文摘
安装高性能的光电隔离器安装在一个有限的空间,一种新的被动隔离器提出了基于四个参数齐纳模型。该隔离器由三个主要部分组成,即连接结构,密封结构,和上下蛀牙,所有由四段封闭的金属波纹管直径相同。隔离器的等效刚度和阻尼模型来自隔离系统的动态刚度。进行实验,实验误差进行了分析。测试结果验证了模型的有效性。理论分析和数值模拟表明,隔离器的刚度和阻尼有多个属性不同的令人兴奋的振幅和结构参数。在考虑结构参数的设计,令人兴奋的振幅的影响,潮湿的通道直径、气缸直径相当于蛀牙,波纹管的刚度之和的隔离器,和长度上的潮湿的通道全面隔离器的动态特性进行了讨论。基于参数灵敏度的设计方法提出了隔离器的设计参数。因此,这部小说几乎隔离器可以应用于工程领域,并提供一个重大贡献。
1。介绍
微振通常指低级机械振动或干扰在微重力环境中;这样可以诱导振动机上机械运动系统,包括机械可调光学滤波器,制冷机,太阳能电池阵列驱动机制,天线指向机制和反应轮总成(1- - - - - -3]。车载卫星的主要微振侧重于谐波干扰频率范围为0.1 -300赫兹(4,5]。微振在这些卫星可以需要很长时间才能减弱因为在航天环境阻尼是分钟(6]。这种情况会导致严重的退化,例如,降低图像的质量和位置精度光学有效载荷,在高精度载荷的性能。振动器通常应用于振动传播路径保护高精度载荷从微小振动的影响。振动器设计为空间应用程序,如先进的x射线Astro-Physics设施(7),詹姆斯韦伯太空望远镜(8),和卫星的大腿隔离技术实验9]。
被动隔离技术通常部署在航空航天工程,从而提供高性能和稳定性,不需要外部电源(10- - - - - -13]。关于被动光电隔离器,通过被动阻尼耗散振动和位移传递率很低在高频段(10,12]。一般来说,被动光电隔离器包含一个高性能阻尼器,如粘性流体阻尼器或粘弹性复合阻尼器。金属螺旋弹簧和橡胶等传统被动光电隔离器通常是软的隔振频率相对较低,预计不会在实践(14]。非线性刚度和非线性阻尼最近报道是有益的,隔振低和高频率15- - - - - -17]。微小振动隔离,液体阻尼通常应用,不存在死区摩擦,从而受益小振幅振动隔离(18]。一个典型的液体阻尼隔离器叫做D-strut [12];这个隔离器的关键部分是被动阻尼器。D-strut是一个带三个参数的配置,而不是传统的两个参数配置,称为齐纳模型(19]。这个模型中,从而大大提高了隔离性能,是由一个平行弹簧和弹性支承阻尼器的组合。
安装高性能的光电隔离器安装在一个有限的空间,本文提出了一种新型无源隔离器与紧凑结构基于四个参数齐纳模型。隔离器是由使用波纹管和粘性流体。隔离器,波纹管作为密封结构并提供支持刚度同时,和阻尼结构在波纹管方便可以安排,从而确保隔离器的尺寸足够小的隔离器被安装在一个有限的空间。隔离器的动态特性影响的质量流动的流体泵通过潮湿的通道隔离器的振动位移,这对传统的齐纳模型引入了第四个参数。小说隔离器显示了一些新特点的等效刚度和阻尼的附加参数。这些特征增强小说的性能隔离器在振动隔离。小说的刚度和阻尼特性隔离器进行全面研究中确定第四个参数如何影响小说隔离器的性能。隔离器的等效刚度和阻尼模型得到了理论上和测试数值2。刚度和阻尼的实验小说的隔离器在不同激励振幅介绍部分3。设计的影响参数对刚度和阻尼的小说分析了隔离器部分4。全面检查的性能隔离器,隔离器的位移传递率特征研究部分5。最后,提出了摘要和结论部分6。
2。分析了隔振器的刚度和阻尼
如图1振动隔离器由三个主要部分组成,连接结构、密封结构,和上下蛀牙,所有由四段封闭的金属波纹管直径相同。两个腔充满了液体,潮湿的通道存在于中间连接板,连接两个蛀牙。隔振器的刚度时提供波纹管拉伸和压缩。两腔的压力变化而负载上下振动。两个蛀牙引起的变化这些蛀牙之间的压力差和迫使液体流过两个腔通过潮湿的通道。线性阻尼引起的能量损失是因为液体的粘度和二次涡流引起的阻尼,因此发生突然变化的液体流动通道的直径在进口和出口处标。二次阻尼表现良好在抑制共振而没有负面影响隔振在高频率20.]。这种能量损失导致的阻尼隔振器。此外,液体的惯性在潮湿的通道影响隔离器的刚度和阻尼特性,因为潮湿的通道的直径小于蛀牙的当量直径,从而增加液体运动在潮湿的通道。
