動(dòng)力吸振器減振性能分析與設(shè)計(jì)

動(dòng)力吸振器減振性能分析與設(shè)計(jì)

0動(dòng)力吸振器與船舶振動(dòng)控制在低速軍船航行過(guò)程中，機(jī)械噪聲被認(rèn)為是輻射噪聲的最大能量，最難解決的是低頻強(qiáng)線譜。傳統(tǒng)的被動(dòng)控制不能解決低頻強(qiáng)線譜問(wèn)題,科研工作者們轉(zhuǎn)而將視線轉(zhuǎn)向主動(dòng)控制。但振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,抗沖擊性能不能滿(mǎn)足艦船使用要求,至今尚未完成實(shí)船應(yīng)用。而動(dòng)力吸振器作為解決低頻能量的有效手段,在艦船振動(dòng)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。澳大利亞新南威爾士大學(xué)PaulGriffinDylejko,SaschaMerz采用理論與有限元相結(jié)合研究了液體動(dòng)力吸振器應(yīng)用與推力軸承,有效解決了螺旋槳推進(jìn)過(guò)程中引起的縱向推力不平衡,提高了潛艇聲隱身性能。李俊和金咸定采用非線性碟簧設(shè)計(jì)出了寬頻動(dòng)力吸振器應(yīng)用于船舶尾部振動(dòng)控制?；袅稚?、李宏男針對(duì)大跨度橋梁建立了多維TMD模型,推導(dǎo)了傳遞函數(shù)與放大系數(shù);歐進(jìn)萍、王永富討論了設(shè)置TMD系統(tǒng)的高層建筑在風(fēng)載荷作用下的動(dòng)力學(xué)參數(shù)優(yōu)化。J.H.H.Huijbers和李俊采用非線性蝶形彈簧實(shí)現(xiàn)了在寬頻范圍動(dòng)力吸振。本文針對(duì)船用設(shè)備(通風(fēng)機(jī))軸頻振動(dòng)進(jìn)行動(dòng)力吸振器研究,根據(jù)吸振器梁長(zhǎng)度與彎曲剛度的非線性關(guān)系,進(jìn)行理論與有限元分析。通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力吸振器可連續(xù)變頻。以吸振效果的目標(biāo)對(duì)主系統(tǒng)、動(dòng)力吸振器參數(shù)變化進(jìn)行參數(shù)性能優(yōu)化研究。1不銹鋼盤(pán)與桿之間的剛度通風(fēng)機(jī)安裝形式如圖1所示,動(dòng)力吸振器結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。本動(dòng)力吸振器采用不銹鋼圓桿作為彈簧,不銹鋼圓盤(pán)作為質(zhì)量。由于本系統(tǒng)為連續(xù)系統(tǒng),在理論分析時(shí)將桿作為彈簧,圓盤(pán)作為質(zhì)量,而在有限元分析時(shí)圓盤(pán)與圓桿又互為質(zhì)量、剛度。圖2中,R1為圓桿半徑;R2為圓盤(pán)半徑;L1為圓盤(pán)內(nèi)面距固定端距離;L2為圓盤(pán)寬度;L3為圓盤(pán)外面距自由端距離。2理論模型2.1固有頻率控制方程由于動(dòng)力吸振器在設(shè)備上安裝,可以將其認(rèn)為是一端固定的懸臂梁,在自由端布置集中質(zhì)量。由材料力學(xué)可知,其控制方程為:式中:m為等效集中質(zhì)量;k為彎曲剛度;E為彈性模量;I為慣性距;d為圓桿直徑;l為集中質(zhì)量距固定端距離。由式(4)可知,動(dòng)力吸振器固有頻率與圓柱直徑的2次方成正比,與質(zhì)量塊距離固定端的長(zhǎng)度1.5次方成反比。通過(guò)調(diào)節(jié)圓柱直徑以及質(zhì)量距離固定端的長(zhǎng)度,可以實(shí)現(xiàn)頻率的連續(xù)可調(diào)。2.2相位激勵(lì)差滯后于主系統(tǒng)動(dòng)力吸振器是通過(guò)輔系統(tǒng)固有頻率與主系統(tǒng)激勵(lì)頻率一致,輔系統(tǒng)對(duì)主系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)頻率相同,相位與主系統(tǒng)激勵(lì)差180°作用力,從而可以抵消主系統(tǒng)部分響應(yīng)。其吸振效果可以通過(guò)建立安裝動(dòng)力吸振器前后主系統(tǒng)的振動(dòng)變化量來(lái)表示,未安裝動(dòng)力吸振器可以等效為單自由度強(qiáng)迫振動(dòng),安裝動(dòng)力吸振器可以等效為兩自由度強(qiáng)迫振動(dòng)。2.2.1非增加吸收軸的力學(xué)模型未安裝動(dòng)力吸振器其結(jié)構(gòu)可理想化為單自由度強(qiáng)迫振動(dòng),其力學(xué)模型如圖3所示。其振動(dòng)控制方程為:其振動(dòng)方程的解為:2.2.2附加動(dòng)態(tài)吸振器結(jié)構(gòu)安裝動(dòng)力吸振器其結(jié)構(gòu)可理想化為兩自由度強(qiáng)迫振動(dòng),其力學(xué)模型如圖3所示。