崔泰毓, 張 雷, 賈學(xué)志, 魏 磊
(1. 中國科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,長(zhǎng)春 130032;2. 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049; 3. 長(zhǎng)光衛(wèi)星技術(shù)有限公司,長(zhǎng)春 130031)
在發(fā)射階段,衛(wèi)星會(huì)經(jīng)歷運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火,火工品爆炸等一系列沖擊激勵(lì)。對(duì)于光學(xué)遙感載荷而言,這種過度振動(dòng)可能會(huì)使高度輕量化的光學(xué)部件產(chǎn)成不良影響甚至永久破壞。在航天器振動(dòng)抑制領(lǐng)域,非線性能量阱吸振器以其以其振動(dòng)能量耗散效率高,魯棒性好和質(zhì)量小的特點(diǎn)[1-2],已越來越多的被應(yīng)用于航天設(shè)備振動(dòng)抑制中[3-6]。非線性能量阱(nonlinear energy sinks,NES)是一種被動(dòng)減振設(shè)備,它附加在主結(jié)構(gòu)(即振動(dòng)抑制對(duì)象)上,通過能量定向傳遞現(xiàn)象(target energy transfer,TET)對(duì)主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量進(jìn)行高效的吸收和耗散。
能量定向轉(zhuǎn)移是指一定條件下,主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量可以向NES高效,單向傳遞的現(xiàn)象。這是NES實(shí)現(xiàn)振動(dòng)抑制的主要原因,故研究NES觸發(fā)TET的參數(shù)條件一直是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。Vakakis[1]最早發(fā)現(xiàn)帶有立方剛度的NES受初始沖擊載荷大于某個(gè)臨界值時(shí),系統(tǒng)中才會(huì)發(fā)生TET。Gendelman等[7]和Lee等[8]研究了NES和主結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比對(duì)系統(tǒng)TET的影響,研究證明NES需要在質(zhì)量比足夠小的情況下才能發(fā)生TET。Shiroky等[9]引入了復(fù)變平均法,通過系統(tǒng)的慢變方程來研究非線性剛度對(duì)NES振動(dòng)抑制效率的影響,結(jié)果說明合理的非線性剛度能提升NES吸振效率。熊懷等[10-11]研究阻尼對(duì)NES振動(dòng)抑制的影響,推導(dǎo)了系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)TET的最小阻尼。
上述研究對(duì)象都是具有立方剛度的NES,但在工程應(yīng)用中,完美的立方剛度難以實(shí)現(xiàn),為了使NES更具有工程應(yīng)用價(jià)值,帶有分段線性剛度的NES以其易實(shí)現(xiàn),易調(diào)節(jié)等特點(diǎn)逐漸被學(xué)者們所關(guān)注。Lamarque等[12-13]通過半解析半數(shù)值的方法研究了分段線性剛度NES,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中兩振子能量關(guān)系與立方剛度類似,能夠?qū)崿F(xiàn)TET現(xiàn)象。目前,尚未有研究直接針對(duì)分段線性剛度NES振動(dòng)抑制效果進(jìn)行優(yōu)化,但參考立方剛度能量阱的研究經(jīng)驗(yàn),參數(shù)優(yōu)化會(huì)使NES性能有顯著提升,故對(duì)分段線性剛度NES參數(shù)優(yōu)化研究是有必要的。
本文研究沖擊載荷下分段線性剛度能量阱的能量傳遞特性及參數(shù)優(yōu)化。本文首先通過復(fù)變平均法推導(dǎo)了表示系統(tǒng)能量關(guān)系的慢變方程;得到了慢不變流形極值點(diǎn)的近似表達(dá)式;建立了以NES的能量耗散效率為目標(biāo)的優(yōu)化模型;最后搭建了懸臂梁振動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)上述模型所的參數(shù)有有效性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
光學(xué)載荷上某敏感部件的振動(dòng)抑制模型可簡(jiǎn)化為如圖1所示的二自由度系統(tǒng),該系統(tǒng)由一個(gè)具有線性剛度的單自由度主結(jié)構(gòu)和分段線性剛度能量阱組成。
圖1 耦合非線性能量阱的系統(tǒng)模型Fig.1 Mechanical model coupled NES
該系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程表示為
