一種基于可控阻尼的半主動(dòng)沖擊隔離的方法技術(shù)

一種在沖擊響應(yīng)過程中控制半主動(dòng)沖擊隔離器阻尼系數(shù)的變化，并在沖擊響應(yīng)的不同階段采取不同的阻尼系數(shù)控制策略，以提高沖擊隔離效率、降低相對(duì)位移幅值的半主動(dòng)沖擊隔離技術(shù)。由各種彈性元件、阻尼元件，與阻尼可控器件組成可控阻尼的半主動(dòng)沖擊隔離器。由各種智能器件、傳感器、外圍電路等組成控制系統(tǒng)。控制策略分兩個(gè)階段，第一階段：實(shí)現(xiàn)并維持絕對(duì)加速度的可控性；第二階段：把絕對(duì)加速度控制在某個(gè)限值附近。控制系統(tǒng)按照該控制策略控制半主動(dòng)沖擊隔離器阻尼系數(shù)的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)絕對(duì)加速度響應(yīng)的控制，達(dá)到提高沖擊隔離效率、降低相對(duì)位移幅值的目的。（*該技術(shù)在2024年保護(hù)過期，可自由使用*）

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種在沖擊響應(yīng)過程中控制半主動(dòng)沖擊隔離器阻尼系數(shù)的變化，并在沖擊響應(yīng)的不同階段采取不同的阻尼系數(shù)控制策略，以提高沖擊隔離效率、降低相對(duì)位移幅值的半主動(dòng)沖擊隔離技術(shù)。
技術(shù)介紹
系統(tǒng)受到瞬態(tài)激勵(lì)，其力、位移、速度或加速度發(fā)生突然變化的現(xiàn)象，稱為沖擊。沖擊激勵(lì)可以是外力突然加載到設(shè)備上，這種沖擊稱作外力沖擊，此時(shí)的沖擊隔離稱作積極隔沖。如果這個(gè)激勵(lì)是機(jī)座以很高的加速度對(duì)其上的設(shè)備的沖擊，這種沖擊稱作基座沖擊，此時(shí)的沖擊隔離稱作消極隔沖。在沖擊的作用下系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)，以及沖擊停止后系統(tǒng)按其固有頻率進(jìn)行的剩余振動(dòng)，是非穩(wěn)態(tài)的、非隨機(jī)的、短暫存在的振動(dòng)，稱為瞬態(tài)振動(dòng)。瞬態(tài)振動(dòng)在系統(tǒng)中很快消失，但是，由它引起的最大應(yīng)力或最大位移，可能使機(jī)器設(shè)備瞬時(shí)失靈，甚至被損壞。即沖擊對(duì)設(shè)備帶來的危害主要是過大的絕對(duì)加速度和過大的相對(duì)位移。為描述方便，本專利技術(shù)中所述的絕對(duì)加速度指積極隔沖系統(tǒng)中的基礎(chǔ)或消極隔沖系統(tǒng)中的設(shè)備的絕對(duì)加速度；相對(duì)速度(或相對(duì)位移)指沖擊隔離系統(tǒng)中的基礎(chǔ)與設(shè)備之間的相對(duì)速度(或相對(duì)位移)。傳統(tǒng)上認(rèn)為對(duì)于持續(xù)時(shí)間很短的(毫秒范圍內(nèi))的沖擊，結(jié)構(gòu)的最大動(dòng)態(tài)負(fù)載典型地發(fā)生在前幾個(gè)周期。在這種情況下，阻尼對(duì)最大的結(jié)構(gòu)響應(yīng)沒有顯著的影響。所以沖擊譜的計(jì)算通常不考慮阻尼。即對(duì)于持續(xù)時(shí)間很短的沖擊問題一直都作為無阻尼系統(tǒng)處理。因此傳統(tǒng)意義上的沖擊隔離的實(shí)質(zhì)，是通過在基礎(chǔ)和設(shè)備之間加入彈性元件，將瞬態(tài)、強(qiáng)烈的沖擊能量先以位移能的形式最大限度的儲(chǔ)存在其中，然后按隔離系統(tǒng)本身的特性緩慢的將能量釋放出來，從而減少激勵(lì)從基礎(chǔ)傳遞到設(shè)備或從設(shè)備傳遞到基礎(chǔ)所引起的響應(yīng)，以達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。即傳統(tǒng)意義上沖擊隔離的目的是提供較高的沖擊隔離效率(即較小的絕對(duì)加速度幅值)，而這勢(shì)必加大系統(tǒng)的相對(duì)位移幅值。