夏兆旺, 茅凱杰, 王雪濤, 姜文安, 楊紹普
(1. 江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003; 2. 江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程,江蘇 鎮(zhèn)江 212003; 3. 石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,石家莊 05004)
在海洋工程裝備領(lǐng)域,近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對油氣資源的需求越來越緊張,近海石油天然氣資源的開發(fā)越來越重要。海洋平臺(tái)作為海洋油氣資源開發(fā)的基礎(chǔ)性設(shè)施,是海上生產(chǎn)作業(yè)和生活的基地,其安全性至關(guān)重要。海洋平臺(tái)桁架結(jié)構(gòu)不可避免地會(huì)受到風(fēng)、海浪、洋流、甚至是冰地震荷載的聯(lián)合作用[1-2],由于長期處在這樣惡劣的外在環(huán)境中,導(dǎo)致海洋平臺(tái)桁架在使用過程中發(fā)生明顯的振動(dòng),從而加劇平臺(tái)的疲勞破壞,降低系統(tǒng)的可靠度,影響結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。海洋平臺(tái)的振動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)受到了越來越多的關(guān)注[3-4]。目前常采用的黏彈性阻尼減振技術(shù)[5],具有較好的減振效果,但由于減振裝置長期暴露在鹽霧和高強(qiáng)度的紫外線輻射下,黏彈性阻尼材料容易老化、失效,其使用壽命有限。
傳統(tǒng)的顆粒阻尼減振技術(shù)是一種新型的被動(dòng)阻尼技術(shù),具有減振頻帶寬、結(jié)構(gòu)簡單、抗老化、耐高溫高壓等優(yōu)點(diǎn)[6-8]。由于顆粒阻尼技術(shù)優(yōu)越的性能和在許多重要工程和尖端技術(shù)領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景,它受到各國政府和工業(yè)界的高度重視,并投入了巨大的財(cái)力和物力開展這方面的研究,美國軍方已將其列為最優(yōu)先的發(fā)展項(xiàng)目[9]。目前對顆粒阻尼技術(shù)的理論研究工作都集中在被動(dòng)顆粒阻尼技術(shù)[10-12],在近幾年的研究過程中,人們發(fā)現(xiàn)在低頻段顆粒阻尼技術(shù)的減振效果不是很好,另外被動(dòng)控制阻尼技術(shù)難以適應(yīng)復(fù)雜的外界環(huán)境載荷的變化。
本文將以磁場-顆粒阻尼半主動(dòng)桁架減振系統(tǒng)為研究對象,對其動(dòng)力學(xué)建模技術(shù)及其減振效果進(jìn)行研究。一方面通過半主動(dòng)控制有望解決被動(dòng)顆粒阻尼在低頻域段減振效果差的難點(diǎn),另一方面有望解決顆粒阻尼對復(fù)雜外界載荷的適應(yīng)性問題。探索磁場-顆粒阻尼減振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法;豐富惡劣環(huán)境下結(jié)構(gòu)的減振降噪方法。其工程意義在于:構(gòu)建一種能長期適應(yīng)航空航天、海洋平臺(tái)等惡劣環(huán)境的結(jié)構(gòu)減振降噪新方法,搭建磁場-顆粒阻尼減振技術(shù)的理論基礎(chǔ),具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
半主動(dòng)顆粒阻尼系統(tǒng)仿真算法主要是將顆粒的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)通過離散元編程求解,結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)通過有限元持續(xù)計(jì)算,通過二次開發(fā)將離散元持續(xù)嵌入有限元程序?qū)崿F(xiàn)仿真計(jì)算。帶半主動(dòng)顆粒阻尼桁架結(jié)構(gòu)的仿真算法,在課題組前期被動(dòng)顆粒阻尼仿真算法的基礎(chǔ)上,在模型中增加了顆粒在通電磁場中的作用力和半主動(dòng)控制算法。半主動(dòng)顆粒阻尼系統(tǒng)的仿真流程圖如圖1 所示。
圖1 半主動(dòng)顆粒阻尼桁架結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算流程圖Fig.1 Flow chart of the coupling simulation algorithm
顆粒體受磁場的作用力為[13]:
Fm=-Vm=(N·B)=(B·)N+