(1)
圖2 分段線性剛度Fig.2 Piecewise linear stiffness
(2)
式中:z=x1-x2為兩振子相對(duì)位移;a0為彈簧剛度間隙。
式(1)可簡(jiǎn)化為
(3)
為計(jì)算兩振子能量,引入如下變換
(4)
則式(3)化為
(5)
為了分析上述動(dòng)力學(xué)模型中NES觸發(fā)TET的條件,我們需要分析系統(tǒng)的能量傳遞特性,但式(5)由于非線性剛度項(xiàng)F2(z)的存在,難以直接求出精確的解析解,這里本文應(yīng)用復(fù)變平均法求解系統(tǒng)能量的近似解析表達(dá)式。復(fù)變平均法是Gendelman等提出用于求解非線性動(dòng)力系統(tǒng)的近似計(jì)算方法,該方法通過推導(dǎo)原系統(tǒng)的慢變方程得到能量傳遞關(guān)系和能量耗散的近似解。
應(yīng)用復(fù)變平均法首先要引入復(fù)變量
(6)
式中:i虛數(shù)單位;ω0為系統(tǒng)主結(jié)構(gòu)的固有頻率,由于1∶1內(nèi)共振在能量傳遞中占據(jù)主導(dǎo)地位,本文主要針對(duì)1∶1內(nèi)共振引起的能量傳遞,故虛部系數(shù)為ω0,若要考慮1∶3,1∶5等情況,虛部對(duì)應(yīng)取3ω0,5ω0等。
將式(5)代入式(6)中,并消去久期項(xiàng)得
(7)
(8)
Gendelman[14]曾證明式(8)可化為
(9)
其中,
(10)
將系統(tǒng)的復(fù)變量方程式(7)進(jìn)行如下多尺度展開,取一次近似
(11)
λ1ε(φ10+εφ11)-λ2ε(φ20+εφ21)-
iω0ε(φ20+εφ21)G(|φ21|2)=0
(12)
iεω0(φ10+εφ11)+iεω0(φ20+εφ21)G(|φ21|2)+
ελ2(φ20+εφ21)-iεω0(φ20+εφ21)=0
(13)
系統(tǒng)ε0和ε1系數(shù)分別對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)快變部分和慢變部分,其中式(12)和式(13)的快變部分為
(14)
iω0φ20=0
(15)
式(12)消去久期項(xiàng)后,慢變部分為
(16)
由復(fù)極坐標(biāo)表示復(fù)變量φ10,φ20
(17)
將式(17)代入慢變部分式(16)中,分離實(shí)部和虛部后得
(18)
將式(17)代入快變部分式(15)中得
(19)
由上式可得
(20)
其中,
(21)
(22)
式(22)第一式表示慢變系統(tǒng)主結(jié)構(gòu)能量耗散速率,可以看出其僅與兩振子能量和阻尼大小有關(guān)。
式(22)第二式表示慢變系統(tǒng)中兩振子的振動(dòng)能量傳遞關(guān)系,該式不顯含時(shí)間,僅與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān),也就是說在沖擊載荷下,系統(tǒng)是否能發(fā)生TET現(xiàn)象是由主結(jié)構(gòu)與NES結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的。
繪出式(22)的慢不變流形圖,如圖3所示,圖中實(shí)線為穩(wěn)定分支,虛線為不穩(wěn)定分支,H,L為不穩(wěn)定點(diǎn),這與立方剛度非線性能量阱推導(dǎo)得到的形式相同。通過龍格-庫塔法得到式(3)數(shù)值解如圖4所示,當(dāng)小參數(shù)ε足夠小時(shí),系統(tǒng)的振動(dòng)能量會(huì)沿著慢不變流形流動(dòng)。由于存在不穩(wěn)定分支,系統(tǒng)能量會(huì)發(fā)生跳躍,也就是產(chǎn)生TET現(xiàn)象。圖中參數(shù)ε=0.001,ω0=5,k=32,a0=3,λ1=0,λ2=5,下文分析中若無特殊說明均為此參數(shù)條件。
不穩(wěn)定點(diǎn)H,L對(duì)應(yīng)慢不變流形中的兩極值點(diǎn),慢不變流形的不穩(wěn)定點(diǎn)是否存在對(duì)系統(tǒng)是否能夠觸發(fā)TET有重要影響[15]。
圖3 系統(tǒng)慢不變流形Fig.3 Slow invariant manifold of system
圖4 慢不變流形與數(shù)值解對(duì)比Fig.4 Comparison between slow invariant manifold and numerical solutions
能夠觸發(fā)TET的慢不變流形如圖5所示,在給定的初始條件x1(0)=4情況下,當(dāng)系統(tǒng)初始能量大于,不穩(wěn)定點(diǎn)H時(shí),兩振子的振動(dòng)能量會(huì)迅速得從初始位置移動(dòng)到系統(tǒng)慢不變流形的穩(wěn)定分支2上,并沿著該曲線緩慢移動(dòng)到不穩(wěn)定點(diǎn)L,之后振動(dòng)能量迅速的跳躍到穩(wěn)定分支1,并沿著該分支緩慢耗散至0。
圖5 觸發(fā)TET的慢不變流形Fig.5 Slow invariant manifold of systemthat can trigger TET