而對(duì)于有些設(shè)備而言，過大的相對(duì)位移可能會(huì)比過大的絕對(duì)加速度帶來更大的危害。對(duì)于相對(duì)位移幅值而言，沖擊隔離系統(tǒng)阻尼比越大，相對(duì)位移幅值就越小。但從沖擊隔離效率角度考慮，對(duì)于線性阻尼的沖擊隔離系統(tǒng)，無論采用線性剛度，還是采用軟特性或硬特性剛度，都存在一個(gè)最佳阻尼比。線性剛度時(shí)最佳阻尼比為0.265，軟特性或硬特性剛度時(shí)比0.265略大或略小。如果沖擊隔離系統(tǒng)的阻尼比大于或者小于這個(gè)最佳阻尼比，都會(huì)降低沖擊隔離效率。因此為達(dá)到?jīng)_擊隔離的目的(提供盡可能高的沖擊隔離效率和盡可能低的相對(duì)位移幅值)，沖擊隔離系統(tǒng)在剛度和阻尼比的選擇上都是一對(duì)不可調(diào)和的矛盾。一方面由于缺乏可以提供大阻尼的器件；另一方面由于最佳阻尼比的存在，而且這個(gè)值相對(duì)較小。因此長(zhǎng)期以來，一直認(rèn)為阻尼在持續(xù)時(shí)間很短的沖擊的隔離中不能發(fā)揮很大的作用，沖擊隔離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)始終停留在剛度的設(shè)計(jì)上。從而使得需要提供較高的沖擊隔離效率，但又對(duì)相對(duì)位移有嚴(yán)格限制的沖擊隔離問題，一直缺乏一種有效的技術(shù)手段。磁流變阻尼器、電流變阻尼器、可控節(jié)流孔的油阻尼器等阻尼可控器件的出現(xiàn)，為在沖擊隔離中充分發(fā)揮阻尼的作用提供了可能。本專利技術(shù)在沖擊隔離系統(tǒng)中使用阻尼可控器件，通過在沖擊響應(yīng)過程中控制阻尼系數(shù)(也即阻尼比)的變化，并在沖擊響應(yīng)的不同階段采取不同的阻尼系數(shù)控制策略，實(shí)現(xiàn)在不降低甚至提高沖擊隔離效率的前提下，使用盡可能大的阻尼比。從而達(dá)到提高沖擊隔離效率、降低相對(duì)位移幅值的目的。將該技術(shù)應(yīng)用于持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的沖擊的隔離中，則會(huì)達(dá)到更加明顯的效果。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)是由各種彈性元件、阻尼元件(包括由這兩者組成各種隔振器、減振器、沖擊隔離器等)，與一個(gè)或多個(gè)阻尼系數(shù)可控的阻尼器件(如磁流變阻尼器、電流變阻尼器、可控節(jié)流孔的油阻尼器等)通過串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)組合方式組成可控阻尼的半主動(dòng)沖擊隔離器。由單片機(jī)、可編程控制器、計(jì)算機(jī)等各種智能器件；加速度、位移等傳感器；以及各種信號(hào)采樣、調(diào)理外圍電路等組成控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)通過控制電流、電壓等的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)可控阻尼器阻尼系數(shù)變化的控制。本專利技術(shù)解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是在沖擊響應(yīng)期間控制半主動(dòng)沖擊隔離器阻尼系數(shù)(即沖擊隔離系統(tǒng)阻尼比)的變化，并在沖擊響應(yīng)的不同階段采取不同的阻尼系數(shù)控制策略，以達(dá)到提高沖擊隔離效率、降低相對(duì)位移幅值的目的。設(shè)沖擊開始時(shí)刻為t0，沖擊開始后的時(shí)刻依次為t1、t2、t3……，相鄰時(shí)刻之間的時(shí)間間隔為Δt，Δt即為信號(hào)采樣和實(shí)施控制的最小時(shí)間單位。該技術(shù)方案的阻尼系數(shù)控制策略包括兩個(gè)階段。按照該阻尼系數(shù)控制策略實(shí)施控制的開始時(shí)刻和此時(shí)半主動(dòng)沖擊隔離器的阻尼系數(shù)可隨意選擇。