隔振系统,三个或三个以上振动器安装。为了达到满意的隔振系统的性能,合理匹配每个隔振器的刚度和阻尼特性的重要性。因此,本研究建立了隔离器的结构参数之间的关系模型和它的刚度和阻尼特性,综合分析了隔振器的刚度和阻尼特性,并进行参数敏感性分析在每个隔离器的主要结构参数。本研究奠定了基础,以选择隔振器的设计参数和合理匹配每个隔振器的刚度和阻尼特性。
2.1。隔振器模型的建立
隔振器的工作原理图如图2(一个)。波纹管的纵向刚度记录。的膨胀和压缩液体的等效刚度和径向的波纹管记录。当3到5倍吗的影响可以忽略在一定范围内一阶支持的中心频率(21]。的影响建模时可以忽略的情况下波纹管两端的纵向刚度不是很不同于波纹管的中间。中间的波纹管的刚度平行与流体阻尼和相当于液体质量在潮湿的通道,而两端波纹管的刚度在系列。线性阻尼和平方阻尼当液体流过潮湿的通道。轴向变形响应的隔振器的上部和下部蛀牙,这是相当于液体质量的位移响应潮湿的通道。隔振器可以相当于两个自由度的模型,如图2 (b),在这作为传统齐纳的第四个参数模型。每个参数的意义如下: :波纹管的等效截面积。 :两端和波纹管的刚度。 :中间的波纹管的刚度。 :负载的质量。 :上腔的压力变化。 :较低的腔的压力变化。 :流体流动在潮湿的通道。 :激励的位移。 :轴向变形响应的上部和下部蛀牙。 :等效液体质量流量通过潮湿的通道。 :线性阻尼系数的潮湿的通道。 :平方阻尼系数的潮湿的通道。
(一)
(b)
波纹管的等效圆柱横截面积可以计算如下(22]:
的公式,的大口径波纹管,而波纹管的小直径。
流动的液体两个洞之间的隔离器可以表示为
压力的变化在两个腔如图2(一个)是
流体流动在潮湿的通道时,总压强差异上下蛀牙=潮湿造成的压力损失的总和通道和等效惯性造成的压力损失的液体流动阻尼通道;也就是说,
在前面的公式(4),液体的液体电感在潮湿的通道。它可以表示如下:
在公式(5),潮湿的通道的横截面积和吗的长度是潮湿的通道。
是线性的和压力损失进气压力损失,出口压力损失由于潮湿的通道;也就是说,
,,计算如下:
在公式(7一个),(7 b)和(7 c)),潮湿的通道的直径;和突然突然扩张和收缩阻力系数造成的突然改变液体流道横截面积的潮湿的通道的两端,由雷诺数(有关吗和当流体通过潮湿的通道。潮湿的通道中可以找到相关的手册。
以下可以通过安排所有前面的公式:
在公式(8),相当于圆柱直径的波纹管。
至于液体的等效质量在潮湿的通道图2 (b),
在公式(9),是线性阻尼系数引起的液体的粘度,的平方阻尼系数是涡流引起的突然改变流体流动通道的横截面积和液体的惯性,然后呢液体的等效质量在潮湿的通道。公式的比较(8)与公式(9)表明, 在哪里是实际的流体的质量在潮湿的通道。插入公式(11);因此,以下决定:
潮湿的通道的横截面积通常是小于等效截面积的蛀牙的隔离器。因此,液体的惯性效应在潮湿的通道是增强。
上部和下部的压力腔的隔离器不能被转移到基地(连接环),所以反应力只能通过和被转移到基地,而由位移扭曲。实际上,直接连接到基地,所以图2 (b)不能反映实际的隔离器。反应部队转移到基础可以通过图2(一个):
如果谐波激励,那么和可以表示如下: 为了简化研究,公式的等效阻尼系数(9)根据能量等效的原则如下: 在哪里通过计算获得的能量耗散系统中通过只考虑主要谐波近似。
根据公式(13),(14),(16)和(17),跨度的动态刚度隔振器如下:
根据SAE(汽车工程师协会)1085 b标准,真正的的一部分是同相的动态刚度,这表示弹性隔振器的一部分,而虚部是正交的动态刚度,它反映了隔振器的阻尼特性。因此,图的等效刚度2 (b)如下:
等效阻尼系数
2.2。等效刚度特性分析
如果和那么,根据公式(19),可以获得以下:
