:	系统的自然频率比
:	质量比的系统
:	系统的阻尼比。

下标

:	主系统
:	吸收器系统。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这部分工作是由国防科学研究所(ADD)和韩国国家研究基金会(NRF)授予由韩国政府资助(最高明的)(没有。2013 m1a3a3a02042321)。这些支持是感激地承认。

引用

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