动力吸振器减振性能分析与设计

动力吸振器减振性能分析与设计

0动力吸振器与船舶振动控制在低速军船航行过程中，机械噪声被认为是辐射噪声的最大能量，最难解决的是低频强线谱。传统的被动控制不能解决低频强线谱问题,科研工作者们转而将视线转向主动控制。但振动主动控制系统因其结构复杂,抗冲击性能不能满足舰船使用要求,至今尚未完成实船应用。而动力吸振器作为解决低频能量的有效手段,在舰船振动控制领域得到广泛应用。澳大利亚新南威尔士大学PaulGriffinDylejko,SaschaMerz采用理论与有限元相结合研究了液体动力吸振器应用与推力轴承,有效解决了螺旋桨推进过程中引起的纵向推力不平衡,提高了潜艇声隐身性能。李俊和金咸定采用非线性碟簧设计出了宽频动力吸振器应用于船舶尾部振动控制。霍林生、李宏男针对大跨度桥梁建立了多维TMD模型,推导了传递函数与放大系数;欧进萍、王永富讨论了设置TMD系统的高层建筑在风载荷作用下的动力学参数优化。J.H.H.Huijbers和李俊采用非线性蝶形弹簧实现了在宽频范围动力吸振。本文针对船用设备(通风机)轴频振动进行动力吸振器研究,根据吸振器梁长度与弯曲刚度的非线性关系,进行理论与有限元分析。通过结构设计实现动力吸振器可连续变频。以吸振效果的目标对主系统、动力吸振器参数变化进行参数性能优化研究。1不锈钢盘与杆之间的刚度通风机安装形式如图1所示,动力吸振器结构形式如图2所示。本动力吸振器采用不锈钢圆杆作为弹簧,不锈钢圆盘作为质量。由于本系统为连续系统,在理论分析时将杆作为弹簧,圆盘作为质量,而在有限元分析时圆盘与圆杆又互为质量、刚度。图2中,R1为圆杆半径;R2为圆盘半径;L1为圆盘内面距固定端距离;L2为圆盘宽度;L3为圆盘外面距自由端距离。2理论模型2.1固有频率控制方程由于动力吸振器在设备上安装,可以将其认为是一端固定的悬臂梁,在自由端布置集中质量。由材料力学可知,其控制方程为:式中:m为等效集中质量;k为弯曲刚度;E为弹性模量;I为惯性距;d为圆杆直径;l为集中质量距固定端距离。由式(4)可知,动力吸振器固有频率与圆柱直径的2次方成正比,与质量块距离固定端的长度1.5次方成反比。通过调节圆柱直径以及质量距离固定端的长度,可以实现频率的连续可调。2.2相位激励差滞后于主系统动力吸振器是通过辅系统固有频率与主系统激励频率一致,辅系统对主系统产生一个频率相同,相位与主系统激励差180°作用力,从而可以抵消主系统部分响应。其吸振效果可以通过建立安装动力吸振器前后主系统的振动变化量来表示,未安装动力吸振器可以等效为单自由度强迫振动,安装动力吸振器可以等效为两自由度强迫振动。2.2.1非增加吸收轴的力学模型未安装动力吸振器其结构可理想化为单自由度强迫振动,其力学模型如图3所示。其振动控制方程为:其振动方程的解为:2.2.2附加动态吸振器结构安装动力吸振器其结构可理想化为两自由度强迫振动,其力学模型如图3所示。其振动控制方程为:得出振动方程的解为:2.2.3振动源减振器的减振效果其中ΔL为动力吸振器吸振效果加速度级。3动力吸振器参数的对为分析质量、刚度、阻尼对动力吸振器性能的影响,设定1组安装了动力吸振器的系统参数,基本参数如表1所示,其中部分参数在不同的分析中有变化。3.1机械连续频繁曲线动力吸振器采用如图2所示结构,其中R1=5mm,R2=49.5mm,L2=27mm,L1由123变化至133,其固有频率37~42Hz,对比式(4)与有限元模态分析结果。从图4可以看出,通过调节圆盘位置可以实现动力吸振器机械连续调频。一阶模态理论分析与有限元分析结果保持同一趋势。3.2固有频率对动力吸振器性能的影响通过分析主系统刚度变化,固有频率从1~100Hz,主系统的位移响应随固有频率的变化曲线如图5所示。由图5可知,当主系统系统频率与激励频率以及动力吸振器固有频率一致时,动力吸振器效果最好。通常情况下,舰艇设备与隔振器组成的系统不会处于共振状态,采用动力吸振器消除低频线谱不太合适。3.3动力吸振器质量对减振效果的影响为讨论质量比对动力吸振器性能的影响,改变质量比m2/m1,即只改变动力吸振器的质量,观察动力吸振器减振效果的变化,如图6所示。从图6可以看出,动力吸振器的质量比越大,减振效果越好,只有当吸振器的质量达到一定值时,才能起到明显的减振效果。3.4动力吸振器减振效果的变化分析刚度对动力吸振器性能影响时,即使主系统刚度k1改变,观察动力吸振器减振效果的变化,如图7所示。使动力吸振器刚度k2改变,其他参数不变,观察动力吸振器减振效果的变化,如图8所示。从图7和图8可知,动力吸振器在起作用的情况下,主、辅系统刚度越大,吸振效果越好。3.5阻尼对减振效果的影响分别讨论c1对动力吸振器减振性能的影响(见图9),以及c2对动力吸振器振幅的影响(见图10)。由图9可以看出,主系统阻尼对减振效果的影响较小,但当主系统的阻尼增大到一定值时,系统的减振效果随主系统的阻尼增大而减小,其临界点在C1为20000Ns/m位置处。主系统阻尼比对最大抑振带宽有较显著的影响,当质量比一定时,最大抑振带宽随主系统阻尼比的增加而减小;当主系统阻尼比一定时,最大抑振带宽随质量比的增加而增加。由图10可知,c2的增加会降低系统的减振效果,当阻尼增加到一定值时,对减振效果的影响越来越小。同时c2的增加,会衰减掉动力吸振器的振幅。4动力吸振器的参数对减振效果的影响由图4~图10分析可知:1)动力吸振器采用图2结构,可以实现机械连续调频。2)对于低频线谱而言,采用动力吸振器通常情况下是能够实现吸振效果,当主系统频率与激励频率相差很大时,采用动力吸振器吸振效果不明显。3)动力吸振器的质量比越大,减振效果越好。但是吸振器质量过大,不仅在机械上布置比较困难,而且给系统增加了很大的负担,因此一般动力吸振器的质量不宜选取过大(在工程实际中,质量比一般小于7%)。4)刚度越大,吸振效果越好,通常应使动力吸振器刚度k2小于机械本身的参数k1。通过适当调整k2的值,从而使振动得到最大限度的衰减,即达到最佳