[發(fā)明專利]一種用于輸流管振動控制的被動振動控制器設(shè)計與優(yōu)化方法有效
| 申請?zhí)枺?/td> | 201710394133.5 | 申請日： | 2017-05-31 |
| 公開（公告）號： | CN107169220B | 公開（公告）日： | 2019-10-29 |
| 發(fā)明（設(shè)計）人： | 段楠;孫希明;杜憲;李玉鵬;仲崇權(quán) | 申請（專利權(quán)）人： | 大連理工大學(xué) |
| 主分類號： | G06F17/50 | 分類號： | G06F17/50 |
| 代理公司： | 大連理工大學(xué)專利中心 21200 | 代理人： | 溫福雪;侯明遠(yuǎn) |
| 地址： | 116024 遼*** | 國省代碼： | 遼寧;21 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 一種 用于 流管 振動 控制 被動 控制器 設(shè)計 優(yōu)化 方法 | ||
一種用于輸流管振動控制的被動振動控制器設(shè)計與優(yōu)化方法，很好地解決了輸流管的過量振動問題，具有無需外界能量輸入，安裝操作簡單等優(yōu)點，且突破了被動控制器質(zhì)量較大的問題。該振動控制器由平行非線性能量阱組成，為驗證其振動控制效果，基于目標(biāo)能量傳遞理論建立了輸流管—振動控制器系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過標(biāo)準(zhǔn)Galerkin方法將其無量綱模型降維并離散化后，進一步在系統(tǒng)的邊界條件下完成系統(tǒng)的數(shù)值仿真，結(jié)果表明，本發(fā)明設(shè)計的振動控制器僅以整個系統(tǒng)質(zhì)量的5％，便能快速有效的耗散輸流管的振動能量。最后，通過控制器耗散的能量與系統(tǒng)總能量的比值函數(shù)對控制進行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，本發(fā)明對安裝位置的精度要求不高。
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明提出了一種用于抑制輸流管振動的具有自適應(yīng)特性的被動振動控制器，并對其進行了相應(yīng)的設(shè)計與優(yōu)化，屬于結(jié)構(gòu)強度分析與試驗中的振動控制與仿真領(lǐng)域。
背景技術(shù)
輸流管在工業(yè)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值和廣泛的使用范圍，比如熱交換、燃油輸送、液壓等領(lǐng)域皆以管道輸送流速變化范圍很大的流體，流體流速的變化會誘導(dǎo)管道產(chǎn)生過量振動，進而使機械發(fā)生諸如噪聲、材料疲勞以及漏液等故障，造成設(shè)備達不到要求的性能指標(biāo)。在輸流管的振動控制方面，存在主動控制和被動控制兩種方式，主動控制方式的控制效果雖然較好，卻因需要額外的能量輸入和傳感器未能被廣泛應(yīng)用；而一般的被動振動控制器又存在質(zhì)量偏大，控制效果差以及控制過程長等不足，為了降低振動控制器結(jié)構(gòu)質(zhì)量以及改善對管道振動的抑制效果，基于非線性目標(biāo)能量傳遞(targeted energytransfer)理論和平行非線性能量阱(parallel nonlinear energy sinks)，設(shè)計了一種被動振動控制器用于抑制管道過量振動。從現(xiàn)有的文獻來看，關(guān)于輸流管被動振動控制器存在兩個重要的問題：一、控制器的質(zhì)量都比較大，通常需要占到管道與流體總質(zhì)量的10％以上，這嚴(yán)重限制了被動振動控制器的應(yīng)用范圍；二、通常情況下，被動振動控制器的自適應(yīng)性都比較差，即只在某個很窄的流速范圍內(nèi)才有很好地振動控制效果。而本發(fā)明設(shè)計的被動振動控制器的方法能夠明顯的減小控制器的質(zhì)量，并能夠提升在流體速度較高的情況下的能量吸收速率，提高控制器的自適應(yīng)性。目前為止，沒有專利公開該類被動振動控制器的設(shè)計與優(yōu)化。
發(fā)明內(nèi)容
為了保證被動振動控制器具有較小的質(zhì)量，良好的自適應(yīng)性，更快的吸收管道振動能量等特點，本發(fā)明提出了一種用于輸流管的基于平行非線性能量阱的被動振動控制器，并對其進行了設(shè)計及相應(yīng)的優(yōu)化。
本發(fā)明主要基于目標(biāo)能量傳遞理論建立輸流管與被動振動控制器之間能量傳遞的數(shù)學(xué)模型，并通過數(shù)值仿真對上述模型進行仿真分析，再通過對比不同振動控制器對管道振動的抑制情況驗證本發(fā)明的有效性，最后對被動振動控制器的安裝位置及部分參數(shù)進行相應(yīng)的優(yōu)化。
本發(fā)明的技術(shù)方案：
一種用于輸流管振動控制的被動振動控制器，由兩個非線性能量阱NES1和NES2組成，三次(立方)非線性彈簧K1、速度阻尼器C1和質(zhì)量塊mNES1構(gòu)成非線性能量阱NES1，三次非線性彈簧K2，速度阻尼器C2和質(zhì)量塊mNES2構(gòu)成非線性能量阱NES2；NES1和NES2平行方式連接后構(gòu)成被動振動控制器；將被動振動控制器垂直于輸流管軸線并自然下垂安裝于輸流管上，即實現(xiàn)對輸流管管道振動的控制。
一種用于輸流管振動控制的被動振動控制器設(shè)計與優(yōu)化方法，步驟如下：
步驟1：建立輸流管-被動振動控制器的數(shù)學(xué)模型，其物理結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由兩端簡支的輸流管以及與輸流管管道相連的被動振動控制器組成，被動振動控制器是用來吸收由于流體進入輸流管管道時產(chǎn)生的振動能量；如果不考慮重力、內(nèi)部阻尼、外部施加張力以及增壓效果，則輸流管-被動振動控制器的運動方程寫成如下形式：
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