其振動(dòng)控制方程為:得出振動(dòng)方程的解為:2.2.3振動(dòng)源減振器的減振效果其中ΔL為動(dòng)力吸振器吸振效果加速度級(jí)。3動(dòng)力吸振器參數(shù)的對(duì)為分析質(zhì)量、剛度、阻尼對(duì)動(dòng)力吸振器性能的影響,設(shè)定1組安裝了動(dòng)力吸振器的系統(tǒng)參數(shù),基本參數(shù)如表1所示,其中部分參數(shù)在不同的分析中有變化。3.1機(jī)械連續(xù)頻繁曲線動(dòng)力吸振器采用如圖2所示結(jié)構(gòu),其中R1=5mm,R2=49.5mm,L2=27mm,L1由123變化至133,其固有頻率37~42Hz,對(duì)比式(4)與有限元模態(tài)分析結(jié)果。從圖4可以看出,通過(guò)調(diào)節(jié)圓盤(pán)位置可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力吸振器機(jī)械連續(xù)調(diào)頻。一階模態(tài)理論分析與有限元分析結(jié)果保持同一趨勢(shì)。3.2固有頻率對(duì)動(dòng)力吸振器性能的影響通過(guò)分析主系統(tǒng)剛度變化,固有頻率從1~100Hz,主系統(tǒng)的位移響應(yīng)隨固有頻率的變化曲線如圖5所示。由圖5可知,當(dāng)主系統(tǒng)系統(tǒng)頻率與激勵(lì)頻率以及動(dòng)力吸振器固有頻率一致時(shí),動(dòng)力吸振器效果最好。通常情況下,艦艇設(shè)備與隔振器組成的系統(tǒng)不會(huì)處于共振狀態(tài),采用動(dòng)力吸振器消除低頻線譜不太合適。3.3動(dòng)力吸振器質(zhì)量對(duì)減振效果的影響為討論質(zhì)量比對(duì)動(dòng)力吸振器性能的影響,改變質(zhì)量比m2/m1,即只改變動(dòng)力吸振器的質(zhì)量,觀察動(dòng)力吸振器減振效果的變化,如圖6所示。從圖6可以看出,動(dòng)力吸振器的質(zhì)量比越大,減振效果越好,只有當(dāng)吸振器的質(zhì)量達(dá)到一定值時(shí),才能起到明顯的減振效果。3.4動(dòng)力吸振器減振效果的變化分析剛度對(duì)動(dòng)力吸振器性能影響時(shí),即使主系統(tǒng)剛度k1改變,觀察動(dòng)力吸振器減振效果的變化,如圖7所示。使動(dòng)力吸振器剛度k2改變,其他參數(shù)不變,觀察動(dòng)力吸振器減振效果的變化,如圖8所示。從圖7和圖8可知,動(dòng)力吸振器在起作用的情況下,主、輔系統(tǒng)剛度越大,吸振效果越好。3.5阻尼對(duì)減振效果的影響分別討論c1對(duì)動(dòng)力吸振器減振性能的影響(見(jiàn)圖9),以及c2對(duì)動(dòng)力吸振器振幅的影響(見(jiàn)圖10)。由圖9可以看出,主系統(tǒng)阻尼對(duì)減振效果的影響較小,但當(dāng)主系統(tǒng)的阻尼增大到一定值時(shí),系統(tǒng)的減振效果隨主系統(tǒng)的阻尼增大而減小,其臨界點(diǎn)在C1為20000Ns/m位置處。主系統(tǒng)阻尼比對(duì)最大抑振帶寬有較顯著的影響,當(dāng)質(zhì)量比一定時(shí),最大抑振帶寬隨主系統(tǒng)阻尼比的增加而減小;當(dāng)主系統(tǒng)阻尼比一定時(shí),最大抑振帶寬隨質(zhì)量比的增加而增加。由圖10可知,c2的增加會(huì)降低系統(tǒng)的減振效果,當(dāng)阻尼增加到一定值時(shí),對(duì)減振效果的影響越來(lái)越小。同時(shí)c2的增加,會(huì)衰減掉動(dòng)力吸振器的振幅。4動(dòng)力吸振器的參數(shù)對(duì)減振效果的影響由圖4~圖10分析可知:1)動(dòng)力吸振器采用圖2結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械連續(xù)調(diào)頻。2)對(duì)于低頻線譜而言,采用動(dòng)力吸振器通常情況下是能夠?qū)崿F(xiàn)吸振效果,當(dāng)主系統(tǒng)頻率與激勵(lì)頻率相差很大時(shí),采用動(dòng)力吸振器吸振效果不明顯。3)動(dòng)力吸振器的質(zhì)量比越大,減振效果越好。但是吸振器質(zhì)量過(guò)大,不僅在機(jī)械上布置比較困難,而且給系統(tǒng)增加了很大的負(fù)擔(dān),因此一般動(dòng)力吸振器的質(zhì)量不宜選取過(guò)大(在工程實(shí)際中,質(zhì)量比一般小于7%)。4)剛度越大,吸振效果越好,通常應(yīng)使動(dòng)力吸振器剛度k2小于機(jī)械本身的參數(shù)k1。通過(guò)適當(dāng)調(diào)整k2的值,從而使振動(dòng)得到最大限度的衰減,即達(dá)到最佳