悬臂梁吸振器建模及吸振性能分析＊

2013-03-09李海峰楼京俊朱石坚

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2013年1期

关键词：吸振器频率响应双向

李海峰楼京俊朱石坚陈峰

（海军工程大学船舶与动力学院1）武汉 430033）（海军工程大学科研部2）武汉 430033）

（镇江船艇学院3）镇江 212003）

0 引言

动力吸振器（dynamic vibration absorber，DVA）由于结构简单，对于主系统的窄带响应有良好的减振效果，受到广泛的研究［1］．这种设备通过在振动主体上附加一子系统分流振动能量来达到对主系统振动控制的目的．

传统吸振器多由弹簧和质量块组成，动力参数固定不可变，吸振带宽极窄，吸振效果会随着设备工况的变化而变差．针对这点，文献［2］设计了悬臂梁吸振器，它是由梁及质量块组成，随着质量块在梁上的滑动，相应地改变吸振器的刚度以此来改变吸振器的固有频率，实现吸振频率连续可调．

然而文献［2］仅是把悬臂梁吸振器简化为传统质量－弹簧吸振器来研究参数变化对吸振效果的影响．事实上悬臂梁吸振器是一个刚柔耦合系统．为此，本文基于ADAMS软件，建立了带有柔性梁吸振器的吸振系统模型，得到系统的频率响应，讨论了吸振器参数对吸振性能的影响，研究了双向梁吸振器的吸振性能．

1 ADAMS建模

1.1 悬臂梁吸振器模型

悬臂梁吸振器实际模型如图1所示，右端通过螺栓紧固到主系统，梁上附加质量块，质量块轴套在梁上，通过螺栓紧压固定，一般悬臂梁为钢材料，计算时应考虑质量．此系统的一阶固有频率为

式中：E为梁材料弹性模量；I为梁抗弯截面惯性矩；l为梁长度；l0为质量块质心到梁支座的长度；m为质量块的质量；ρl为悬臂梁的线密度．

图1 悬臂梁吸振器模型图

1.2 ADAMS虚拟模型

ADAMS建模是在ADAMS／View模块中完成的．建模时先由有限元软件对柔性体进行模态分析，生成可供ADAMS使用的柔性体模态中性文件 MNF（modal neutral file），然后通过 ADAMS／Flex模块将MNF文件调入ADAMS中建立柔性体［3］．附加悬臂梁吸振器的吸振系统ADAMS模型如图2所示．

图2 附加悬臂梁吸振器系统ADAMS模型

2 悬臂梁吸振器吸振性能分析

利用ADAMS振动分析模块对图2所示模型进行垂向受迫振动分析，得到系统的频率响应．在被隔振设备质心处设置激振器，激励力幅值为1N，频率从5．0～100Hz作正弦扫描，在被隔振设备上设置一个输出通道测量设备振动加速度级，并以1mm／s2为参考值得到分贝值．隔振系统及悬臂梁吸振器的基本参数见表1．

表1 系统参数

2.1 与传统吸振器吸振性能比较

为研究悬臂梁吸振器的吸振性能，本文选悬臂梁吸振器与传统质量－弹簧吸振器进行比较，取两吸振器的质量均为2．3kg、吸振频率均为11．5 Hz，然后分别附加到上述主振系统，得到被隔振设备频响曲线（图略）．

曲线4为质量块在l0＝20cm时系统频率响应，吸振频率为18．6Hz．改变质量块的位置得到仿真频率，与式（1）求得的理论频率比较得到图3．由图可知，悬臂梁吸振器在不改变其他参数的条件下，实现了吸振频率由8．7～26．5Hz的连续变化．

图3 悬臂梁吸振器一阶固有频率曲线

2.2 吸振器质量对吸振性能的影响

动力吸振器质量比u对吸振性能会有很大的影响，当u很小时，吸振频率区间将很小；而u比较大时，吸振频率区间将变宽，但u很大会导致吸振器重量太重，不仅不能满足船舶严格控制机器设备重量的限制条件，而且会造成总体安装布置困难．所以，既要求吸振器产生较好的吸振效果，又使吸振器具有较宽的吸振频率区间，必须要选择合适的质量比u．图4为悬臂梁动力吸振器质量比u从0．02变化到0．2时γ，Δβ随u变化曲线，其中γ表示吸振效果，Δβ＝Δf／f（Δf表示有效吸振频率区间，f表示主系统固有频率）．从图4可知，随着质量比u的增大，吸振器吸振频率区间变宽．质量比u 从0．02到0．2，Δβ增加了32%；吸振效果γ逐渐提高．当质量比u从0．02变化到0．2，吸振效果γ提高了17．3dB，而u从0．02到0．1，吸振效果γ提高了12．5dB，所以u＞0．1以后，吸振效果提高较慢．

图4 γ，Δβ与u变化关系曲线

2.3 悬臂梁弹性模量对吸振性能的影响

梁的弹性模量决定其弹性变形的难易程度，是弹性体的一个重要参数，所以需要分析不同弹性模量下悬臂梁吸振器的吸振性能．图5为梁不同弹性模量下系统的频率响应曲线，由图可知，吸振器吸振频率不变时，梁弹性模量的改变并不能增大吸振区间，但随着弹性模量的增加，吸振效果有所提高．

2.4 悬臂梁阻尼对吸振性能的影响

动力吸振器的弹性元件阻尼增加，既可以提高弹性元件的疲劳寿命，又可以降低系统2个固有频率的峰值，但也会牺牲一些吸振效果［4］。图6为悬臂梁吸振器其他参数不变，仅改变梁阻尼比时系统频率响应曲线。由图可以看出，当改变梁阻尼比由0．01增加到0．2时，使系统两个固有频率峰值分别降低3．1dB和5．4dB，但吸振效果却降低了6．2dB，这是因为随着阻尼增加，吸振器消能作用比调谐作用更为明显，使结构的共振反应被限定在一定的值以内，而不至于出现位移无限放大的情况。

图5 不同弹性模量下的频率响应曲线

图6 不同阻尼比下的频率响应曲线

3 双向梁吸振器吸振性能分析

为了拓宽吸振器的吸振频带，可以将一个动力吸振器改为若干个较小的动力吸振器，即构成“离散分布式”动力吸振器［5］；同时单向悬臂梁吸振器会增大被隔振设备的横向扭转振动，所以，本节在单向梁吸振器的基础上研究双向梁吸振器吸振性能。图7为系统附加双向梁吸振器与单向吸振器时被隔振设备横向扭转角度变化曲线，其中双向吸振器质量之和等于单向吸振器，阻尼比相等．由图可见，双向悬臂梁吸振器能够有效地抑制单向吸振器产生的扭转振动．

图8为系统附加双向梁吸振器与单向吸振器时的频率响应曲线，由图可见，附加双向梁吸振器后，系统出现3个峰，而紧随吸振器吸振频率之后的峰值较单向吸振器时有明显降低，并且吸振频带变宽，所以，双向梁吸振器改善了系统的调谐性能．曲线3和曲线4比较了双向吸振器吸振频率间隔大小对吸振性能的影响，从曲线变化趋势可知，双向吸振频率间隔较大时，吸振性能在一小频率范围内有所提高，而在大部分频率范围内，吸振器对系统影响不大，起不到吸振效果．