的数值等于刚度之和的波纹管中间的隔离器,隔振器的准静态刚度,和静态的支持刚度隔振器,隔离器的工作。根据系统刚度的要求,应该先匹配。当,安装基座的反作用力。当结合公式(13),我们很容易确定。隔离器的轴向变形的两个蛀牙的位移等于外部激励。隔离器的波纹管在最后不会导致轴向变形。当,安装基座的反作用力;因此,。隔振器的两个蛀牙不会导致轴向变形,和他们的数量保持不变。这时,波纹管的轴向变形的隔振器的位移等于外部激励。因此,流体在潮湿的通道不再流动,导致动态硬化。这种情况表明,潮湿的通道同样被阻塞。
根据公式(9),液体的固有频率在潮湿的通道如下:
这个固有频率是插入公式(19)。当下面是获得:
结合公式(21),(23)和(24)确定,隔振器与一个特定的参数,隔离器的等效刚度的不同曲线与激励频率的变化总是通过两个特定点和,无论外部激励的振幅变化。当,;因此,参数识别可以通过等效刚度的特点(23]。
如果的导数是常数,然后呢可以获得对吗在公式(19),这两个极端点,即和,可以得到:
隔振器的等效阻尼比,的最小值点是吗,是最大的。
公式(25)(27)插入公式(19),极端点的值可以得到: 在哪里。因此,当指出,和一致的。当,不存在最小值点。
可以使用公式(26)和(27),而可以使用公式(21),(28)和(29日)。因此,规则的改变与激励频率如下:(1)。当,从点开始减少随着频率的增加,最小值出现在。的增加,减少而增加。当,增加和经过某一点随着频率的增加;最大值也出现在。的增加,减少而增加。当,随频率的增加而减小。当,。(2)。当,增加和经过某一点随着频率的增加。此外,最大值出现在。的增加,增加而减少,。当,随频率的增加而减小。当,。。因此,当系统的阻尼比足够大,最大的点就消失了。在这种情况下,。
根据前面的分析,法律的变化与可以概括在表吗1。
在表1”,“代表等效刚度增加随着频率的增加,而“”代表的等效刚度随着频率的增加减少。
的法律影响的等效刚度的关键点如表所示2。
在表2”,”代表的关键等效刚度的增加增加”,”代表的关键等效刚度的增加减少,“-”表示不存在。
2.3。房地产分析等效阻尼系数
对于不同的外部激励,隔离器的等效阻尼总是通过两个特定点,即和。当、潮湿的通道的流体流动缓慢,和阻尼隔振器主要由线性阻尼。当,动态硬化液在潮湿的通道时,流体在潮湿的通道不再流,隔离器的阻尼系数是零。这一发现与之前的分析是一致的。隔振器能满足小阻尼隔振系统在高频率。
的导数是获得对吗在公式(20.),极端的频率点的等效阻尼系数如下:
公式(31日)插入公式(20.)和等效阻尼系数的峰值可以获得:
,。因此,当的最大值发生在,当,没有极端点的存在。
因此,规则的改变与激励频率如下:(1)。先增加,然后随的增加而减小。最大值出现在,峰值点随的增加而减小。当,先增加,然后随的增加而减小。当,增加而增加的。(2)。随的增加而减小和最大的价值。
根据上面的公式之前,规则的变化与可以概括在表吗3。
在表3”,“代表等效阻尼系数增加随着频率的增加,而“”代表的等效阻尼系数随着频率的增加减少。
的规则影响的关键点等效阻尼系数如表所示4。
在表4”,”代表的关键等效阻尼系数增加的增加”,“代表关键点的等效阻尼系数随的增加而减小,“-”表示不存在。
2.4。可靠性验证模型的等效刚度和等效阻尼比的隔振器
公式(9)和(13)变成了一个无量纲的形式促进数值模拟。,,,,毫米,,,,,,,定义,方程的无量纲形式如下:
在公式(33)和(33 b),,,,的无量纲形式吗,,,,分别。和确定方程的基础上吗。相关的参数N /毫米,,毫米,毫米,。计算根据和,从仿真结果实时查询。等效刚度和阻尼系数的比较模型的结果与数值模拟的结果显示在图3。
(一)
(b)
等效刚度和阻尼系数模型和数值模拟的结果相匹配;因此,可以验证模型的可靠性。然而,必须首先进行数值模拟来确定参数的模型获得的价值。因此,下面的定量分析是基于数值模拟。
2.5。第四个参数的影响分析
