一種半主動顆粒阻尼減振系統及其混合建模分析方法

2023-05-28 01:27:06

一種半主動顆粒阻尼減振系統及其混合建模分析方法
【專利摘要】本發明公開了一種半主動顆粒阻尼振動系統及其混合建模分析方法，所述系統由半主動顆粒阻尼器、振動結構、螺栓和振動響應監測控制裝置組成，所述振動響應監測控制裝置由加速度傳感器、DSP控制器、恆流源電路和直流電源組成，所述半主動顆粒阻尼器通過所述螺栓安裝在所述振動結構上，所述加速度傳感器設置在所述振動結構並與所述DSP控制器相連接，所述的直流電源通過恆流源電路為所述半主動顆粒阻尼器和所述DSP控制器供電。所述方法是，在考慮半主動顆粒阻尼振動系統磁場力的同時，充分利用有限元法和離散元法的優點，發揮出有限元法計算連續結構響應的優勢和離散元法計算離散元的特長，從而實現快速分析的目的。
【專利說明】-種半主動顆粒阻尼減振系統及其混合建模分析方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種半主動顆粒阻尼減振系統及其混合建模分析方法，屬於結構減振 降噪【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 傳統的顆粒阻尼減振技術是一種被動阻尼技術，具有減振頻帶寬、結構簡單、抗老 化、耐高溫高壓等惡劣環境等優點。在近幾年的研究過程中，人們發現在低頻段顆粒阻尼技 術的減振效果不是很好，另外被動阻尼技術難W適應複雜的外界環境載荷的變化。
[0003] 半主動顆粒阻尼減振結構，一方面能通過半主動控制解決被動顆粒阻尼在低頻域 段減振效果差的難點，另一方面可W解決顆粒阻尼對複雜外界載荷的適應性問題。研究半 主動顆粒阻尼系統響應的建模分析方法，對於推動半主動顆粒阻尼技術的發展具有重要的 理論意義。
[0004] 目前關於半主動顆粒阻尼減振技術的研究還局限於實驗研究，理論研究未見相關 報導。其主要原因是含半主動顆粒阻尼減振系統的力學機理複雜，顆粒數量巨大使得採用 有限元方法仿真帶顆粒阻尼減振系統的響應的仿真速度很慢。


【發明內容】

[0005] 本發明的目的在於克服採用傳統的有限元建模分析方法仿真速度慢的不足之處， 提供一種能夠快速對半主動顆粒阻尼減振系統及其混合建模分析方法。
[0006] 為達到上述目的，本發明採用如下技術方案：
[0007] -種半主動顆粒阻尼減振系統，由半主動顆粒阻尼器1、振動結構2、螺栓3和振動 響應監測控制裝置組成，其中所述振動響應監測控制裝置由加速度傳感器4、DSP控制器5、 恆流源電路6和直流電源7組成，所述半主動顆粒阻尼器1通過所述螺栓3安裝在所述振 動結構2上，所述加速度傳感器4設置在所述振動結構2並與所述DSP控制器5相連接，所 述的直流電源7通過恆流源電路6為所述半主動顆粒阻尼器1和所述DSP控制器5供電。
[0008] 本發明的一種半主動顆粒阻尼減振系統的混合建模分析方法，包括如下步驟：
[0009] A、建立所述半主動顆粒阻尼器1的有限元模型，並根據顆粒大小、相對速度及所 述半主動顆粒阻尼器1的孔腔尺寸，隨機生成顆粒的初始位置，並設置顆粒的初始速度為 零；
[0010] B、利用有限元軟體計算所述振動結構2在激振力作用下一個時步的響應，並提取 所述振動結構2響應點的位移、速度和加速度信息，提取所述振動結構2上響應點的加速度 用於研究所述振動結構2的振動特性、提取所述振動結構2上孔腔周圍響應點的位移和速 度用於計算孔腔與顆粒間的接觸力；
[0011] C、調用所述振動結構2上孔腔研究點的位移和速度，根據位移關係判斷阻尼器劃 分網格後的各個網格內顆粒與所述振動結構2的孔腔壁是否接觸，若接觸，即根據疊合量 和相對速度求出顆粒與所述振動結構2的孔腔壁之間的接觸力，採用離散元法計算在一個 時步內顆粒在接觸力作用下顆粒的運動特性，計算顆粒一個時步內新的位移和速度，更新 顆粒的位移和速度，並計算所述振動結構2的孔腔壁相應位置所受的接觸力；
