電渦流阻尼器的性能分析與性能計(jì)算

電渦流阻尼器的性能分析與性能計(jì)算

隨著宇宙技術(shù)的發(fā)展，由星源和有效載荷引起的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)振動(dòng)是影響精細(xì)有效載荷實(shí)際工作性能的重要因素。例如，分辨率地球遙感成像質(zhì)量和觀測(cè)相機(jī)的成像質(zhì)量。為了滿足精密有效載荷對(duì)衛(wèi)星振動(dòng)環(huán)境的要求,必須設(shè)法隔離、抑制振動(dòng)的影響。由于航天器在軌運(yùn)行維護(hù)不便,航天器阻尼器要有極高的可靠性,能夠適應(yīng)空間高真空、熱交換等復(fù)雜環(huán)境,并能滿足在軌5年—15年的壽命要求。電渦流阻尼器是基于導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)或在交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生電渦流效應(yīng)的原理來(lái)工作的,其具有非接觸、無(wú)機(jī)械摩擦和磨損、無(wú)須潤(rùn)滑、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),滿足航天領(lǐng)域?qū)ψ枘崞鞯囊?有光明的應(yīng)用前景。近幾十年來(lái),電渦流阻尼器在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制工程中的應(yīng)用受到了重視。曹青松將橫向電渦流阻尼器引入旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)的振動(dòng)控制,并對(duì)電磁阻尼器振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)分析。Sodano綜述了電渦流阻尼器在結(jié)構(gòu)減振中的應(yīng)用情況,并指出電渦流阻尼器在航天領(lǐng)域具有很廣泛的應(yīng)用前景。Kienholtz提出了一種桶狀的電渦流阻尼器,由兩塊永磁體和一個(gè)銅板串聯(lián)而成,并將其應(yīng)用到哈勃望遠(yuǎn)鏡中的精密光學(xué)儀器減振系統(tǒng)中,驗(yàn)證了電渦流阻尼器在航天領(lǐng)域中的可行性。Ebrahimi對(duì)比分析了幾種不同永磁體排列方式的電渦流阻尼器的阻尼特性,并提出了一種新的電渦流吸振器結(jié)構(gòu),并具有彈性緩沖能力。Zuo針對(duì)土木工程領(lǐng)域的大型結(jié)構(gòu)減振問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種基于多極磁路的陣列電渦流阻尼器,具有較好的阻尼輸出效果。汪志昊詳細(xì)闡述了電渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)的研究現(xiàn)狀,基于電磁感應(yīng)原理研制了具有自供電特性的MR阻尼器減振系統(tǒng)與采用電渦流作為阻尼元件的新型TMD裝置,并分別用于工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制。鄒向陽(yáng)、朱坤開(kāi)發(fā)了基于電渦流阻尼的直接耗能減振裝置。該阻尼器主要由裝有強(qiáng)磁性材料的磁盒與渦流板兩大組件構(gòu)成,當(dāng)渦流板與磁盒之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),就會(huì)產(chǎn)生電磁阻尼力。樓夢(mèng)麟采用外供電產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)開(kāi)發(fā)了電渦流TMD,并開(kāi)展了振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究,證明了其良好的減震效果。祝長(zhǎng)生基于電渦流原理提出了一種新型的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)徑向電渦流阻尼器。由于航天器內(nèi)部能源珍貴,在設(shè)計(jì)電渦流阻尼器器時(shí)需考慮能耗問(wèn)題。永磁體型電渦流阻尼器無(wú)需外界供能,在這方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。航天器內(nèi)部空間以及有效承載有限,電渦流阻尼器的結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)盡可能的緊湊且結(jié)構(gòu)較輕。鑒于這些設(shè)計(jì)要求,本文在單磁體-單渦流板型電渦流阻尼器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出了一種單磁體-雙渦流板新型電渦流阻尼器,并對(duì)其阻尼特性進(jìn)行研究。1增加電渦流板及金屬板Sodano電渦流阻尼器方案的設(shè)計(jì)原理是,當(dāng)渦流板上下運(yùn)動(dòng)時(shí),其內(nèi)部的磁通發(fā)生變化,從而在金屬板內(nèi)形成電渦流,繼而產(chǎn)生反向的一個(gè)洛倫茲力,阻礙懸臂梁運(yùn)動(dòng)。