系統(tǒng)不能觸發(fā)TET分為兩種情況:①慢不變流形無不穩(wěn)定分支;②外激勵(lì)幅值過小。
當(dāng)k=24時(shí),慢不變流形無不穩(wěn)定分支的情況如圖6所示。此時(shí),系統(tǒng)無不穩(wěn)定分支,振動(dòng)能量會(huì)直接移動(dòng)到穩(wěn)定流形上,沿著該流形緩慢移動(dòng)到0,不會(huì)發(fā)生跳躍,系統(tǒng)不發(fā)生TET。
圖6 觸發(fā)TET的慢不變流形Fig.6 Slow invariant manifold of system that can not trigger TET
外激勵(lì)過小的情況如圖7所示,此時(shí)系統(tǒng)雖然有不穩(wěn)定區(qū)間,但兩振子初始振動(dòng)能量無法到達(dá)穩(wěn)定流形2,會(huì)直接沿著穩(wěn)定流形1緩慢耗散,不會(huì)發(fā)生跳躍,此時(shí)系統(tǒng)不發(fā)生TET。故系統(tǒng)的初始能量需要大于不穩(wěn)定點(diǎn)L縱坐標(biāo)E1+,NES才會(huì)有吸振效果。
圖7 外激勵(lì)過小無法觸發(fā)TET的情況Fig.7 The case that the excitation is too small to trigger TET
初始條件x1(0)=4 時(shí),主結(jié)構(gòu)時(shí)域響應(yīng)如圖8所示,理想情況下,系統(tǒng)振動(dòng)能量都應(yīng)在慢不變流形圖的穩(wěn)定分支2消耗。但我們可以觀察到,當(dāng)不穩(wěn)定點(diǎn)L的縱坐標(biāo)E1-不為零時(shí),有部分振動(dòng)能量從穩(wěn)定分支1跳躍回穩(wěn)定分支2,這部分返還的能量無法通過NES的阻尼進(jìn)行消耗,會(huì)對(duì)吸振效果產(chǎn)生不利影響。故在設(shè)計(jì)NES時(shí),應(yīng)使不穩(wěn)定點(diǎn)L縱坐標(biāo)越小越好。
圖8 觸發(fā)TET情況下主結(jié)構(gòu)加速度時(shí)域響應(yīng)Fig.8 Time domain response of acceleration of main structure under the condition of triggering TET
由圖8可知,當(dāng)系統(tǒng)振動(dòng)能量處于穩(wěn)定分支2時(shí)的主結(jié)構(gòu)的能量耗散速率最高,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于穩(wěn)定分支1和穩(wěn)定分支2的能量耗散速度。根據(jù)式(22)第一式可知,在主結(jié)構(gòu)阻尼較小的情況下,系統(tǒng)能量耗散速率主要取決于NES的阻尼和E2的大小。增大不定點(diǎn)L的橫坐標(biāo)E2+會(huì)使系統(tǒng)在穩(wěn)定分支2和不穩(wěn)定區(qū)間的能量耗散效率隨之增大。不同E2所對(duì)應(yīng)系統(tǒng)能量耗散率隨時(shí)間的變化曲線,如圖9所示。可見不穩(wěn)定點(diǎn)L橫坐標(biāo)E2+越大,系統(tǒng)能量耗散效率越高。
圖9 系統(tǒng)能量耗散率與E2+的關(guān)系Fig.9 The relationship between the energy dissipation rate of the system and E2+
系統(tǒng)慢不變流形的極值點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)是否能夠觸發(fā)TET有著重要影響,故求解極值點(diǎn)坐標(biāo)是有助于NES的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì),本文通過多項(xiàng)式近似替換的方法,推導(dǎo)極值點(diǎn)坐標(biāo)的近似表達(dá)式。
(23)
則式(20)第二式化為
(24)
式(24)對(duì)Y的一階導(dǎo)數(shù)為
式(25)第一式僅在a0=0時(shí)其值為0,故非線性振子振幅小于剛度間隙時(shí),不可能出現(xiàn)TET現(xiàn)象。
令式(25)第二式右端為0得
4k2arccos2(Y)=0
(26)
當(dāng)式(26)有兩個(gè)解時(shí),式(24)存在兩個(gè)極值點(diǎn),滿足系統(tǒng)能夠發(fā)生TET的必要條件,令h=arccos(Y),上式進(jìn)一步化簡(jiǎn)為
(28)
式中,z為與主結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的常量,則式(24)存在兩個(gè)極值點(diǎn)的條件為
(29)
滿足上式條件時(shí),兩極值點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)表達(dá)式E2-,E2+如式(30)所示
(30)
將上式代入式(24)中可得到兩極值點(diǎn)縱坐標(biāo)E1-,E1+,兩極值點(diǎn)坐標(biāo)。
