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连续线性-混沌混合隔振装置设计与研究

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振第3O卷第9期 动与冲击 JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK 连续线性一混沌混合隔振装置设计与研究 陶为俊 ,浣(1.广州大学工程抗震研究中心,广州石 ,朱石坚 ,李晓勇 430033) 510405;2.海军工程大学振动与噪声研究所,武汉摘 要:根据混沌隔振原理设计出连续线性一混沌混合隔振装置,该装置能够产生强非线性,其线性部分、非线性 部分与模型几何尺寸相对应,并且两者完全区分开。在实验中两者均易于调节,这大大增加了该装置在工程中的应用前 景。并利用数值计算对特定参数下的隔振装置在简谐激励力作用下的运动特性进行分析,分析结果表明该装置能够产生 混沌运动,且具有很好的隔离线谱的能力。 关键词:混沌;连续线性;隔振;线谱 中图分类号:O175.14 文献标识码:A Design of continuous linear-chaotic combined vibration isolation system TAO Wei-jun ,HUAN Shi ,ZHU Shi ̄ian ,LI Xiao—yong (1.Earthquake Engineering Research Test Center,Guangzhou University,Guangzhou 510405,China; 2.]nst.Of Noise&Vibration,Naval Univ.of Engineering,Wuhan 430033,China) Abstract: A continuous vibration isolation system was designed,including a linear part and a highly nonlinear part corresponding to the model geometry.Both parts can be completely separated and easy to be adjusted in the experiment. With speciifc parame・ters of the vibration isolation system under harmonic driving forces,the dynamic characteristics of the system were numericMly analysed.The results show that the system can generate chaotic motion,and has a good ability in line spectrum reduction. Key words:chaos;continuous linearity;vibration isolation;line spectum r近年来,关于非线性隔振系统在各个领域受到广 泛的重视,并得到普遍的应用¨一 。非线性隔振系统 存在许多迥异于线性系统的特殊性能,如共振曲线的 偏移与突跳、在一定参数下可呈现混沌运动特征、内共 置,对其力一位移曲线中线性项与非线性项进行了分 析。以及利用数值计算对特定参数下的隔振装置在简 谐激励力作用下的动力学特性进行分析,说明隔振装 振、吸引子共存等,这些可以用来实现线性系统无法实 现的某些功能。研究表明:系统在混沌状态下具有很 置具有很好的隔离线谱的能力。该装置的研究对其在 混沌隔振中的应用具有一定的实际意义。 好的隔振性能以及能大幅度隔离结构噪声中的线谱成 1 隔振装置 1.1几何模型 分段线性能够很好的实现混沌,并且已有一定的 应用 ,理论上而言,分段线性隔振系统可以有多个 分,因此在舰艇等动力设备的隔振上有着广泛的应用 前景 。 自从uedaⅢ2 对Duffing方程的研究以来,非线性隔 振系统在简谐激励下能够出现混沌响应_3 J。朱石 坚 等对非线性?昆沌响应进行了许多的研究,提出 了混沌隔振方法,且做了相应的理论、计算与实验,证 实了混沌隔振在被动隔振中的可行性,特别是在消除 线谱激励上有明显的优势。然而,混沌隔振需要在非 线性条件下才能够很好的工作,强的非线性对隔振系 统进入混沌状态是十分有利的。 分段,但从工程实现的角度来看,其分段数不可能过 多,一般采用双线性或三分段线性隔振系统。如果系 统的分段数(以弹簧为例)可以任意的增多,将弹簧从 基于上述原因,本文设计出连续线性混沌隔振装 收稿日期:2010—04—20修改稿收到日期:2010—08—02 第一作者陶为俊男,博士生,1981年生 一一 图1分段线性隔振系统 Fig.1 Piecewise linear VIS 图2连续线性隔振系统 Fig.2 Continuous linear VIS 振动与冲击 2011年第3O卷 高到低排列,并将其顶端连接起来,如图1所示,将线 性弹簧用弹性材料来取代,则分段线性隔振系统中包 含_『无限多的分段弹簧,本文称为连续线性隔振系统 (如图2所示)。 