(N·)B+B(×N)+N(×B)
(1)
在穩(wěn)定的磁場環(huán)境中,磁力矩使得顆粒磁矩轉(zhuǎn)向與電磁場的方向相同。顆粒旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致顆粒間以及顆粒與孔壁間的相對運(yùn)動(dòng),系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芟牡簟?/p>
當(dāng)顆粒的磁矩與電磁場方向相同時(shí),磁場對顆粒的作用力可簡化為
Fm=-Vm=(m·B)=(m·)B=mB
(2)
式(2)說明顆粒的受力方向?yàn)榇艌鎏荻确较?,受力大小與磁場梯度成正比。均勻磁場中的磁場梯度是零,磁場對顆粒的作用力為零。
顆粒間的相互磁場作用力為:
(3)
式中:r是兩顆粒間的距離;r0是距離的單位向量,大于零表示斥力,小于零表示引力。
在恒定通電磁場中,圓柱形顆粒阻尼器內(nèi)不同層面顆粒間的磁偶極作用力為引力,同一層面內(nèi)顆粒間的磁偶極作用力為斥力。顆粒間作用力的強(qiáng)弱收通電電流強(qiáng)度影響,所以,可以通過改變電流強(qiáng)度改變顆粒阻尼器內(nèi)顆粒的壓力分布,控制顆粒阻尼器的阻尼性能。
在顆粒阻尼應(yīng)用系統(tǒng)的半主動(dòng)控制策略中,涉及到控制力如何用瞬時(shí)阻尼力實(shí)現(xiàn)的問題。由于顆粒阻尼力與勵(lì)磁電流、相對速度之間呈現(xiàn)出極為復(fù)雜的非線性關(guān)系,能否將阻尼力描述成關(guān)于系統(tǒng)狀態(tài)和可調(diào)參數(shù)的分離形式,目前未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。本文主要采用以下兩種控制策略對半主動(dòng)顆粒阻尼系統(tǒng)的振動(dòng)特性進(jìn)行分析。
1.2.1 開關(guān)控制策略
開關(guān)控制策略只需檢測系統(tǒng)狀態(tài),依據(jù)判斷條件進(jìn)行開關(guān)切換,通電電流只在給定的有限離散值之間切換。
電流對顆粒阻尼系統(tǒng)減振效果有影響,主要是因?yàn)殡娏饔绊懥祟w粒間的作用力,而顆粒間的作用力和系統(tǒng)中顆粒的平均速度及相對速度密切相關(guān),據(jù)此,采用如下開關(guān)控制策略:
(4)
1.2.2 改進(jìn)的開關(guān)控制策略
開關(guān)控制策略沒有考慮顆粒的接觸力因素,接觸力與相對位移密切相關(guān)。為此,改進(jìn)的開關(guān)控制策略為:
(5)
通過離散元法對系統(tǒng)中每個(gè)顆粒進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,分析每個(gè)顆粒對系統(tǒng)的作用力即可得到整個(gè)系統(tǒng)的受力特性,將顆粒對系統(tǒng)的作用力作為邊界條件載入到有限元模型進(jìn)行下一步分析。單個(gè)顆粒的受力由牛頓第二定律得到
(6)
式中:xi(t)為平動(dòng)位移; ∑F(t)為合力;mi為質(zhì)量; ∑M(t)為合力矩;θi(t)為角位移;Ii為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,由中心差分法可得t+Δt/2時(shí)刻顆粒的位移和速度
(7)
(8)
這樣,經(jīng)過Δt時(shí)間后顆粒i移動(dòng)到新位置, 計(jì)算顆粒受到的新的合力∑F(t+Δt/2)和合力矩∑M(t+Δt/2)后返回式(8)計(jì)算,對顆粒i循環(huán)計(jì)算即可得到其運(yùn)動(dòng)特性。
根據(jù)對半主動(dòng)顆粒阻尼系統(tǒng)的顆粒受力、控制策略的分析得到圖1所示的半主動(dòng)顆粒阻尼系統(tǒng)的仿真流程圖。
設(shè)計(jì)加工一個(gè)小型海洋平臺(tái)桁架結(jié)構(gòu),如圖2所示。其具體參數(shù)為:整體高度為900 mm,每300 mm高度設(shè)計(jì)一個(gè)平臺(tái);平臺(tái)1和平臺(tái)3用3 mm厚度碳鋼;平臺(tái)2用無銹鋼管,用于模擬桁架結(jié)構(gòu)。平臺(tái)結(jié)構(gòu)中采用?32×3的304型無銹鋼管作為桁架的主柱,采用?22×2的304型無銹鋼管作為桁架的加強(qiáng)管和結(jié)構(gòu)管。通過在平臺(tái)桁架結(jié)構(gòu)底層安裝電機(jī)激勵(lì),電機(jī)為90SZ55型微型直流伺服電動(dòng)機(jī),電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min,為增加激勵(lì),在電機(jī)上安裝偏心質(zhì)量塊。加速度傳感器用于測試電機(jī)基座底腳位置及各測點(diǎn)的加速度,測試分析系統(tǒng)采用北京東方振動(dòng)噪聲研究所的DASP振動(dòng)噪聲采集分析系統(tǒng)。