式(22)通過數(shù)值方法易于得到極值點(diǎn)坐標(biāo)E2N±,與近似表達(dá)式(30)的相對(duì)誤差為
(31)
如圖10所示,z取0.09時(shí)統(tǒng)計(jì)得到表達(dá)式相對(duì)誤差均值不超過5%,說明上述表達(dá)式的精度能滿足工程應(yīng)用的需要。
圖10 極值點(diǎn)近似表達(dá)式的誤差Fig.10 The error of the approximate expression of extreme point
NES的能量和阻尼系數(shù)對(duì)系統(tǒng)能量耗散其主要作用,由式(22)第一式可知,NES能量越大,能量耗散速率越高,這可以描述為極小值點(diǎn)L橫坐標(biāo)E2+越大,系統(tǒng)能量耗散效率越高,如圖6所示,其函數(shù)表達(dá)式為
min -E2+(a0,k,λ2)=
(32)
3.2節(jié)的能量傳遞和耗散分析結(jié)果可知,為減少NES返還給主結(jié)構(gòu)的能量,E1-應(yīng)盡量降低。但由式(24)可知,只有當(dāng)NES阻尼為0時(shí)E1-才可能為0,這種情況下振動(dòng)能量會(huì)在兩振子間完全的相互傳遞,無法耗散。本文優(yōu)化目標(biāo)以提高能量的耗散效率為主,為了同時(shí)兼顧能量傳回的情況,將E1-作為優(yōu)化模型的邊界條件,設(shè)計(jì)時(shí)需要確定一個(gè)允許的能量回傳的值即的E1-上限Ef,以放寬邊界條件對(duì)NES阻尼λ2的限制。式(30)代入式(24)中得到函數(shù)E1-約束條件的表達(dá)式為
(33)
式中:hE2+為極小值點(diǎn)處的h值;Ef為可以接受的NES返還主結(jié)構(gòu)的能量。
式(22)第二式存在兩個(gè)極值點(diǎn)的約束條件
p>0
(34)
由于E1+與E2+相互耦合,觸發(fā)TET的閥值E1+設(shè)計(jì)過小可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)耗散速率降低,在設(shè)計(jì)時(shí)首先需要估計(jì)NES工作時(shí)受外激勵(lì)的范圍,然后根據(jù)外激勵(lì)的下限El進(jìn)行設(shè)計(jì),確保NES在外激勵(lì)的范圍內(nèi)都能夠有效工作
(35)
一般情況下ω0和λ1由主結(jié)構(gòu)給定,其余約束條件有
(36)
綜上所述,該優(yōu)化模型為
minf(a0,k,λ2)=-E2+(a0,k,λ2)
s.t.p>0
E1- E1+ (37) 通過質(zhì)量感應(yīng)法測(cè)得某空間光學(xué)載荷次鏡處的等效單自由度主結(jié)構(gòu)參數(shù),如表1所示。 表1 主結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Main structure parameter 為對(duì)上述優(yōu)化模型進(jìn)行求解,本文選用隨機(jī)搜索法對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化,隨機(jī)搜索算法的工作方式是先產(chǎn)生一族隨機(jī)初始點(diǎn),然后從每個(gè)初始點(diǎn)用一個(gè)局部?jī)?yōu)化方法收斂到一個(gè)局部極小值,最佳局部極小值被選為問題的解。 根據(jù)空間光學(xué)載荷振動(dòng)抑制的實(shí)際要求取Ef=0.03,El=0.5,z=0.082,通過數(shù)值非線性最優(yōu)化對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化。表2給出了優(yōu)化變量的取值范圍和和優(yōu)化值。 表2 變量取值與優(yōu)化結(jié)果Tab.2 Optimal and original parameter values 通過龍格-庫塔數(shù)值方法計(jì)算參數(shù)優(yōu)化前后主結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng),如圖11所示,系統(tǒng)能量耗散效率明顯增大。結(jié)果表明本文所用的優(yōu)化變量,目標(biāo),方法基本可行,優(yōu)化效果比較明顯。 圖11 優(yōu)化前后主結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)Fig.11 Acceleration response of main structure before and after optimization 為驗(yàn)證分段線性剛度能量阱對(duì)空間光學(xué)相機(jī)的振動(dòng)抑制效果,本文為根據(jù)上述優(yōu)化結(jié)果,設(shè)計(jì)了分段線性剛度能量阱原理樣機(jī),如圖12所示。將其安裝于空間光學(xué)遙感載荷,并在沖擊激勵(lì)工況下對(duì)分段性剛度能量阱的振動(dòng)抑制效果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。 