[0012] D、將所述振動結構2的孔腔壁所受的接觸力賦予有限元軟體計算程序，計算所述 振動結構2在激振力、磁場力和孔腔壁所受的接觸力共同作用下一個時步內的響應，並提 取響應點的位移、速度和加速度信息；
[0013] E、根據計算時間判斷循環是否結束，計算時間小於設定的時間程序繼續計算執行 步驟C、D和E，，直至等於設定的時間，程序計算結束，輸出所述振動結構2響應點的加速度， 否則繼續直到程序結束。
[0014] 上述步驟A所述的隨機生成顆粒的初始位置的方法是，所述半主動顆粒阻尼器1 中的顆粒採用隨機生成顆粒的初始位置的方法，W-定孔隙比為目標函數，按照顆粒大小 及其分布規律在給定的空間區域生成顆粒。具體步驟是：首先採用隨機數生成器在給定區 域內生成顆粒，在確定顆粒大小，然後生成所述顆粒的位置，當生成的顆粒位置與已存在顆 粒或邊界重疊，則顆粒生成失敗，否則顆粒生成成功，然後生成下一個顆粒直至生成滿足所 需要的顆粒數量。
[0015] 上述步驟B所述的時步是，根據瑞利波的傳播特性確定。
[0016] 上述步驟C所述的顆粒的運動特性的計算是，採用離散元法計算顆粒的運動，將 散體顆粒看作為有限個基本元件的組合，研究對象不同，離散元法的單元模型也不同。對所 述半主動顆粒阻尼器，單個顆粒（圓盤或球）為一個單元；當所述半主動顆粒阻尼器的所述 顆粒為塊體時，單個塊體為一個單元。但是對於不同的單元模型，離散元法的原理和計算過 程是相同的，即根據單元間力的相互作用和牛頓運動定律，採用動態鬆弛法進行循環迭代 計算，在每一個步時都更新單元的位置，並遍及整個單元集合。通過對每個顆粒接觸力及運 動研究，求每個顆粒對所述振動結構2接觸力的合力，分析所述振動結構2在接觸力、激振 力和磁場力共同作用下的運動特性。
[0017] 上述步驟C所述的接觸力是指所述半主動顆粒阻尼器1中的顆粒之間W及顆粒與 孔腔壁之間的接觸力，採用赫茲粘彈性模型。
[0018] 上述步驟C所述的劃分網格的劃分方法是，W-定長度和厚度的圓筒將圓柱孔腔 劃分為小的圓桶狀區域。該種網格劃分的方法充分利用圓柱形孔腔結構的特點，不需要處 理複雜邊界關係，因為球形顆粒與圓柱形面得接觸關係很容易判斷。劃分網格的具體步驟： 當顆粒阻尼器內顆粒數量小於50時，顆粒阻尼器直接劃分為一個圓柱形網格；當所述半主 動顆粒阻尼器中的顆粒數量大於50時，可直接將所述孔腔按孔軸向劃分為幾個柱形網格， 當有的網格中顆粒數量大於50時，則進一步將所述柱形網格沿徑向劃分為多個圓桶網格 或將所述圓桶網格沿軸向劃分為多個單元網格，直至每個網格內顆粒的數量都小於50個。
[0019] 本發明的一種半主動顆粒阻尼減振系統及其混合建模分析方法，在考慮半主動顆 粒系統磁場力的同時，充分利用有限元法和離散元法的優點，發揮出有限元法計算連續結 構響應的優勢和離散元法計算離散元素的特長。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1為本發明的半主動顆粒阻尼減振系統的構造示意圖；
[0021] 圖2為本發明的半主動顆粒阻尼減振系統的建模分析方法的流程圖；
[0022] 圖3為本發明的半主動顆粒阻尼的顆粒生成方法的流程圖；
[0023] 圖4為本發明的半主動顆粒阻尼的顆粒網格劃分方法一示意圖；
[0024] 圖5為本發明的半主動顆粒阻尼的顆粒網格劃分方法二示意圖；
[0025] 圖6為本發明的半主動顆粒阻尼的顆粒網格劃分方法H示意圖。
[0026] 其中：1、半主動顆粒阻尼器，2、振動結構，3、螺栓，4、加速度傳感器，5、DSP控制 器，6、恆流源電路，7、直流電源。

