基于MR阻尼器的船舶减振基座试验研究.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,基于,MR,阻尼器的船舶减振基座试验研究,邓忠超,1,研究的目的意义、发展现状及论文研究内容,基座的设计思想及主要元件力学特性,减振基座数值试验,减振基座主要元件特性及模态测试,减振基座振动试验,减振元件中,MR,阻尼器力学特性研究,总结与展望,报告的主要内容,2,1.1,研究的目的意义,船舶减振研究的目的意义,:,过大的船体振动可导致船体结构产生疲劳破坏,;,会影响船上设备和仪表的正常工作,;,影响舒适性,;,隐身性能,MR,阻尼器力学模型研究的意义,:,建立较为精确的,MR,阻尼器动力学模型是设计控制策略和获得良好控制效果的关键因素之一，也是在实际应用中,MR,阻尼器具有较高可信度的有力保障。,1,研究的目的意义、发展现状及研究内容,3,1.2,国内外研究现状,1.2.1,船舶减振的研究现状,被动减振,主动减振,半主动减振,单层减振,双层减振,浮筏减振,1.2.2,MR,阻尼器研究现状,磁流变液（,Magnetorheological Fluid,，简称,MR,液）是,1948,年美国学者,Jacob Rabinow,发明的一种可控制流体，目前其是智能材料研究领域中较为活跃的一种。美国,Lord,公司自九十年代初以来在磁流变液及其工程应用等方面取得了突出成就，在该研究领域处于领先地位。我国在磁流变液的研制及工程应用方面与国外相比仍有一定差距。,4,(a),未加磁场,(b),加磁场,磁流变效应示意图,5,MR,液有以下四个特点,:,连续性,:MR,液的屈服应力可随磁场强度的变化而连续变化；,可逆性,:MR,液可随磁场强度增加而,“,变硬,”,，也可随磁场强度减小而,“,变软,”,；,频响时间短,:MR,液屈服剪应力随场强正逆向变化所需时间仅在,10,-3,ms,数量级内；,能耗小,:,一般只需要数十瓦功率的直流电源就能满足工程应用的需要。,6,7,（,a,）压力驱动模式（阀式）（,b,）剪切模式 （,c,）挤压模式,MR,阻尼器构造特点,MR,阻尼器的工作模式,MR,阻尼器的常见结构形式,8,MR,阻尼器的应用与研究主要集中在以下领域：,MR,液及,MR,阻尼器的制作,MR,阻尼器的力学模型,工程应用中,MR,阻尼器的控制方法,建筑结构抗震,斜拉索桥拉索减震,汽车悬架减震,医疗领域,机器人领域,航空领域,军事领域,9,1.3,主要研究工作,基于将,MR,阻尼器与钢丝绳弹簧相并联的思想，以船舶主机为保护对象，进行了减振基座模型系统的设计，根据国内现有的,MR,阻尼器的形状特性对传统的舰船基座结构进行了合理改造；,对钢丝绳减振器和,MR,阻尼器的力学特性进行了数值仿真分析，研究了,MR,阻尼器活塞与缸体间隙变化对阻尼器性能的影响。详细讨论了外型尺寸参数变化对钢丝绳减振器等效刚度的影响，并针对试验要求确定了钢丝绳减振器的关键外型尺寸参数；,对基座系统的振动响应进行了仿真分析。应用有限元软件,ANSYS,和对基座系统的振动响应进行了计算；,基于,MTS,多点加载系统和,LMS,数据采集分析系统进行了振动模型试验设计。通过对模型激振频率、激振力幅、控制质量和,MR,阻尼器电流的调整进行了大量的试验。并采用,PID,控制方法对振动响应进行了控制。试验结果表明减振基座系统在控制结构振动方面效果明显，尤其体现在在低频减振方面；,基于试验中,MR,阻尼器的出力特点，在现有,MR,阻尼器模型研究基础之上对,Sigmoid,模型进行改进。新模型中各系数的力学意义更加明确。