数值模拟的等效刚度和等效阻尼系数时,隔离器的结果和如数据所示4和5,分别。显然这些模拟确定第四个参数影响小说隔离器的特点。
(一)
(b)
(一)
(b)
图4显示,当谷点和峰值点消失。因此,第四个参数介绍了一种谷点和一个峰值点小说的等效刚度特性隔离器。当,如果给出一个较大的值,比如,那么它出现在同样的情况;液质量的影响,在潮湿的通道可以被忽视。这一分析表明,可以显著影响隔振系统的刚度在低频段,从而确定隔振系统的共振频率。因此,我们必须仔细地选择隔离器的相关设计参数,以确保其隔振性能。
图5显示的存在有两个主要对等效阻尼系数的影响。第一个效应是引入峰值点附近当阻尼参数和是相对较小的,另一种是加速时的等效阻尼衰减吗。当,如果给出一个较大的值,那么它将出现在相同的情况吗;液质量的影响,在潮湿的通道可以被忽视。
隔振系统,当共振频率附近的隔离器的阻尼较大的阻尼隔离器在高频率小,隔离系统的性能更好。因此,引入第四个参数提高了隔离器的阻尼性能。
非线性使附近的小和更大的附近并使大附近。隔振系统的隔振系统的刚度和阻尼时应该大的工作在低频段的频率。因此,非线性的和可以改善的性能隔离器在低频段时,合理地选择设计参数。
3所示。实验在隔振器的刚度和阻尼
隔离器是建立样本来验证模型的正确性。样例隔离器的主要结构参数如表所示5。
安装隔离器的状态和实验原理图如图6。
(一)
(b)
激励是一个正弦频率扫描位移和激励频率的范围是5 - 200赫兹。与样本的频率动态特性改变隔离器在不同位移荷载进行了测试。图7说明了试验和数值模拟结果进行比较。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
图7表明,数值模拟结果与实验结果匹配良好;因此,验证了理论分析的正确性。样品的模拟值隔离器的等效刚度大于测试值激励振幅较大时。的模拟值等效阻尼系数大于试验值。在一般情况下,波纹管的径向刚度是三到五倍的轴向刚度。当压力腔的隔振器是大型波纹管的径向刚度不能被忽略。波纹管的径向刚度系列,从而导致的等效刚度最后,在减少。没有考虑波纹管的径向刚度;因此,预测误差的动态刚度。此外,更大的激发的大小,模拟误差越大。和分别代表了兴奋期和能量耗散在一个周期内。可以计算如下:
等效线性阻尼系数也可以定义如下:
结合公式(9)和(35)确定当等效阻尼系数是常数,呈正相关,。因此,当的模拟值等效阻尼系数大。根据前面的综合分析,实验误差主要是由于不正确的波纹管的刚度参数的输入。这个错误可以纠正通过提高波纹管的参数值的准确性。因此,在本研究中建立的模型具有较高的精度,适用于微小振动隔离系统。
4所示。分析关键参数的影响在隔离器的刚度和阻尼特性
隔离振动,隔振系统的固有频率必须低于振动的频率干扰。同样的振动干扰,隔振系统的固有频率越低,隔振性能越好;较低的阻尼比和谐振峰值越高,然而,更好的高频隔振性能的。一个隔离器的刚度和阻尼特性中起决定性作用的自然频率和阻尼隔振系统。因此,隔振器设计参数对隔振系统的刚度和阻尼特性,必须合理配置分析隔振系统的固有频率和阻尼比。
的设计参数影响隔振器的刚度和阻尼特性可以获得,,,,结合公式(10),(11),(15),(19)和(20.)。在这些参数中,平行于隔振器的阻尼,不受励磁频率的影响。作为一个基本的隔离器的刚度,应该满足的要求支持刚度;因此,不适合的调整。激励幅值同样可以影响的值和,也影响隔离器的刚度和阻尼特性。因此,基于的影响进行了分析,,,,的要点,。
4.1。激动人心的振幅
公式(16)表明,是正相关的;因此,增加而增加的。结合公式(36)和表2表明,增加的,减少而增加。当增加在某种程度上,点就消失了。的增加,减少而增加。结合公式(36)和表4说明随的增加而减小,而的影响变体是不确定的。图8显示了数值模拟结果的等效刚度和等效阻尼系数在不同刺激的振幅。
(一)
(b)
4.2。潮湿的通道直径
根据公式(24),(26),(27),(31日),(32)和(36),