图3为设计出的混沌隔振装置,该隔振装置主要 }{{-t个部分组成:(1)平面板;(2)凹面板;(3)夹心 板,其具体功能如下: (1)平面板:形状为一长方体,其功能是将上方的 任意荷载通过平面板转化为面荷载,并作用到夹心板 上。其刚度要求很大,在隔振装置设计中不考虑平面 板的变形。 图3连续线性隔振装置图 Fig.3 Continuous linear VIS set・up (2)夹心板:从图3中YZ平面看,其由左右两个 相同的长方体和中间一个长方体组成。其功能是在上 方的面荷载作用下,夹心板发生压缩变形,在压缩过程 中,夹心板与凹面板接触面增大,对于每一个接触部分 米说,由于变形很小,认为是线性变形。当接触的面积 小断增大,使得整体反力不断提高,从而实现非线性。 (3)凹面板:形状为一长方体,在其中挖去一个凹 槽,凹槽的形状根据具体的情况来设计。其主要功能 是通过上方载荷的大小来实现凹面板与夹心板之间的 接触面积,并提供反力。设计中不考虑凹面板的压缩 变形。 1.2工作原理 当系统未加任何载荷时,此时夹心板与凹面板的 接触位置为左右两边的平台处。当平面板上方作用一 载荷时,平面板向下移动,并将载荷传递给夹心板,夹 心板将产生压缩变形,如图2所示。夹心板材料在整 个变形中认为是线性的,即对于每个已经接触的部分 来说,满足线性关系,但此时夹心板与凹面板的接触面 积随着载荷的增大而增大,因此,系统的整体刚度也越 来越大,从而实现非线性。从隔振装置外形来看,与三 明治类似,因此,此隔振模型又可以简称为三明治隔振 模型。 1.3计算模型 隔振模型几何参数的平面图如图4(a)、图4(b)所 示,设计的隔振装置关于 轴、l,轴对称,凹槽的线形 满足方程 = ,其中OL为方程系数,rt为指数。凹面 板长、宽、高分别为z、 、 ,其中凹槽总长度为z ,宽度 为D ,厚度为h:。平面板长度为2z +1 ,宽度为D,高 度为h 。夹心板材料弹性模型为E,左右两个长方体 的长、宽、高分别为Z 、D 、h:,中间长方体的长、宽、高分 别为Z 、D、h2。 一(a) F面图  (b) ‘面图 图4隔振装置平面图 Fig.4 VIS plan 根据理论设计,凹面间隙最大高度为: ,1、i1 = ( ) (1) 当荷载F在竖直方向上作用在平面板轴心上时,隔振 系统此时简化为一单自由度系统,则根据竖向力平 衡有: F: lX+k X” (0≤X …) (2) F=k2X—P(X>z…) (3) 其中:k =2E D1fl'k =E 。。。, P=2肋盖 ( ) ,矗 =2E( z +罢 )。 由(2)式可以看出,方程中包含/t'+1次项。 为 方程的线性项系数,主要与参数E、z 、D 、h 有关, 此,线性项完全由夹心板左右两个长方体的尺寸决定。 对于隔振系统的一次项刚度的调节可以通过夹心板左 右两个长方体的尺寸来调节。例如,将夹心板材料模 型取为橡胶材料模型,其弹性模量一般介于几个MPa 到几十个MPa之问,其几何模型参数分别为h =0.01 ITI,D。=0.1 1TI,f =0.1 m。通过计算,上述参数下模型 的一次项刚度至少可以达到10 ,而这个刚度完全能够 满足大部分隔振设备的需要; 为方程的非线性项系 数,主要与参数E、D、h 有关,还与凹槽线形有关,对于 确定的凹槽来说,其主要由中间长方体尺寸决定,因 此,非线性项系数可以通过夹心板中间长方体的几何 尺寸来调整。例如取 =0.01,/'t=2,则 ~=10 ,h = 0.01 m,D=1 nl,则非线性项系数可以达到10 。而根 据k。、k 的计算公式可以看出,整体刚度的变化主要 通过弹性模量E,宽度D、D ,厚度h 的调整。 根据公式(3)可以看出,当压缩位移大于 一时,凹 槽与上面的弹性材料完全接触,则此时系统变为一个 线性系统,其刚度由于凹槽存在,使得隔振装置计算中 出现了一个附加值P。 根据k。、k + 比例可以有下面的关系: 第9期 陶为俊等:连续线性混沌隔振装置设计与研究 105 : 1 十1 L1/)1 (n=1,2,3,…) (4) 当系统在简谐激励作用卜,根琚连续线性 振模 型,建立其动力学方程为: 当一 d2X从式(4)可以看出,当0<OL<1时, ,>1,适当减小 <X< 时: 增大指数rt则可以增大ot~,从而增大了k 与k 的比例系数。但指数/7,与系数Ol在工程实际中是有限 +c = s(/2T)+G(5) 的,n不能太大, 也不能够太小,一般取Ot=0.01,/'t= 2~4,则 ~=10 一一1O。,则k 》 。,其比例关系还可 以通过夹心板宽度 0 、D来进一步调节。因此,从理论 当X>z 或 冬一 时: 2 X+c dXM dd+后2 —P=Fc。s( )+G (6) 分析来看,隔振装置整体的刚度可以通过上述参数的 其中:n=1,2,3,…。 调节达到工程需要,且k。、k + 的比例关系也可以通过 参数的改变来达到预计比例。 