,10,2,基座的设计思想及主要元件力学特性,2.1,智能舰用隔离器的设计思想,船舶减振基座,减振基座概念图,11,基座系统组成图,12,13,2.2,磁流变阻尼器的数值试验研究,目前的研究表明，磁流变液在磁场作用下表现为,Bingham,流体，其本构关系为：,为流体的动态剪切屈服强度,为磁流变液的流体表观粘度系数；,为流体的剪切应变速率；,为与外加磁场强度,H,有关的库仑剪切屈服强度。,2.2.1 MR,阻尼器的工作原理及其伪静力模型,14,平行平板间的,Bingham,流体剪应力、速度分布及其微元体受力图,15,在平行平板间内单位时间内总的粘塑性体积流量为：,16,式中：,称为粘滞阻尼系数；,称为库仑阻尼力，它是磁流变液屈服强度的函数。,17,磁流变阻尼器的有限元模型,间隙,2mm,间隙,4mm,间隙,6mm,2.2.2,参数变化对,MR,阻尼器性能的影响,18,计算工况：,19,经计算，可以得到间隙取不同值时，活塞在不同速度下，阻尼器缸体内部的压强时间历程曲线和压力峰值与间隙和速度变化关系,计算结果,:,V=2m/s,h=2-6mm,V=5m/s,h=2-6mm,20,间隙,h,、速度,V,与压强峰值,P,的关系图,V=5m/s,h=2-6mm,计算结果分析,在相对速度,V,一定的情况下，间隙,h,越大，压强峰值也越低，则阻尼器发生泄漏的可能性也越低。当间隙,h,取一定值时，活塞与缸体的相对速度,V,越高，缸内的压强也越高。结合试验工况选定,MR,阻尼器间隙在,2mm,。,21,钢丝绳减振器,2.3,钢丝绳弹簧特性仿真研究,（,I,型）螺旋型钢丝绳弹簧,（,II,型）螺旋型钢丝绳弹簧,（,III,型）拱型钢丝绳弹簧,22,取材料杨氏模量,E,4.6,10,8,N/m,2,钢丝绳有限元模型,钢丝绳减振器有限元计算模型,仿真结果对比试验数据的载荷,-,位移曲线,23,计算工况：,24,减振器等效刚度,工况,22-24,的载荷,-,位移曲线,25,R,0.075m,时，,、,P,与刚度,K,的关系图,R,0.1m,时，,、,P,与刚度,K,的关系图,R,0.15m,时，,、,P,与刚度,K,的关系图,计算结果分析：,1,）钢丝绳自身直径对于钢丝绳减振器性能影响最大。从,0.01m,变到,0.05m,，钢丝绳减振器的刚度上升可达,100,倍之多。,2,）钢丝绳线圈的半径,R,对钢丝绳减振器性能的影响也较大，,0.075m,变化到,0.15m,，钢丝绳减振器的刚度,K,下降可达,200,600,。,3,）螺距,P,对于钢丝绳减振器性能的影响较小。从,0.02m,变化到,0.08m,，钢丝绳减振器的刚度,K,下降一般在,20,30,左右。,26,3,减振基座数值试验,智能舰用隔离器系统有限元模型图,单元类型：钢板架结构用,shell63,单元；,钢丝绳弹簧用,combin14,单元；,MR,阻尼器用,combin14,单元；,被保护设备质量用,mass21,单,27,谐响应分析工况表,工况,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,阻尼率,0.0048,0.0129,0.0162,0.034,0.047,0.0649,0.094,0.1299,0.1624,0.3249,工况,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,阻尼率,0.6499,0.8124,0.9749,1.299,2.473,4.874,12.99,24.373,37.37,48.746,28,定义振幅放大因子：,指标定义：,定