下面具體描述當(dāng)絕對(duì)加速度相位與相對(duì)速度相位相反時(shí)這兩個(gè)階段的阻尼系數(shù)控制策略。當(dāng)絕對(duì)加速度相位與相對(duì)速度相位相同時(shí)，只需把下述兩個(gè)階段的阻尼系數(shù)控制策略中的“降低”改為“提高”，“提高”改為“降低”，其它內(nèi)容保持不變。第一階段實(shí)現(xiàn)并維持絕對(duì)加速度的可控性。設(shè)時(shí)刻t(t≥t0)的阻尼系數(shù)為c，阻尼比為ζ。如果t的下一時(shí)刻(t+Δt)在c基礎(chǔ)上繼續(xù)下降阻尼系數(shù)，將使(t+Δt)時(shí)刻的絕對(duì)加速度小于等于t時(shí)刻的絕對(duì)加速度，此時(shí)稱t時(shí)刻的絕對(duì)加速度是可控的。該階段采取的阻尼系數(shù)控制策略為當(dāng)當(dāng)前時(shí)刻的絕對(duì)加速度具備上述的可控性時(shí)，提高阻尼系數(shù)；反之，則降低阻尼系數(shù)。第二階段把絕對(duì)加速度控制在某個(gè)限值附近，即使絕對(duì)加速度圍繞該限值附近作小幅的波動(dòng)。該限值可以是某個(gè)定值，也可以是隨時(shí)間變化的量。設(shè)在時(shí)刻ta時(shí)，絕對(duì)加速度達(dá)到設(shè)定的限值，ta即為第二階段的開始時(shí)刻，也即第一階段的終止時(shí)刻。在該階段采取的阻尼系數(shù)控制策略為當(dāng)當(dāng)前時(shí)刻的絕對(duì)加速度小于該限值時(shí)，則提高阻尼系數(shù)；當(dāng)大于該限值時(shí)，則降低阻尼系數(shù)；當(dāng)?shù)扔谠撓拗禃r(shí)，則可以提高阻尼系數(shù)，也可以降低阻尼系數(shù)或保持阻尼系數(shù)不變。從而使絕對(duì)加速度圍繞這個(gè)限值上下作小幅的波動(dòng)。當(dāng)設(shè)定的限值是一個(gè)定值時(shí)，從絕對(duì)加速度的波形上看，絕對(duì)加速度被控制在比這一限值略高的水平線以下，即它的波峰被削平。合適地選擇這個(gè)絕對(duì)加速度限值可以達(dá)到提高沖擊隔離效率的目的。該階段的持續(xù)時(shí)間不限，最長(zhǎng)可一直持續(xù)到相對(duì)位移達(dá)到波峰值(即相對(duì)速度等于零)的時(shí)刻(設(shè)該時(shí)刻為tb)為止。tb時(shí)刻后的阻尼系數(shù)控制策略如下如果tb時(shí)刻沖擊作用已經(jīng)結(jié)束。則在tb時(shí)刻的相對(duì)位移即為相對(duì)位移幅值，因此tb時(shí)刻后采取何種阻尼系數(shù)控制策略，不會(huì)對(duì)絕對(duì)加速度幅值和相對(duì)位移幅值產(chǎn)生影響。所以tb時(shí)刻后的阻尼系數(shù)控制策略可以隨意選擇。為盡快消除剩余振動(dòng)，可以采取不斷增加阻尼系數(shù)的控制策略。如果tb時(shí)刻沖擊作用還沒有結(jié)束，則tb時(shí)刻后阻尼系數(shù)控制策略迅速回到第一階段，再從第一階段按上述順序依次執(zhí)行阻尼系數(shù)控制策略。在該半主動(dòng)沖擊隔離技術(shù)中，以上兩個(gè)階段只有第二階段是必需的。沖擊隔離的半主動(dòng)控制策略具備第二階段，但沒有第一階段，也可達(dá)到提高沖擊隔離效率，降低相對(duì)位移幅值的目的。從上述控制策略顯而易見，與具有相同剛度的線性阻尼沖擊隔離系統(tǒng)相比，該半主動(dòng)沖擊隔離技術(shù)，一方面由于削低絕對(duì)加速度響應(yīng)的波峰，從而可以達(dá)到提高沖擊隔離效率的目的，另一方面由于在整個(gè)沖擊隔離過程中，在保證沖擊隔離效率的條件下使用了盡可能大的阻尼，因此最大限度地發(fā)揮了阻尼的耗能作用，大量沖擊能量被阻尼器耗散，使得沖擊響應(yīng)的相對(duì)位移幅值得到大大降低。其主要原理是對(duì)于單自由度消極隔沖系統(tǒng)，如附圖說明圖1所示。