基于形状记忆合金的半主动隔振研究

韩宁，高乐，张好好

（长安大学，陕西 西安 710064）

基于形状记忆合金的半主动隔振研究

韩宁，高乐，张好好

（长安大学，陕西 西安 710064）

针对被动隔振器对低频段的隔振能力差，主动隔振器结构过于复杂等问题，设计了一种基于形状记忆合金（SMA）的半主动隔振器，带有SMA丝的悬臂梁充当弹性元件，根据SMA的弹性模量随温度改变而变化的特性，通过适时的改变通入悬臂梁的电流，从而调节系统的固有频率使其随外部激振力频率的变化而改变。本文对变刚度隔振器的原理及基于SMA 的隔振器的模型进行了分析，通过仿真得到了较宽的隔振频带并避开共振峰的响应曲线。

振动控制；隔振器；半主动隔振器；形状记忆合金

CLC NO.:U461.1Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)11-26-03

1、半主动隔振器的发展背景

本文介绍了一种采用智能材料形状记忆合金来改变刚度的半主动隔振器，从而可以实现在较宽的频带范围内衰减振动，能有效的改善机器的振动。

2、变刚度隔振器的原理

在图1中，当隔振系统的刚度为k1时，其共振频率为ω1,频率响应曲线为abc；当隔振系统的刚度为k2时，其共振频率为ω2,系统的频率响应曲线为ade；变刚度隔振器的原理是：当激励频率较低时（在图1中ω<ωg），调节系统的刚度为k2,此时频率响应曲线为agd，当ω增大到ωg时，通过改变刚度使系统的刚度为k1，此时的频率响应曲线为bge，经过调节刚度整个过程的响应曲线为agc，从而实现了隔离振动无共振峰[5]。

3、基于SMA的隔振器模型

形状记忆合金（Shape Memory Alloy,以下简称为SMA）是一种具有形状记忆效能（Shape Memory Effect,SME）的智能材料，形状记忆效能是指合金在低温下具有一定的初始形状，施加塑性变形并消除残余应力后，当加热到某一临界温度后又可恢复到初始形状的的特性。[6]SMA内部存在着两种不同的晶体结构状态，即低温时为马氏体（M），高温时为奥氏体（A）。低温状态下马氏体相的弹性模量和屈服强度较低，通过加热变为奥氏体相时，弹性模量会相应的增大，实验数据显示将SMA应用于隔振控制中，就是利用其弹性模量随温度变化的特性，调节或改变系统刚度，从而实现改变系统的固有频率，使系统避开共振。

如图2所示，基于SMA的隔振器由SMA丝组成的悬臂梁来充当弹性元件，根据外部激励频率的变化，通过施加电流或断电来控制SMA丝的温度，以改变其弹性模量，从而改变悬臂梁的刚度。当悬臂梁纵向运动时，取自由端为简化点，悬臂梁的等效刚度为：

系统的固有频率为：

其幅频特性为：

于是，传到基础结构上的力为：

其幅值为：

则可得到以下关系：

上式代表激振力传递到基础结构上的比率，称为力的传递率。

4、仿真结果分析

率的幅值小于1，这时传递到基础机构上的力小于激振力，此时，隔振效果才得以体现.通过仿真得到了在冷却与加热状态下系统的力传递率，如图4所示，在冷却状态下系统的固有频率为1HZ，只有当外界激励频率大于HZ时可以实现较好的隔振；加热状态下系统的固有频率为1.73HZ，当外界激振频率大于2.44HZ时隔振效果才得以实现。两种状态下对低频段的隔振难以实现且在激振力频率等于系统固有频率时会出现共振，因SMA丝的弹性模量随温度而变化，所以可以通过适时的调整电流最终改变系统的固有频率，当外界激振频率较小时，可以增大电流使系统的ωn取较大的值使幅值曲线沿agd，当外界激振频率增大到1.2HZ左右时，可以断电使系统的ωn取较小值使幅值曲线沿bgc，这样整个运行过程中幅值曲线为agc，虽然在g点附近出现了小的共振峰，但相比于之前两种状态共振峰已明显减小，从而获得对于低频段也有较好地隔振效果并且避开共振峰的的隔振性能。

5、总结

仿真结果表明设计的基于SMA的变刚度隔振器可以实现在较宽的频带内隔振，并且可以安全的避开共振峰，隔振效果显著。因其结构简单，易于操作，不需消耗外界过多能量，所以非常适合用于机器设备的隔振。

如何准确控制电流大小以调节悬臂梁刚度迅速适应外界激振力频率的变化，及SMA丝加热冷却存在着一定的滞后性，因此提高反应速度和控制精度将是后续进一步研究的重点。

[1] 吴礼刚.半主动液阻型橡胶隔振器动态性能测试与计算分析[J] Journal of vibration and shock Vol.30 NO.4 2011.

[2] 孙冰.一种基于变刚度原理的新型隔振器设计[J]Journal of Beijing university of aeronautics and astronautics 1999.25-6.

[3] 余雄鹰.车载电子设备压电式自适应隔振技术研究 [D] 重庆：重庆工学院 2008.

[4] 段勇，谢基榕，吴文伟.机械式自适应隔振器[P]中国 20131007 4252.4.

[5] 周卓亮.可变刚度隔振器研究 [D] 哈尔滨：哈尔滨工程大学2006.

[6]赵艳妍 基于形状记忆合金的主动调谐吸振器特性及其主动控制策略的研究 [D] 山东:山东大学2006.

[7] K.Williams, G.Chiu, R.Bernhard Adaptive-passive absorbers using shape-memory alloys [J] Journal of Sound and Vibration (2002)249(5),835-848.

Semi-active vibration isolation based on shape memory alloys

Han Ning, Gao Le, Zhang Haohao
（Chang'an University, Shaanxi Xi’an 710064）

In order to solve the problems that the passive vibration isolator’s ability of isolating the low frequency is poor and the construction of the active vibration isolator is very complex, the paper designs a semi-active vibration isolator based on shape memory alloy (SMA). According to the elastic modulus of SMA changing with the temperature, we choose the cantilever with SMAs to be the spring element. By changing the electric current through the SMAs, consequently, the natural frequency is adjusted. The paper analyzes the principle of the variable stiffness vibration isolator and the model of the semi-active vibration isolator based on SMA. The performance of the designed semi-active vibration isolator was studies via simulation and the results show that the semi-active vibration isolator can isolate the vibration over a much wider band and avoid the resonance peak.

Vibration Control；Isolator；Semi-active vibration isolator；shape memory alloy

U461.1

A

1671-7988(2014)11-26-03

韩宁，就读于长安大学汽车学院。