公式(37)表明,随的增加而减小,而的影响变体是不确定的。结合公式(36),表1和2表明,随的增加而减小,从而导致的增加和减少的。根据分析部分2。2,当点,在一定程度上减少吗消失了,。根据公式(39),当的增加,然后增加而增加。根据公式(40)的影响变体是不确定的。图9显示仿真结果的等效刚度和等效阻尼系数在不同阻尼通道直径。图中的虚线9 (b)代表了数值模拟结果的等效阻尼毫米。
(一)
(b)
4.3。等效圆柱直径的蛀牙
根据公式(37)和(38)的影响变体是不确定的,而随的增加而减小。结合公式(36),表1和2表明,当的增加,减少,从而导致的增加的减少。根据分析部分2。2,当增加在某种程度上,点消失,。根据公式(39),随的增加而减小。当增加在某种程度上,点就消失了。根据公式(40)的影响变体是不确定的。图10给出了数值模拟结果的等效刚度和等效阻尼系数在不同腔等效圆柱直径。
(一)
(b)
4.4。波纹管的刚度之和的隔离器
公式(37)和(38)表明,和增加与增加波纹管的刚度之和的隔离器。根据公式(25),(28)和(29日):
的影响变体是不确定的,而增加而增加的。根据公式(39),增加而增加的。公式(22)和(25)插入公式(32):
增加而增加的。图11显示了数值模拟结果的等效刚度和等效阻尼系数在不同值。
(一)
(b)
4.5。潮湿的通道的长度
根据公式(37)和(38)的影响变体和是不确定的。根据公式(28),(29日)和(36),
的影响变体和是不确定的。根据公式(39)和(40)的影响变体和是不确定的。图12显示了数值模拟结果的等效刚度和等效阻尼系数在不同阻尼通道的长度。
(一)
(b)
5。隔离器的位移传递率特征
的等效刚度和等效阻尼隔离器的传输速率特征代表了力量。全面检查的性能隔离器,隔离器的位移传递率特征也应该研究。研究位移隔离器的传输速率特征,隔离器的等效系统的位移激励基础图所示13。
在图13,的位移激励是基础,和的位移响应负载吗和等效质量的液体在潮湿的通道,分别。
至于负载
至于液体的等效质量在潮湿的通道
如果是谐波激励,那么,,可以表示如下:
假设,和,从公式(49),我们可以获得
被堵塞,,到公式(50),我们可以获得位移传递函数
相比较而言,假设,那么位移传递函数
因此,我们可以得到位移传递函数的幅频特性当和,如图(14日)和14 (b),分别。
(一)
(b)
从图14,我们可以看到的存在给出了位移传递函数的幅频特性曲线额外峰在高频段,从而导致小说的位移传递函数隔离器衰减在高频段的两倍。相比之下,小说的位移传递函数隔离器只有一次在高频段衰减。的存在提高的性能隔离器在高频段。此外,相关的参数应该谨慎选择,以确保一个合理的第二条曲线峰值频率,从而防止隔离器性能的影响,第二个峰值的频率。
6。结论
本研究进行了理论分析、实验验证和分析影响动态特性的关键参数变化的新型流体阻尼隔振器与波纹管。从结果得出了以下的结论。(1)在本研究中建立的模型具有较高的精度时应用于微小振动隔离。(2)第四个参数提高的性能隔离器在高频段。(3)隔振器的参数可以根据固定的点,,隔振器的等效刚度曲线具有不同的激励振幅。(4)根据关键参数变化的影响在隔振器的性能,该规则的关键设计参数的影响隔振器的等效刚度和阻尼系数隔离器如下:
| 不确定的 | ||||||
| 不确定的 | 不确定的 | |||||
| 不确定的 | 不确定的 | |||||
| 不确定的 | ||||||
| 不确定的 | 不确定的 | 不确定的 | 不确定的 | 不确定的 | 不确定的 |
当隔振系统的隔振器的设计,最初可以根据静态刚度需求决定的孤立系统,而可以由刚度需求在高频率。然后,根据规则,,影响隔离器的刚度和阻尼隔振系统的性能需求,,,每个隔振器的设计。因此,光电隔离器的设计可以实现。
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
作者要感谢汽车工程学院,吉林大学、长春、吉林、中国,在这个项目的支持。