动力吸振器设计方法及低频振动控制方案研究

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舰船机舱中的机械设备在运行时会产生持续的振动,其中,中高频振动在通过船体结构向水中传播的过程中会迅速衰减,且多表现为船体局部的振动和声辐射现象,对舰船隐身性能影响较小。而低频振动不仅传播距离远衰减小,而且在传播过程中相互耦合,互为激励源,声振综合控制较为困难,且会对海洋生物的生殖能力和迁徙活动产生不利影响。动力吸振器作为低频振动的解决途径之一,能对低频线谱激励下的船体结构振动进行有效控制,具有结构简单、安装拆卸方便、成本低等优势。文中以舰船双层底板架结构为主要研究对象,采用基于曲线拟合的定点理论优化法进行动力吸振器的参数设计,并分别以结构主要激励频率和固有频率为吸振频率设计动力吸振器实际结构、制造工程样机,以及对动力吸振器布置方案和半主动控制算法展开了研究。主要内容包括:(1)研究了连续体结构附加动力吸振器参数设计方法,即基于曲线拟合的定点理论优化法和基于遗传算法的仿真优化法。通过仿真计算对比了两种方法的优化效果,结果表明,两种方法均能得到较好吸振效果,吸振效果无明显差异,但仿真优化法计算规模较大,适用于较小的计算模型;(2)建立某艇机舱缩比后的双层底板架结构有限元模型,对其进行振动响应分析,结果表明33 Hz与24 Hz为位移响应主要峰值点。并根据基于曲线拟合的定点理论优化法针对该模型进行33 Hz及24 Hz频率处的吸振方案设计。其中,33 Hz与24 Hz联合吸振方案吸振效果显著,仿真结果表明,20~60 Hz频段双层底结构外底板合成声功率降低了9.55 dB,降噪效果大于两单频吸振方案降噪效果的线性叠加;(3)为进一步探究动力吸振器的优化布置方案,对传统遗传算法作出改进,改进内容包括:采用轮盘赌及最优保存策略的选择方式、引入自适应性算子及建立种群历史数据库,并以固支板模型为研究对象,设计了单动力吸振器和多动力吸振器的安装位置优化流程,仿真及试验结果表明,该优化方法具有更好的振动控制效果,为遗传算法应用于动力吸振器安装位置优化问题作出了探索;(4)针对以固有频率为待吸振频率的情况,设计并制造了一款橡胶式动力吸振器,试验研究了其频率调节范围和橡胶式动力吸振器的减振效果。试验结果表明,橡胶式动力吸振器有着45~86 Hz及158~305 Hz的频率调节范围,且在固支板的吸振试验中,安装点原点频响函数峰值降低了21.8 dB,减振效果显著;(5)针对以离心泵24 Hz激励频率为待吸振频率的情况,设计并制造了一款磁极相对式电磁半主动动力吸振器,试验结果表明,ESAVA磁路部分的电磁刚度有着良好的线性度,电磁刚度调节量为70.1 kN/m,该ESAVA的固有频率调节范围为24~32 Hz,试验与仿真结果基本一致;(6)编写了基于频率特性关系与基于相位差的半主动控制算法的Simulink程序,该控制程序实现了对激励力频率作出快速识别和追踪的能力。研究结果表明,基于相位差的半主动控制算法更具优势。然后,对基于相位差的半主动控制算法的控制时间进行了优化设计,根据控制阶段调节增益大小,优化后,三次频率调节过程总的控制时间由4.127 s降低至2.758 s,降低了33%,优化效果显著。
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