义力的传递率：,施加给振动系统传的激振力的幅值,振动系统传递给支撑结构的合力,激振力幅值引起的系统静变形,激振力引起的振动系统位移振幅,29,1,工况,1,响应谱线,2,工况,4,响应谱线,3,工况,6,响应谱线,1,2,3,低阻尼状态力的传递率响应谱,力的传递率变化规律,:,高阻尼状态力的传递率响应谱,1,工况,15,响应谱线,2,工况,18,响应谱线,3,工况,20,响应谱线,2,1,3,30,减振基座系统与单纯使用钢丝绳减振器的力的传递率对比图,改进后的基座系统与钢丝绳弹簧力的传递率对比图,31,振幅放大因子的变化规律,低阻尼状态振幅放大因子响应谱,高阻尼状态振幅放大因子响应谱,1,3,2,1,2,3,1,工况,1,2,工况,4,3,工况,6,1,工况,15,2,工况,18,3,工况,20,32,减振基座系统与单纯使用钢丝绳减振器的振幅放大因子对比图,改进后的基座系统与钢丝绳弹簧振幅放大因子对比曲线,33,计算结果分析：,在简谐激振载荷作用下，基座系统与单纯的被动式减振器相比较在激振频率较高时力的传递率和振幅放大因子控制效果基本相同，相对误差分别为,2.1%,和,6.4%,。在激振频率较低时智能抗冲减振系统的减振效果明显优于被动式减振器，力的传递率和振幅放大因子的相对降幅分别达,65.8%,和,94%,；,通过改变磁流变阻尼器的出力状态，能够分别实现降低系统力的传递率，达到减振降噪的目的，和控制模型上部结构的振动位移，达到满足主机和轴系运行要求的目的。,34,4,减振基座主要元件特性及模态测试,4.1,钢丝绳弹簧性能测定,钢丝绳弹簧照片,钢丝绳弹簧加压前,钢丝绳弹簧加压后,35,钢丝绳弹簧刚度曲线,36,4.2,MR,阻尼器性能测定,MR,阻尼器照片,MR,阻尼器性能测试,37,MR,阻尼器出力曲线,38,试验方法及实现手段：,应用,LMS,公司的数据采集系统及模态处理软件进行模态分析试验。在试验模型的各特征部位安装加速度传感器，采用锤击法对模型进行激励，通过对各加速度传感器的信号进行分析得出整个系统的模态信息,4.3,基座模型系统模态测试,39,加速度传感器的布置,在本试验中，模型上部结构承载了主要的被保护结构质量，它的振动特性直接与结构的振动响应相关。因此，模态试验主要对上部结构的模态进行测定。,40,模态分析简图是由一个水平平面和该平面上四个垂向方向的三角形组成。垂向方向的三角形分别对应试验模型的四个,MR,阻尼器罩。模态分析简图虽然对试验模型上部结构进行了简化，但能描述出模型的主要形状特性。模态分析简图的变形反应了实际试验模型的变形。,上部结构模态分析简图,41,动态特性试验照片,42,模态试验结果,经模态测试后，将试验结果振动特性表和模态图的形式给出。其中模态图是将试验模型在静止状态和模型在某阶模态下的最大变形状态所对应的模态简图叠加在同一图中，从中反应出该阶模态的振动变形特性。,经测定，该动力学系统在质量为,2t,时固有频率及振型如下：,43,1,）垂向模态：,试验模型垂向方向振动振型及频率。,一阶模态图 二阶模态图 三阶模态图,44,2,）水平轴向模态：,试验模型水平轴向振动振型及频率。,一阶模态图 二阶模态图 三阶模态图,45,2025/6/11 周三,46,3,）横向模态：,试验模型横向振动振型及频率。,一阶模态图 二阶模态图 三阶模态图,47,5,减振基座振动试验,基于,MTS,加载系统进行振动试验设计,边界条件的处理：,1,）模型下部结构固定于地面，模拟船底结构,.,2,）在模型上部结构上用,MTS(10t),作动筒通过振动加载架施加垂向方向激振力模拟主机振动载荷。