在此過(guò)程中,由于金屬板的電阻特性,電渦流轉(zhuǎn)化為焦耳熱釋放。為了提高阻尼系數(shù),可以通過(guò)提高電渦流阻尼器中永磁體的磁場(chǎng)利用率來(lái)達(dá)到目的?？紤]到單渦流板阻尼器結(jié)構(gòu)方案中所用的永磁體的磁場(chǎng)分布,如果結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱(chēng),則理論上兩塊渦流板作用力上下對(duì)稱(chēng)。因此,為了更好地利用磁場(chǎng),在永磁體兩側(cè)均布置金屬板。當(dāng)金屬板上下運(yùn)動(dòng)時(shí),所處的磁場(chǎng)在其運(yùn)動(dòng)方向上交替變化時(shí),在其內(nèi)部會(huì)形成相應(yīng)數(shù)量的電渦流。與單一金屬板的結(jié)構(gòu)方案比較而言,雙渦流板方案理論上可輸出更大的阻尼力,可能有更好的阻尼性能。鑒于此,本文在Sodano電渦流阻尼器方案基礎(chǔ)上增加一塊電渦流板,如圖1所示。所用永磁體為一立方體形永磁體,中間開(kāi)有一圓柱形通孔,固定在電渦流阻尼器中部。其功能是為金屬板在其運(yùn)動(dòng)方向上提供一個(gè)非均勻磁場(chǎng)。當(dāng)輸入軸帶動(dòng)上、下金屬板運(yùn)動(dòng)時(shí),在金屬板中產(chǎn)生抑制其運(yùn)動(dòng)的電渦流,產(chǎn)生阻尼力,從而耗能減振。雙渦流板阻尼器一些幾何尺寸及物理參數(shù)如表1所示。2永磁體阻尼器特性仿真本文采用有限元軟件ANSYS電磁場(chǎng)仿真分析模塊對(duì)阻尼器內(nèi)部磁場(chǎng)進(jìn)行分析,基于ANSYS三維電磁場(chǎng)瞬態(tài)分析法的電渦流阻尼器阻尼特性仿真的方法,為阻尼器的性能優(yōu)化提供依據(jù)。目前在ANSYS電磁分析模塊中,考慮速度效應(yīng)時(shí),在二維靜態(tài)磁場(chǎng)分析中,可以分析永磁體存在的情況;在三維靜態(tài)磁場(chǎng)分析中,則不能考慮永磁體。對(duì)于電磁場(chǎng)三維仿真模型考慮速度效應(yīng)時(shí),可以進(jìn)行諧波分析以及瞬態(tài)分析。進(jìn)行諧波分析時(shí),只能應(yīng)用于恒定磁場(chǎng)。因此本文進(jìn)行三維瞬態(tài)分析時(shí),將永磁體產(chǎn)生的恒定磁場(chǎng)等效為一個(gè)隨時(shí)間變化的載荷步。圖2(a)是該阻尼器的整體磁場(chǎng)分布。當(dāng)電渦流板的運(yùn)動(dòng)速度為0.1m/s,仿真得到金屬板所受阻尼力矢量圖如圖2(b)所示?？梢钥闯錾?、下板都輸出了阻尼力,而且下板所受的阻尼力較上板大。這是由于下板中的磁場(chǎng)強(qiáng)且不均勻,導(dǎo)致磁通變化較大,產(chǎn)生了更大的電渦流,從而阻尼力更大。表2給出了雙渦流板阻尼器與傳統(tǒng)單渦流板電渦流阻尼器的阻尼力計(jì)算結(jié)果對(duì)比?？梢钥闯鱿掳逄嵘穗p渦流板電渦流阻尼器的阻尼性能。在同等尺寸條件下,與單渦流板電渦流阻尼器相比,雙渦流板電渦流阻尼器能輸出更大的阻尼力。3衰減性能測(cè)試3.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析如圖3所示,電渦流阻尼器阻尼特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)、激光測(cè)振儀、電磁激振器、信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、控制器、數(shù)據(jù)采集儀、高精度力傳感器、高精度加速度傳感器組成。電渦流阻尼器安裝于兩個(gè)轉(zhuǎn)接工裝之間,通過(guò)電磁激振器對(duì)其進(jìn)行激勵(lì)?？刂朴?jì)算機(jī)、激光測(cè)振儀、信號(hào)發(fā)生器控制所施加信號(hào)頻率,經(jīng)功率放大器放大后傳輸?shù)诫姶偶ふ衿鲗?duì)電渦流阻尼器進(jìn)行激振。通過(guò)測(cè)試計(jì)算機(jī)獲得力與位移信號(hào),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可以得到所需的阻尼器性能參數(shù)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,采用正弦激勵(lì)法,輸入位移,對(duì)該電渦流阻尼器施加1Hz~50Hz的正弦激勵(lì)。幅值分別為小位移0.1mm、大位移1mm的正弦激勵(lì)。每次試驗(yàn)前檢查阻尼器有無(wú)異常情況,進(jìn)行多個(gè)循環(huán)測(cè)試。限于篇幅,以下分別給出小位移0.1mm、大位移1mm正弦激勵(lì)下的10Hz的示功圖,如圖4所示。各頻率下示功圖飽滿,阻尼效果良好。阻尼系數(shù)c可以通過(guò)求取遲滯環(huán)面積獲得。具體計(jì)算公式如下式中ΔW——遲滯環(huán)面積A——正弦位移激勵(lì)的振幅f——正弦位移激勵(lì)的頻率阻尼系數(shù)可以通過(guò)求取遲滯環(huán)面積獲得。