根据上述理论分析,本文就连续线性隔振装置选 择一定的参数,选择的模型几何参数为:E=5×10。Pa, D=0.3 m,Zl=0.1 In,D1=0.01 in,Z2=0.3 in,h2= 0.01 rn,rt=2, =0.01,Z=0.8 in,H=0.03 in,hl= 0.02 in。利用理论进行计算,隔振装置的凹槽部分的 线形如图5所示,凹槽最大间隙为5.447 mm,而这个凹 槽的线形在工程制作中也是可以简单实现的。隔振装 置在静力情况下的力一位移曲线如图6所示,其一、三 次项刚度系数分别为1.0×10。,1.0×10 。 2 1 2 1 o y/m x/nun 图5凹槽图形 图6力一位移曲线 Fig.5 Notch graphics Fig.6 Force vs.displacement 2隔振系统装置 根据上述连续线性隔振装置模型,将此隔振装置 应用在具体隔振系统中时,为了实现拉压双向作用,因 此,系统中使用了两f个隔振器,分别放在被隔振对象1 的上下两个位置,下部隔振器直接作用在基础上,上面 的隔振器通过反力架9,然后再作用在基础上。其隔振 系统装置图如图7所示。 4 2 6 7 1.隔振对象,2,6.平面板,3.夹心板非线性部分 4,7.夹心板线性部分,5,8.凹面板,9.反力架 图7隔振系统装置图 Fig.7 VIS set-up 将方程(5)、(6)无量纲化处理后则方程变为: 当一( …( ) 时: 警+ 警 +g n+l=fcos( )+g (7) 当 ( 或 一(k n+l/ ̄- 时: + 警+ —p=fcos( +g (8) =c/ , 1: : 一觚 G +1、j 'P:rP-ff+1、g=, t  -m j 。 3数值计算 3.1非线性动力学行为 混沌动力学计算研究方法主要采用4阶龙格库塔 法,本文根据此方法对上述系统进行了数值计算,计算 的初始条件为(0.002,0),计算的积分步长取为激励力 周期的1/100,激励力频率为43.4 Hz,静载荷G=2.2 ×10 N,C=1.414×10 (N・s/m)。当激励力幅值为 F=7 700 N时,其系统轨迹为周期4运动(如图8所 示);当激励力幅值为F=9 000 N时,此时系统处于混 沌状态(如图9所示),其系统Poincar6图(如图10所 示)。计算其最大Lyapunov指数0.240 7。系统在上述 参数下处于混沌状态。隔振系统的振幅在±4 mm 以内。 为进一步分析系统全局动力学特性,对激励力幅 值F从0 N一13 500 N范围内进行分析,步长为50 N。 得到系统周期及混沌运动的全局演化过程如图11 所示。 从图1 1可以看出其运动形式与激励力.厂的全局演 化过程:系统刚开始处于P—l周期运动,接着经过了 三个倍周期分岔,之后是一个混沌区和阵发性混沌区 后,最后转变为一个新的P一1周期运动。 l06 振动与冲击 201 1年第30卷 O x/mm x l0。3/mm 图8周期4相平面轨迹 图9混沌相平面轨迹 图1O庞加莱图 Fig.10 Poincar6 map Fig.8 Phase—plane trajectory of period-4 Fig.9 Phase—plane trajectory of chaotic vibration fx103/N I 1 1 系统关于激励力幅值的全局分岔图 图12混沌状态时的加速度输入功率谱 图13混沌状态时的加速度响应功率谱 F培.1 1 Global bifurcation about excitation amplitude Fig.12 Acceleration input power spectrum of chaotic state Fig.1 3 Acceleration response power spectrum of chaotic state 3.2振动隔振效果 [3]Rega G,Benedettini F,Salvatori A.Periodic and chaotic motions of an unsymmetrical oscillator in nonlinear structural 根据上述理论与数值计算研究,详细分析了本文 所给定参数下的Dufifng系统的非线性动力学特性和全 dynamics[J].Chaos,Solitons,and Fractals,1991,1(1): 39—54. Benedettini F,Rega G,Salvatori A.Prediction of bifurcations [4] 局分岔演变过程。利用上述分析的参数模型系统,将 其应用在混沌隔振上,对比处于混沌状态时的响应加 速度的功率谱图与输入功率谱图(如图12,图13所 爪),从图12,图13可以看出,当输人为单一频率的线 and chaos for an asymmetric elastic oscillator l J.Chaos, Solitons,and Fractals,1992,2(3):303—321. furcation and chaos in nmhi— [5] Yu X,Zhu S J,Long S Y.Bidegree—of-freedom nonlinear vibration isolation system I J . 