,5.1,减振基座振动试验,48,激振力的加载方式,激振力通过额定载荷为,10t,的作动筒施加给系统，作动筒与模型之间通过振动加载架连接。,振动加载架与上部结构的连接示意图,49,传感器布置,本次试验所使用的传感器有位移、速度、加速度以及力传感器。主要布置在上部结构，测定在激振力的作用下系统的响应信号。传感器布置位置见下图,振动试验传感器位置图,50,传感器图,51,试验工况设定,结合,MTS,加载系统的工作特点，将系统输入激振力设定为：,力幅：,04000N,、,08000N,、,012000N,、,016000N,、,020000N,、,024000N,六个状态；,激振频率：,1Hz,、,2Hz,、,3Hz,、,4Hz,、,5Hz,、,6Hz,、,7Hz,、,8Hz,、,9Hz,、,10Hz,、,11Hz,、,12Hz,、,13Hz,、,14Hz,、,15Hz,十五个状态；,整个模型系统的控制质量划分为：,1000kg,、,1200kg,、,1400kg,、,1600kg,、,1800kg,、,2000kg,六个状态；,将磁流变阻尼器的控制电流划分为：,0A,、,0.25A,、,0.5A,、,1.0A,、,1.5A,、,1.75A,、,2.0A,以及不安装阻尼器八个状态。,52,试验录像,53,施加控制电流,0,时的垂向方向位移响应曲线,未安装,MR,阻尼器时的垂向方向位移响应曲线,施加控制电流,2A,时的垂向方向位移响应曲线,典型时域信号：,5.2,恒定阻尼器电流试验结果分析,54,未安装,MR,阻尼器时的垂向方向加速度响应曲线,施加控制电流,0,时的垂向方向加速度响应曲线,施加控制电流,2A,后的垂向方向加速度响应曲线,55,施加控制电流,0,时的阻尼器出力曲线,施加控制电流,2A,时的阻尼器出力曲线,56,未安装,MR,阻尼器时的垂向位移响应,富里叶谱线,未安装,MR,阻尼器时的垂向位移响应,自功率谱线,典型响应谱线,57,MR,阻尼器电流为,0,时的垂向位移响应,富里叶谱线,MR,阻尼器电流为,0,时的垂向位移响应,自功率谱线,58,MR,阻尼器电流为,2A,时的垂向位移响应,富里叶谱线,MR,阻尼器电流为,2A,时的垂向位移响应,自功率谱线,59,参数定义：,定义力的传递率,：,定义振幅放大因子：,力的落差级：,位移落差级：,(dB),(dB),60,力的传递率与频率比的关系曲线图,位移放大系数与频率比的关系曲线图,61,位移落差级与频率比的关系曲线图,力的落差级与频率比的关系曲线图,62,经对实验数据进行综合、分析可总结出如下规律：,1),磁流变阻尼器的控制作用主要体现在对振动共振峰值的抑制上,试验结果表明,MR,阻尼器在低频减振方面具有较好作用，与单独使用钢丝绳减振器相比较有了较大程度的改善。,63,2),磁流变阻尼器对系统力传递率的峰值具有较好的控制效果，与没有磁流变阻尼器时相比较，响应峰值降低了,84%,，落差级为,15.1dB,。位移放大系数的控制规律与力传递率的控制规律基本相同，在没有安装磁流变阻尼器时，系统最大的位移放大系数达到了,6.1,，安装了磁流变阻尼器后，未施加控制电流时系统最大的位移放大系数为,5.1,，当控制电流达到额定电流,2A,时，位移放大系数降到最低，大小为,1.4,。在磁流变阻尼器的控制下，响应峰值最大可降低,77%,，落差级为,11.2dB,。,64,无阻尼器,控制电流为,0A,仿真计算和振动实验的位移放大系数对比图,控制电流为,2A,65,仿真计算和振动实验的力传递率对比图,控制电流为,0A,控制电流为,2A,无阻尼器,66,通过大量的试验分析工作，得出如下结论：,磁流变阻尼器与钢丝绳减振器相并联构成的减振系统对低频振动有较好的控制作用，对共振区振动的控制效果更为突出，与单独使用钢丝绳弹簧相比较，减振落差级达到,15.1dB,。