圖5給出了雙板阻尼系數(shù)隨激勵(lì)頻率變化趨勢(shì)。3.2頻率對(duì)阻尼系數(shù)的影響首先,對(duì)比分析小位移和大位移工況下的電渦流阻尼器測(cè)試結(jié)果,可得出以下結(jié)論:(1)對(duì)于大位移工況下,激勵(lì)頻率從1Hz增加到50Hz時(shí),阻尼系數(shù)逐漸降低,直至趨于穩(wěn)定。當(dāng)頻率低于30Hz時(shí),隨著頻率的增加,阻尼系數(shù)減小較快。當(dāng)頻率高于30Hz時(shí),隨著頻率的增加,阻尼系數(shù)趨于穩(wěn)定。該結(jié)果表明本文提出的電渦流阻尼器在外載激勵(lì)作用下能夠輸出一定的阻尼力。小位移工況下,阻尼系數(shù)也隨著頻率的增加而出現(xiàn)衰減。(2)阻尼系數(shù)隨頻率的增高而逐漸減小高頻激勵(lì)過(guò)程中,電渦流板運(yùn)動(dòng)速度高,在電渦流板表面會(huì)產(chǎn)生集膚效應(yīng),導(dǎo)致電渦流增長(zhǎng)變緩,從而引起阻尼系數(shù)減小;(3)小位移的阻尼系數(shù)比大位移的大,原因有二:一方面電渦流板的不同平衡位置對(duì)電渦流阻尼器的阻尼特性影響很大。因此,大位移情況下阻尼系數(shù)變化大,周期內(nèi)平均得到的阻尼系數(shù)上要小于小位移情況。另一方面大位移高頻激勵(lì)下,電渦流板速度更快,集膚效應(yīng)更明顯。(4)大位移阻尼系數(shù)下降更快,原因是大位移高頻激勵(lì)下,電渦流板速度變化更快,集膚效應(yīng)更明顯。其次,對(duì)比測(cè)試結(jié)果與仿真分析結(jié)果可知:(1)大位移阻尼系數(shù)小于仿真結(jié)果,分析原因主要有:實(shí)驗(yàn)測(cè)試中電渦流板未精確地處于仿真計(jì)算的平衡位置;在仿真的過(guò)程中只考慮電渦流板在某一位置的瞬時(shí)速度情形,即阻尼系數(shù)是一個(gè)瞬態(tài)值;而試驗(yàn)過(guò)程中,所測(cè)得的阻尼力是電渦流是多個(gè)周期內(nèi)的平均值;電渦流阻尼器具有集膚效應(yīng),這也是導(dǎo)致阻尼系數(shù)逐漸降低的主要原因之一,而仿真中無(wú)法準(zhǔn)確模擬集膚效應(yīng);(2)小位移阻尼系數(shù)略大于仿真結(jié)果:小位移情形阻尼系數(shù)受系統(tǒng)自身機(jī)械摩擦阻尼特性影響較大,仿真中則未考慮這一方面;小位移激勵(lì)下,電渦流板平衡位置受激勵(lì)的影響變化不大,因而試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)整體上與仿真結(jié)果接近。該力與仿真結(jié)果較為接近,驗(yàn)證了電渦流阻尼器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性。4模型參數(shù)的修正實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,電渦流阻尼器的阻尼力具有滯回特點(diǎn)。建立電渦流阻尼器的力學(xué)模型,能更好的研究電渦流阻尼器的動(dòng)力學(xué)特性。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者提出了眾多的阻尼器力學(xué)模型,其中比較具有代表性的Bouc-Wen模型,如圖6所示。該模型可以較好地體現(xiàn)電渦流阻尼器出力與速度的強(qiáng)非線性關(guān)系,從而得到了廣泛的應(yīng)用,本文也采用這一模型進(jìn)行電渦流阻尼器的性能進(jìn)行分析。Bouc-Wen模型中阻尼器的輸出阻尼力為式中x與x?分別表示阻尼器的位移與速度;中間變量z由下面Bouc-Wen模型決定式中A,β,γ,c,n是Bouc-Wen模型的參數(shù),通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法獲得。Babak試驗(yàn)識(shí)別了電渦流阻尼器的五個(gè)模型參數(shù),數(shù)值如下:[c,β,γ,A,n]=[1.11,-50,24,-69.5,2]。本文在此基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn),修改模型參數(shù),最終各參數(shù)的值確定為[c,β,γ,A,n]=[1.11,-10,50,10,2]。圖7給出了1mm振幅、10Hz正弦激振頻率下,電渦流阻尼器的示功圖以及阻尼力的時(shí)程。從輸出阻尼力時(shí)間歷程可以看出,放著與實(shí)驗(yàn)吻合度較高,說(shuō)明本文建立的力學(xué)模型及其參數(shù)識(shí)別的正確性。此外,阻尼力的最大值存在一定的誤差,這主要是由于阻尼器的自感效應(yīng),導(dǎo)致阻尼器力學(xué)模型中的最大阻尼力減小。5仿真結(jié)果與分析本文基于電渦流原理提出了一種新型可用于航天器振動(dòng)被動(dòng)抑制的電渦流阻尼器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,并從數(shù)值仿真、阻尼特性測(cè)試兩方面對(duì)其阻尼特性進(jìn)行了深入的研究,得到了如下結(jié)論:(1)