潜时,其特征线谱频率为5.513 3 Hz,功率谱峰值为 104.21 dB,其系统的混沌响应为一宽频谱,特征线谱 频率5.513 3 Hz处的功率谱为65.53 dB,因此,通过对 比分析,不难发现,当系统处于混沌状态时,该系统能 Chaos,Solitons,and Fractals,2008,38(5):1498—1504. c technique research for noise—reduction and [6] Zhu S J.Chaotivibration—isolation system on warships【D 1. National University of Defense Technology,China,2006(in Chinese). 够很好地将线谱的幅值降低,将单一频率转化为宽频 谱,使得单一集中的能量分散到各个谐波频率上,体现 r非常好的隔振效果。 [7]Jiang R J,Zhu S J,He L.Prospect of applying controlling chaotic vibration in waterborne—noise confrontation[C]. Proceeding of ASME 2001 Design Engineering Technical Conference and Computers and Information in Engineering Conference,Pittsburgh,September,2001,DETC 2001/ 4 结 论 根据混沌隔振原理设计了连续线性隔振装置,该 VIB一21663. [8]Lou J J,Zhu S J,He L,et a1.Application of chaos method to Iine spectra reduction J]. Journal of Sound and 装置能够很好的实现强非线性,其线性项系数与非线 性系数完全分开,且与模型装置几何尺寸一一对应,调 整方便,在工程中有着广泛的应用前景。通过对特定 Vibration,2005,286(3):645—652. [9]He Q w,Lou J J,Zhu S J.Performance of piecewise linear vibration isolators under harmonic excitation[C].Proceeding 0f ASME 2001 Design Engineering Technical Conference and Computers and Information in Engineering Conference, Chicago,Illinois USA,September 2—6,2003.DETC 20o3/mech一48498. 的隔振系统进行动力学分析,得到了其全局分岔演化 过程,为进一步设计、调整、优化模型装置尺寸参数起 到r指导作用。 参考文献 L I]Jiang R J,Zhu S J.Prospect ot‘applying controlling chaotic vibration in the waterbouernoise confontration[C].18 Binnial Conference on Mechanical Vibration and Noise,ASME, [10]He Q W,Zhu S J,Lou J J.Study on the computation method 0f piecewise linear system『J].Dynamics of Continuous, Discrete,and Impulsive Systems—Series A—Mathematical Analysis,2006(13):1400—14o4. Pittsburgh,USA,2001.9.DETC 2001/VIB一21633. [11]He Q w,Zhu S J,Wong X T.Study on the shock response character of nonlinear shock isolation systems under a type of 1 2]Ueda Y.Explosions of strange attractors exhibited by Drfiitng g equation_J].Annals New York Ac‘dd sci,1980,357:422 exponential impulse[C].Process in Safety Science and Technology,Taian,China,Oct 10—13 2002,541—545. 433 

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