本文主要研究半主動(dòng)顆粒阻尼器的控制電流、顆粒直徑、填充率、顆粒密度和控制策略(開關(guān)控制和改進(jìn)的開關(guān)控制)對海洋平臺(tái)桁架結(jié)構(gòu)減振特性的影響規(guī)律。試驗(yàn)中顆粒阻尼器采用塑料材料,其內(nèi)徑為70 mm,纏繞通電導(dǎo)線8 000圈,安裝形式和位置如圖2所示。
圖2 帶顆粒阻尼器的桁架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Photograph of experimental test
顆粒阻尼器中填充不同直徑的鋼球顆粒,鋼球的密度為7 800 kg/m3,顆粒填充率分別為:0~100%,步長10%;填充的顆粒直徑分別為:0.1 mm、0.3 mm、0.5 mm、0.8 mm、1 mm、1.2 mm、1.5 mm、1.8 mm、2 mm、2.2 mm和3 mm;控制電流分別為:0.1 A~1.0 A,步長0.1 A;不同密度的顆粒材料分別為:鋁合金顆粒2 600 kg/m3,鋼球密度7 800 kg/m3,鉛球顆粒11 300 kg/m3,碳化鎢顆粒14 800 kg/m3。C點(diǎn)代表基座的振動(dòng),A和B點(diǎn)代表結(jié)構(gòu)的振動(dòng),通過C點(diǎn)到A、B點(diǎn)的振動(dòng)傳遞率分析桁架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。
顆粒阻尼對海洋平臺(tái)桁架結(jié)構(gòu)振動(dòng)性能的影響如圖3所示,圖中曲線為A點(diǎn)的振動(dòng)傳遞特性曲線,從圖3中可以看出:填充顆粒阻尼后,從電機(jī)傳遞到平臺(tái)上的振動(dòng)衰減明顯,說明顆粒阻尼有較好的減振效果。下面將詳細(xì)分析顆粒阻尼各主要參數(shù)對海洋平臺(tái)桁架結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的影響規(guī)律。
在桁架平臺(tái)結(jié)構(gòu)上安裝兩個(gè)半主動(dòng)顆粒阻尼器,當(dāng)顆粒填充率為70%,填充顆粒直徑為0.1 mm鋼球,顆粒阻尼器通電線圈數(shù)為8 000圈,電流分別為0 A和0.7 A時(shí),桁架結(jié)構(gòu)A點(diǎn)的振動(dòng)傳遞率的試驗(yàn)與仿真結(jié)果分別如圖4和圖5所示。
從圖4和圖5中可以看出:顆粒阻尼器通電流和不通電流兩種情況下,桁架平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞率的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致,說明本文采用的有限元-離散元耦合仿真方法是可行的。
圖3 顆粒阻尼對桁架結(jié)構(gòu)振動(dòng)性能的影響Fig.3 Effects of particle damper on truss structure vibrations
圖4 電流為0 A時(shí)桁架的振動(dòng)傳遞特性曲線Fig.4 Comparison between experimental and calculated results for truss structure with 0 A current
圖5 電流為0.7 A時(shí)桁架的振動(dòng)傳遞特性曲線Fig.5 Comparison between experimental and calculated results for truss structure with 0.7 A current
在桁架平臺(tái)結(jié)構(gòu)上安裝兩個(gè)半主動(dòng)顆粒阻尼器,當(dāng)顆粒填充率為70%,填充顆粒直徑為0.1 mm鋼球,顆粒阻尼器通電線圈數(shù)為8 000圈時(shí),桁架平臺(tái)結(jié)構(gòu)A點(diǎn)的振動(dòng)傳遞曲線如圖6所示,各點(diǎn)振動(dòng)特性隨控制電流(0~1 A)的變化規(guī)律如圖7所示。從圖中可以看出:在0~200 Hz范圍內(nèi),隨著控制電流的增加,桁架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)傳遞率降低,系統(tǒng)的減振效果變好;在200~400 Hz范圍內(nèi),控制電流的變化對系統(tǒng)減振效果的影響不穩(wěn)定,其主要原因是:振動(dòng)頻率較高時(shí),顆粒運(yùn)動(dòng)更激烈,顆粒之間的碰撞力更大,顆粒運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定性更強(qiáng)導(dǎo)致其減振效果不確定性更強(qiáng);隨著電流的增加,A點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)的振動(dòng)傳遞率都減小,其變化規(guī)律相近,當(dāng)電流增加到0.5 A以上時(shí),電流的增加對振動(dòng)傳遞率得影響變小。