在基礎(chǔ)上施本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種在沖擊響應(yīng)過程中控制半主動(dòng)沖擊隔離器阻尼系數(shù)的變化，并在沖擊響應(yīng)的不同階段采取不同的阻尼系數(shù)控制策略，以提高沖擊隔離效率、降低相對(duì)位移幅值的半主動(dòng)沖擊隔離技術(shù)。其特征是硬件部分：本專利技術(shù)是由各種彈性元件、阻尼元件（包括由這兩者組成 的各種隔振器、減振器、沖擊隔離器等），與一個(gè)或多個(gè)阻尼系數(shù)可控的阻尼器件（如磁流變阻尼器、電流變阻尼器、可控節(jié)流孔的油阻尼器等）通過串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)組合方式組成可控阻尼的半主動(dòng)沖擊隔離器。由單片機(jī)、可編程控制器、計(jì)算機(jī)等各種智能器件；加速度、位移等傳感器；以及各種信號(hào)采樣、調(diào)理外圍電路等組成控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)通過控制電流、電壓等的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)可控阻尼器阻尼系數(shù)變化的控制。軟件部分：沖擊響應(yīng)過程中阻尼系數(shù)控制策略分為兩個(gè)階段。為描述方便，設(shè)沖擊開始時(shí)刻為ｔ↓［０］，沖擊 開始后的時(shí)刻依次為ｔ↓［１］、ｔ↓［２］、ｔ↓［３］……，相鄰時(shí)刻之間的時(shí)間間隔為Δｔ，Δｔ即為傳感器信號(hào)采樣和實(shí)施控制的最小時(shí)間單位。本專利技術(shù)中所述的絕對(duì)加速度指積極隔沖系統(tǒng)中的基礎(chǔ)或消極隔沖系統(tǒng)中的設(shè)備的絕對(duì)加速度；相對(duì)速度（或相對(duì)位移）指沖擊隔離系統(tǒng)中的基礎(chǔ)與設(shè)備之間的相對(duì)速度（或相對(duì)位移）。下面具體描述當(dāng)絕對(duì)加速度相位與相對(duì)速度相位相反時(shí)這兩個(gè)階段的阻尼系數(shù)控制策略。當(dāng)絕對(duì)加速度相位與相對(duì)速度相位相同時(shí)，只需把下述兩個(gè)階段的阻尼系數(shù)控制策略中的“降低”改為“提高 ”，“提高”改為“降低”，其它內(nèi)容保持不變。第一階段：實(shí)現(xiàn)并維持絕對(duì)加速度的可控性。設(shè)時(shí)刻ｔ（ｔ≥ｔ↓［０］）的阻尼系數(shù)為ｃ，阻尼比為ζ。如果ｔ的下一時(shí)刻（ｔ＋Δｔ）在ｃ基礎(chǔ)上繼續(xù)下降阻尼系數(shù)，將使（ｔ＋Δｔ）時(shí)刻的絕對(duì)加速度小于等 于ｔ時(shí)刻的絕對(duì)加速度，則稱ｔ時(shí)刻的絕對(duì)加速度是可控的。該階段采取的阻尼系數(shù)控制策略為：當(dāng)當(dāng)前時(shí)刻的絕對(duì)加速度具備上述的可控性時(shí)，提高阻尼系數(shù)；反之，則降低阻尼系數(shù)。第二階段：把絕對(duì)加速度控制在某個(gè)限值附近，即絕對(duì)加速度圍繞該限值作小 幅的波動(dòng)。該限值可以是某個(gè)定值，也可以是隨時(shí)間變化的量。設(shè)在時(shí)刻ｔ↓［ａ］時(shí)，絕對(duì)加速度達(dá)到設(shè)定的限值，ｔ↓［ａ］即為第二階段的開始時(shí)刻，也即第一階段的終止時(shí)刻。在該階段采取的阻尼系數(shù)控制策略為：當(dāng)當(dāng)前時(shí)刻絕對(duì)加速度小于該限值時(shí)，則提高阻尼系數(shù)；當(dāng)大于該限值時(shí)，則降低阻尼系數(shù)；當(dāng)?shù)扔谠撓拗禃r(shí)，則可以提高阻尼系數(shù)，也可以降低阻尼系數(shù)或保持阻尼系數(shù)不變。從而使絕對(duì)加速...

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：單明軍，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：單明軍，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：33[中國(guó)|浙江]