,受磁流变阻尼器本身最小出力的限制，磁流变阻尼器的减振作用在激振力力幅较大时更为明显，而对于较小的激振力磁流变阻尼器对振动响应得调控效果不明显。,磁流变阻尼器的控制效果随着控制质量的增大而降低，对于质量较大的控制对象应考虑选择出力较强的磁流变阻尼器。,激振频率较高，远离共振区后，磁流变阻尼器对振动响应得调控效果不明显，其主要是在低频段特别是共振区起作用。,67,5.3,PID,振动控制试验结果分析,系统组成：,模型控制主要包括,1.,加载系统,2.,信号采集设备,3.,控制计算机,4.,控制信号的输出设备,5.,响应信号放大器,68,控制流程图,69,控制软件,70,控制过程振动,位移时历曲线,控制过程,MR,阻尼,器出力时历曲线,71,试验结果分析,控制前位移响应富里叶谱,控制后位移响应富里叶谱,72,控制前磁流变阻,尼器出力富里叶谱,控制后磁流变阻尼,器出力富里叶谱,73,由试验现象可发现：,通过控制系统的半主动控制，基本达到了预期的控制效果，振动位移由控制前的,2.1mm,降低为控制后的,1.1mm,。,74,6,减振元件中,MR,阻尼器力学特性研究,6.1 MR,阻尼器的力学模型研究现状,目前建立,MR,阻尼器力学模型的方法主要有以下几种：,在假定磁流变液稳定流动的情况下，基于阻尼器自身的结构参数，如活塞的尺寸、磁流变液粘性系数、活塞与缸体之间间隙等建立,MR,阻尼器的力学模型。这种方法建立的模型也被称为伪静力模型；,以精确描述,MR,阻尼器的力,-,速度和力,-,位移的非线性关系为目的，基于部分阻尼器的结构参数，考虑磁流变液在屈服过程中不同阶段的特性，来建立力学模型。这种模型又被称为参数化动态模型；,采用半几何或智能化方法通过拟和试验曲线、建立解析表达式，或利用黑箱理论、神经网络等智能化理论来建立,MR,阻尼器的力学模型。这种模型又被称为非参数化动态模型。,75,6.2,修正的,Sigmoid,力学模型,MR,阻尼器出力具有如下特性：,在低速区域,MR,液有稀化现象，具体表现为力,-,速度曲线中，低速段的斜率较大；,在高速区域,MR,阻尼器的处理主要由库仑力决定，粘性阻尼力所占比例较小。具体表现为高速段的斜率较小；,MR,阻尼器的力,-,速度曲线具有明显的滞回特性。在低速区，其力,-,速度曲线图是相对于原点中心对称的回滞环；在高速区，其力,-,速度曲线也表现为一个扁平状回滞环；,MR,阻尼器的出力曲线为光滑、连续的曲线。,76,Sigmoid,函数的基本特性,77,模型的构成：,基于以下参数应用,Sigmoid,模型建立,MR,阻尼器的力学模型：,MR,液屈服前的粘滞阻尼系数,c,pr,；,MR,液屈服后的粘滞阻尼系数,c,po,；,在确定电流条件下的库仑力,F,y,；,力,-,速度曲线的穿越速度 ；,MR,阻尼器的刚度,k,；,等效质量,m,。,78,该模型包含,6,个参数：,c,pr,、,c,po,、,F,y,、,k,、,m,，每一项都有各自明确的物理意义；并且方程表达式比较简单，易于在仿真计算中实现。,模型的表达式：,79,模型参数对力,-,位移关系影响曲线,模型参数对力,-,速度关系影响曲线,80,模型参数的确定,:,假定模型中的,6,个参数都是控制电流的函数。可根据试验数据，采用回归分析和拟合的方法确定该,MR,阻尼器力学模型中的各个参数。