【具體實施方式】
[0027] 下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解該些實施例僅用於說明 本發明而不用於限制本發明的範圍。
[0028] 如圖1所示，為本發明的一種半主動顆粒阻尼減振系統，由半主動顆粒阻尼器1、 振動結構2、螺栓3和振動響應監測控制裝置組成，其特徵是，所述振動響應監測控制裝置 由加速度傳感器4、DSP控制器5、恆流源電路6和直流電源7組成，所述半主動顆粒阻尼器 1通過所述螺栓3安裝在所述振動結構2上，所述加速度傳感器4設置在所述振動結構2並 與所述DSP控制器5相連接，所述的直流電源7通過恆流源電路6為所述半主動顆粒阻尼 器1和所述DSP控制器5供電。
[0029] 如圖2所示，為本發明的半主動顆粒阻尼減振系統的混合建模分析方法的流程 圖。
[0030] 步驟1，建立帶所述半主動顆粒阻尼器1的息臂梁有限元模型，其中息臂梁長 400mm，寬10mm，高70mm，顆粒阻尼器是的圓柱形。為並根據顆粒直徑0. 5mm及所述半主動 顆粒阻尼器1的孔腔尺寸（直徑為8mm，高度60mm)，通過MTLAB隨機生成各個顆粒的初始 位置，並設置顆粒初始速度為零。其中所述顆粒初始位置的生成方法，如圖3所示；首先在 指定的邊界範圍內生成110個顆粒，當顆粒與指定的邊界重疊，則重新生成該顆粒，直至生 成的顆粒數量滿足要求的110個為止。
[0031] 其中，所述半主動顆粒阻尼器1為圓柱形孔腔，按照一種簡單的改進網格法一圓 桶法，如圖4所示；圓桶法是W-定長度和厚度的圓筒將圓柱孔腔劃分為小的圓桶狀區域。 該種方法充分利用圓柱形孔腔結構的特點，不需要處理複雜邊界關係，因為球形顆粒與圓 柱形面得接觸關係很容易判斷。先將孔腔按孔軸向劃分為3個柱形區域，再將小圓柱形區 域沿徑向劃分為4個圓桶區域。根據可W的數量選用不同的網格劃分方法。具體：當整個區 域填充顆粒數量小於500時選擇如圖4所示的網格劃分方法，當填充顆粒數量在500-5000 之間時選擇如圖5所示的網格劃分方法，當填充顆粒數量大於5000時選擇如圖6所示網格 劃分方法。
[0032] 步驟2,利用有限元軟體NASTRAN計算所述振動結構2在激振力作用下一個時步的 響應，提取所述振動結構2上響應點的位移、速度和加速度信息。其中提取所述振動結構2 上響應點的加速度用於研究所述振動結構2的振動特性，提取所述振動結構2上孔腔周圍 響應點的位移和速度用於計算孔腔與顆粒間的接觸力。
[003引步驟3,通過MTLAB調用孔腔周圍點的位移和速度，根據位移關係判斷顆粒與孔 腔壁間是否接觸，若接觸，即根據疊合量和相對速度求出顆粒間的接觸力。根據所述振動結 構2的振動情況按照事先選用的自適應控制方法確定線圈電流，進一步確定顆粒的磁場力 大小。然後計算一個時步內各個顆粒在接觸力作用下的位移、速度，並更新各個顆粒的位移 和速度，最後計算結構的孔腔壁各個位置受到顆粒接觸力的合力。
[0034] 其中，顆粒的接觸力通過赫茲粘彈性模型得到：
[00巧]

【權利要求】
1. 一種半主動顆粒阻尼減振系統，由半主動顆粒阻尼器（1)、振動結構（2)、螺栓（3) 和振動響應監測控制裝置組成，其特徵在於，所述振動響應監測控制裝置由加速度傳感器 (4)、DSP控制器（5)、恆流源電路（6)和直流電源（7)組成，所述半主動顆粒阻尼器（1)通 過所述螺栓（3)安裝在所述振動結構（2)上，所述加速度傳感器（4)設置在所述振動結構 (2)並與所述DSP控制器（5)相連接，所述的直流電源（7)通過恆流源電路（6)為所述半主 動顆粒阻尼器（1)和所述DSP控制器（5)供電。