本文通過力錘錘擊的方法對(duì)空間相機(jī)施加沖擊載荷,以空間相機(jī)次鏡處加速度響應(yīng)衰減至90%所用時(shí)間作為判斷指標(biāo),對(duì)分段線性剛度能量阱振動(dòng)抑制效果進(jìn)行試驗(yàn),NES實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。由于加工條件限制,剛度間隙a0取0.4 mm為最優(yōu)值,并設(shè)置a0取0.2 mm進(jìn)行對(duì)比。 圖12 分段線性剛度能量阱機(jī)械結(jié)構(gòu)圖Fig.12 Mechanical structure of nonlinear energy sinks with piecewise linear stiffness 表3 分段線性剛度NES參數(shù)Tab.3 Parameter of piecewise linear stiffness NES 搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖13所示,分段線性剛度能量阱安裝于空間相機(jī)次鏡背板處,空間相機(jī)連接振動(dòng)工裝安裝于基座上。沖擊傳感器安裝錘擊點(diǎn)附近,方向與激勵(lì)方向相同。沖擊傳感器信號(hào)由模態(tài)儀采集,力錘施加沖擊載荷峰值為450 N,沖擊激勵(lì)輸入如圖14所示。 圖13 沖擊激勵(lì)工況振動(dòng)試驗(yàn)Fig.13 Impact excitation test of NES 圖14 沖擊激勵(lì)輸入條件Fig.14 Impact excitation condition 圖15 沖擊載荷下測(cè)試點(diǎn)加速度響應(yīng)Fig.15 Acceleration response of test point under impact load 次鏡處加速度響應(yīng)衰減至90%時(shí)所用時(shí)間,如表4所示。實(shí)驗(yàn)表明,安裝分段線性剛度能量阱后,測(cè)試點(diǎn)的振動(dòng)能量耗散速率有所提高,而當(dāng)NES參數(shù)為優(yōu)化值時(shí),較未安裝NES時(shí)主結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)衰減至90%時(shí)所用時(shí)間減少33.2%,較非最優(yōu)化參數(shù)減少了26.9%。 表4 沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.4 The results of the impact test 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,根據(jù)本文優(yōu)化方法所選擇的NES參數(shù)有效,NES結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后,系統(tǒng)能量耗散效率較未優(yōu)化有明顯提升。實(shí)現(xiàn)了通過安裝分段線性剛度能量阱提升系統(tǒng)振動(dòng)能量耗散效率的目的。 本文通過復(fù)變平均法推導(dǎo)了分段線性剛度能量阱的慢變方程,研究得到系統(tǒng)慢不變流形極值點(diǎn)坐標(biāo)的近似表達(dá)式,以此建立了分段線性剛度能量阱吸振效率的優(yōu)化模型,并針對(duì)某空間光學(xué)載荷進(jìn)行了分段線性剛度NES的振動(dòng)抑制實(shí)驗(yàn),研究結(jié)果表明: (1)沖擊激勵(lì)下,分段剛度能量阱慢不變流形和立方剛度能量阱類似,不穩(wěn)定分支是否存在對(duì)系統(tǒng)能否觸發(fā)TET有重要影響。 (2)通過多項(xiàng)式近似替代可以得到極值點(diǎn)的近似表達(dá)式,經(jīng)過與數(shù)值方法對(duì)比,該表達(dá)式進(jìn)度較高,能夠滿足工程應(yīng)用的需要。 (3)根據(jù)極值點(diǎn)的近似表達(dá)式構(gòu)建了NES吸振效率的優(yōu)化模型,并對(duì)某空間剛光學(xué)載荷的分段線性剛度NES進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化后系統(tǒng)達(dá)到90%能量耗散率所用時(shí)間降低了35.5%,較非最優(yōu)化參數(shù)降低了26.9%。,NES結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后,系統(tǒng)能量耗散效率較未優(yōu)化有明顯提升,證明了本文所建立的優(yōu)化模型是合理的。 由于機(jī)械制造等限制,本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果未能完全達(dá)到參數(shù)的最優(yōu)值,將會(huì)繼續(xù)改進(jìn)分段線性剛度能量阱機(jī)械結(jié)構(gòu)的進(jìn)行研究和改進(jìn)。3.5 優(yōu)化結(jié)果及數(shù)值仿真
4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
5 結(jié) 論