在每个确定的,MR,阻尼器控制电流条件下，对于,c,pr,而言,可分别根据试验,F-v,曲线中低速段的数据采用线性回归的方法确定；对于,c,po,和,F,y,可根据高速段的数据确定；,为,MR,阻尼器出力为,0,时的速度，可由试验数据直接获得，对于,k,和,m,，可通过在该电流条件下应用模型表达式进行回归分析的方法进行求解。,81,各模型参数与电流关系曲线,Cpo,=214.18,I,2,-2719.6,I,+8998.2,Cpr,=665.4,I,2,+25839,I,+7852.3,=1.3968,I,+11.094,Fy,=0.0899,I,2,+0.7396,I,-0.0179,k,=107.14,I,2,+1725,I,+192.86,m,=25.298,I,2,+47.917,I,+43.036,82,模型的验证：,控制电流为,2.1A,时试验曲线与力学模型的比较,修正的,Sigmoid,模型与实测曲线的对比：,83,控制电流为,1.5A,时试验曲线与力学模型的比较,控制电流为,0.6A,时试验曲线与力学模型的比较,84,修正的,Sigmoid,模型与其它模型的比较：,修正的,Sigmoid,模型充分考虑了,MR,阻尼器的阻尼、刚度、等效质量对其出力特性的影响，可以较准确的描述,MR,阻尼器的出力。尤其是在描述,MR,阻尼器低速状态和高速状态下的滞回特性方面具有明显优势。该模型结构简单，参数易识别且物理概念清晰。,85,采用有限元方法对构成减振基座的主要元件钢丝绳弹簧和,MR,阻尼器进行了力学性能分析，经与实测数据的对比分析表明该方法对此类元件的选型和力学性能计算是有效的。,基于将,MR,阻尼器与钢丝绳弹簧相并联的思想进行了减振基座的设计，并进行了仿真分析和试验验证。试验结果表明，该减振基座系统对振动响应有较好的控制作用，力的传递率在低频激振条件下接近,1,，在高频条件下仅为,0.02,，隔振效率较高。若转换为落差级则达到,15,分贝以上，振动响应微弱；,7,总结与展望,总结：,86,MR,阻尼器对振动的控制作用主要体现在对系统共振响应的抑制上。激振频率较高，远离共振区后，,MR,阻尼器对振动响应的调控效果不明显；,MR,阻尼器的控制作用在激振载荷幅值较大，频率较低时控制作用显著，在激振频率较高时效果不明显；,MR,阻尼器的控制效果随着控制质量的增大而降低，对于质量较大的控制对象应考虑选择出力较强的,MR,阻尼器；,87,由实验中实测的,MR,阻尼器出力入手，在总结、分析了目前,MR,阻尼器力学模型研究现状的基础之上提出了修正的,Sigmoid,模型。该模型利用,Sigmoid,函数的特性，充分考虑了,MR,阻尼器的阻尼、刚度、等效质量对其出力特性的影响，可以较准确的描述,MR,阻尼器的出力。尤其是在描述,MR,阻尼器低速状态和高速状态下的滞回特性方面具有明显优势。该模型结构简单，参数易识别且物理概念清晰。,88,尚需研究和解决的问题：,磁流变阻尼器的性能有待进一步改进。,尺寸上进一步小型化，出力进一步加大。,需要进一步开展适合船舶振动环境的,MR,阻尼器控制方法研究。,船舶的振动环境比较复杂，如何最大程度的发挥,MR,阻尼器的减振特性，取得理想的减振效果直接取决于控制方法好坏。进一步开展此方面研究对,MR,阻尼器在船舶领域的实用化有较大意义。,进一步开展,MR,液方面的研究工作。,尽管目前,MR,液的性能与早期相比有了重大改进，但是仍存在一些问题，如,MR,阻尼器在静置较长时间后，其力学性质会有少许改变。该现象与,MR,液的沉降问题有关。进一步开发高性能的,MR,液对保证,MR,阻尼器的性能具有很大意义。,89,Thanks,！,Q/A,90,2025/6/11 周三,91,