圖6 控制電流對A 測點(diǎn)振動(dòng)傳遞率的影響Fig.6 Vibration transfer rate of the A measuring points versus current
圖7 控制電流對不同測點(diǎn)振動(dòng)傳遞率的影響Fig.7 Vibration transfer rate of different measuring points versus current
填充顆粒材料為鋼球,顆粒填充率為70%,海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞率隨顆粒直徑的變化規(guī)律如圖8和9所示(圖8中為了圖形清晰,只列出其中4種顆粒直徑的頻域響應(yīng)曲線,下同)。從圖9中可以看出:隨著顆粒直徑的增加,桁架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)傳遞率逐漸降低,系統(tǒng)的減振效果變好;在250~400 Hz范圍內(nèi),顆粒直徑對振動(dòng)傳遞率的影響明顯,主要是因?yàn)檩^高激勵(lì)頻率使得顆粒振動(dòng)更加劇烈,直徑越大的顆粒能量越大,在相互碰撞和摩擦過程中消耗的能量越多,系統(tǒng)的減振效果越好。從圖9中可以看出:起始階段的顆粒直徑的變化對系統(tǒng)傳遞率的影響明顯,當(dāng)顆粒直徑達(dá)到1 mm時(shí),顆粒直徑的增加對系統(tǒng)振動(dòng)傳遞率的影響很小。
圖8 顆粒直徑對A 測點(diǎn)振動(dòng)傳遞率的影響Fig.8 Vibration transfer rate of the A measuring points versus particle diameter
圖9 顆粒直徑對不同測點(diǎn)振動(dòng)傳遞率的影響Fig.9 Vibration transfer rate of different measuring points versus particle diameter
填充顆粒為鋼球顆粒,顆粒直徑為0.1 mm,海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞率隨顆粒填充率的變化規(guī)律如圖10和11所示。從圖中可以看出:隨著填充率的增加,系統(tǒng)的減振效果先變好后變差,當(dāng)填充率達(dá)到80%左右時(shí),系統(tǒng)的減振效果最好,平均振動(dòng)傳遞率比無顆粒阻尼器時(shí)最大降低了18.2 dB;當(dāng)填充率達(dá)到100%時(shí),系統(tǒng)的減振效果大大降低,主要因?yàn)榭浊恢蓄w粒的運(yùn)動(dòng)受限制,沒有碰撞耗能,只通過顆粒之間的摩擦消耗部分能量,所以100%填充率時(shí)系統(tǒng)的平均振動(dòng)傳遞率仍然比無顆粒時(shí)系統(tǒng)的平均傳遞率降低了1.2 dB。顆粒填充率是決定顆粒阻尼減振效果的重要因素,是決定顆粒阻尼減振裝置減振效果的主要參數(shù)。
圖10 顆粒填充率對A 測點(diǎn)振動(dòng)傳遞率的影響Fig.10 Vibration transfer rate of the A measuring points versus filling ratio
圖11 顆粒填充率對不同測點(diǎn)振動(dòng)傳遞率的影響Fig.11 Vibration transfer rate of different measuring points versus filling ratio
顆粒填充率為70% , 顆粒直徑為0.1 mm,海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞率隨填充顆粒密度的變化規(guī)律如圖12 和13 所示。從圖中可以看出:在整個(gè)頻率范圍內(nèi),系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞率都隨顆粒密度的增加而降低,密度越大系統(tǒng)的減振效果越好;密度從鋁合金顆粒到鋼球顆粒(2.2~7.8×103kg/m3)時(shí),系統(tǒng)減振效果變化明顯,當(dāng)密度達(dá)到一定程度時(shí)顆粒密度的變化對系統(tǒng)減振效果影響不大;填充密度較大的碳化鎢顆粒時(shí),A 測點(diǎn)、B測點(diǎn)和C 測點(diǎn)的振動(dòng)傳遞率比填充鋁合金時(shí)的振動(dòng)傳遞率分別降低了15.4 dB、11.5 dB 和10.1 dB。說明在選擇填充顆粒時(shí)應(yīng)盡可能選擇密度較大的金屬顆粒,以提高系統(tǒng)的減振效果。