2. -種如權利要求1所述的半主動顆粒阻尼減振系統熱的混合建模分析方法，其特徵 在於，包括如下步驟： A、 建立所述半主動顆粒阻尼器（1)的有限元模型，並根據顆粒大小、相對速度及所述 半主動顆粒阻尼器（1)的孔腔尺寸，隨機生成顆粒的初始位置，並設置顆粒的初始速度為 零； B、 利用有限元軟體計算所述振動結構（2)在激振力作用下一個時步的響應，並提取所 述振動結構（2)響應點的位移、速度和加速度信息，提取所述振動結構（2)上響應點的加速 度用於研究所述振動結構（2)的振動特性、提取所述振動結構（2)上孔腔周圍響應點的位 移和速度用於計算孔腔與顆粒間的接觸力； C、 調用所述振動結構（2)上孔腔研究點的位移和速度，根據位移關係判斷阻尼器劃分 網格後的各個網格內顆粒與所述振動結構（2)的孔腔壁是否接觸，若接觸，即根據疊合量 和相對速度求出顆粒與所述振動結構（2)的孔腔壁之間的接觸力，採用離散元法計算在一 個時步內顆粒在接觸力作用下顆粒的運動特性，求顆粒新的位移和速度，更新顆粒的位移 和速度，並計算所述振動結構（2)的孔腔壁相應位置所受的接觸力； D、 將所述振動結構（2)的孔腔壁所受的接觸力賦予有限元軟體計算程序，計算所述振 動結構（2)在激振力、磁場力和孔腔壁所受的接觸力共同作用下一個時步內的響應，並提 取響應點的位移、速度和加速度信息； E、 根據計算時間判斷循環是否結束，計算時間小於設定的時間程序繼續計算執行步驟 C、D和E，，直至等於設定的時間，程序計算結束，輸出所述振動結構（2)響應點的加速度，否 則繼續直到程序結束。
3. 如權利要求2所述的一種半主動顆粒阻尼減振系統的混合建模分析方法，其特徵在 於：步驟A所述的隨機生成顆粒的初始位置的方法是，以一定孔隙比為目標函數，按照顆粒 大小及其分布規律在給定的空間區域生成顆粒；具體步驟是：首先採用隨機數生成器在給 定區域內生成顆粒，再確定顆粒大小，然後生成所述顆粒的位置，當生成的顆粒位置與已存 在顆粒或邊界重疊，則顆粒生成失敗，否則顆粒生成成功，然後生成下一個顆粒直至生成滿 足所需要的顆粒數量。
4. 如權利要求2所述的一種半主動顆粒阻尼減振系統的混合建模分析方法，其特徵在 於：步驟B所述的時步是根據瑞利波的傳播特性確定。
5. 如權利要求2所述的一種半主動顆粒阻尼減振系統的混合建模分析方法，其特徵在 於：步驟C所述的接觸力是指所述半主動顆粒阻尼器（1)中的顆粒之間以及顆粒與孔腔壁 之間的接觸力，採用赫茲粘彈性模型。
6. 如權利要求2所述的一種半主動顆粒阻尼減振系統的混合建模分析方法，其特徵在 於：步驟C所述的顆粒的運動特性的計算是，採用離散元法計算所述半主動顆粒阻尼器（1) 中顆粒的運動，將散體顆粒看作為有限個基本單元的組合，根據單元間力的相互作用和牛 頓運動定律，採用動態鬆弛法進行循環迭代計算，在每一個時步都更新單元的位置，並遍及 整個單元集合，通過對每個顆粒接觸力及運動研究,求每個顆粒對所述振動結構（2)接觸 力的合力，分析所述振動結構（2)在接觸力、激振力和磁場力共同作用下的運動特性。
7.如權利要求2所述的一種半主動顆粒阻尼減振系統的混合建模分析方法，其特徵在 於：步驟C所述的劃分網格的劃分方法是，根據所述半主動顆粒阻尼器（1)中顆粒的大小和 相對速度的大小，將所述半主動顆粒阻尼器（1)按孔軸向劃分為幾個柱形網格，當網格內 顆粒數量大於50個時，將所述柱形網格沿徑向劃分為多個圓桶網格或將所述圓桶網格沿 軸向劃分為多個單元網格，保證每個網格中包含的顆粒數量小於50個。
【文檔編號】G06F17/50GK104331541SQ201410543153
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月14日 優先權日:2014年10月14日
【發明者】夏兆旺, 魏守貝, 溫華兵, 方媛媛 申請人:江蘇科技大學