圖12 顆粒密度對A 測點(diǎn)振動(dòng)傳遞率的影響Fig.12 Vibration transfer rate of the A measuring points versus density
圖13 顆粒密度對不同測點(diǎn)振動(dòng)傳遞率的影響Fig.13 Vibration transfer rate of different measuring points versus density
在桁架結(jié)構(gòu)上安裝兩個(gè)顆粒阻尼器,顆粒填充率為70%,填充顆粒直徑為0.2 mm鋼球,通電線圈數(shù)為8 000圈。分別采用的被動(dòng)控制(電流為0.6 A)、開關(guān)控制策略和改進(jìn)的開關(guān)控制策略(電流在0 A和0.6 A之間切換)。
桁架平臺(tái)結(jié)構(gòu)A點(diǎn)和B點(diǎn)的振動(dòng)傳遞曲線分別如圖14和圖15所示,從圖中可以看出:對于A 測點(diǎn)的振動(dòng)傳遞率改進(jìn)的開關(guān)控制策略在各個(gè)頻率段均明顯優(yōu)于開關(guān)控制策略,整個(gè)頻率范圍內(nèi)振動(dòng)傳遞率降低了5.7 dB;對于B測點(diǎn)的振動(dòng)傳遞率改進(jìn)的開關(guān)控制策略總體上優(yōu)于開關(guān)控制策略,但是不太明顯,而且在200 Hz 附近開關(guān)控制策略下桁架平臺(tái)結(jié)構(gòu)的減振效果更好;A測點(diǎn)和B測點(diǎn)采用兩種半主動(dòng)控制策略桁架平臺(tái)結(jié)構(gòu)的減振效果總體上好于被動(dòng)控制,但在100 Hz 以內(nèi)采用半主動(dòng)控制策略桁架平臺(tái)結(jié)構(gòu)的減振效果變化不明顯;A、B兩點(diǎn)的振動(dòng)由結(jié)構(gòu)各階振動(dòng)按不同比例組成,不同的控制策略對桁架結(jié)構(gòu)上A、B兩點(diǎn)振動(dòng)傳遞率的影響規(guī)律不同,說明不同控制策略對各階振動(dòng)的影響規(guī)律不同。如果控制策略對某階振動(dòng)影響明顯,而該階振動(dòng)又是測點(diǎn)的主要振動(dòng)成分,則這個(gè)控制策略對改測點(diǎn)的振動(dòng)影響明顯。
圖14 控制策略對A 測點(diǎn)振動(dòng)傳遞率的影響Fig.14 Vibration transfer rate of the A measuring points versus control strategy
圖15 控制策略對B 測點(diǎn)振動(dòng)傳遞率的影響Fig.15 Vibration transfer rate of the B measuring points versus control strategy
本文采用基于離散元-有限元法的耦合仿真算法研究了半主動(dòng)顆粒阻尼器海洋平臺(tái)桁架結(jié)構(gòu)的減振特性,分析了各種參數(shù)對其減振性能的影響,得到以下主要結(jié)論:
(1) 顆粒阻尼對桁架平臺(tái)結(jié)構(gòu)具有明顯的減振效果,相比無顆粒阻尼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)其振動(dòng)傳遞率最高降幅為18.2 dB。
(2) 顆粒直徑的變化對桁架平臺(tái)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響相對較低,填充直徑1 mm、2 mm、3 mm顆粒的桁架平臺(tái)結(jié)構(gòu)的平均振動(dòng)傳遞率分別比填充直徑0.1 mm顆粒的桁架結(jié)構(gòu)降低了2.4 dB、3.2 dB、3.6 dB。
(3) 隨著填充率的增加桁架平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)先降低后增加,在顆粒填充率為80%左右時(shí),系統(tǒng)的減振效果最好,填充率為100%時(shí)顆粒阻尼仍然有一定的減振效果。
(4) 顆粒密度越大系統(tǒng)的減振效果越好,填充密度較大的碳化鎢顆粒比填充鋼球顆粒的振動(dòng)傳遞率降低了5.6 dB,填充密度較大的顆粒各測點(diǎn)的振動(dòng)均有不同程度的降低。
(5) 顆粒阻尼桁架平臺(tái)結(jié)構(gòu)采用改進(jìn)的開關(guān)控制策略的減振效果要優(yōu)于采用開關(guān)控制的減振效果,但是控制策略對不同測點(diǎn)振動(dòng)傳遞率的影響差別較大;采用兩種半主動(dòng)控制策略桁架平臺(tái)結(jié)構(gòu)的減振效果總體上好于被動(dòng)控制,但在100 Hz以內(nèi)采用半主動(dòng)控制策略桁架平臺(tái)結(jié)構(gòu)的減振效果有限。
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