CN105547718A - 一种基于磁流变弹性体的梁结构边界约束刚度调节试验系统及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于磁流变弹性体的梁结构边界约束刚度调节试验系统及其试验方法，包括基座、支柱、电磁铁、悬臂梁、激振器，所述支柱和激振器均安装在基座上，电磁铁为由三段电工铁芯构成的U型结构，电磁铁通过长螺钉固定在支柱上，支柱与电磁铁之间设置隔磁板，电磁铁上缠绕控制线圈，在电磁铁U型结构的两个伸出部分的内壁上均安装永磁体，在两个永磁体之间安装磁流变弹性体，悬臂梁的一端固定于磁流变弹性体里，另一端与激振器的顶杆相接触。本发明调节精确度高，功耗低，响应快速，结构简单，可靠性高，便于安装。

Description

一种基于磁流变弹性体的梁结构边界约束刚度调节试验系统及其试验方法

技术领域

本发明涉及的是一种试验装置及方法，具体地说是振动结构的试验装置即方法。

背景技术

近年来，随着科学技术特别是航空、航天和机器人技术的飞速发展，大型柔性附件的广泛的使用在船舶、航空和兵器等工程领域。挠性结构的应用降低了成本，也带来了新的问题。在经典振动理论中为了简化计算，支承基础一般被假设为无限质量的绝对刚体，从而忽略了基座的动态特性。工程应用中，如果利用经典振动力学的模型进行求解计算，振动控制往往达不到预期的效果。这类结构在振动时，其特点是模态阻尼小、固有频率低且频率密集。航天器挠性附件如太阳帆板等在扰动情况下，其自由振动要延续很长时间，并容易形成共振，这将影响稳定性和指向控制精度，甚至长时间的持续振动会使结构过早的疲劳破坏进行影响结构的使用寿命，尤其是需要精确地控制其位置和指向的附件，因而对其的抑振控制成为研究热点。此外，在制造领域，如微电子制造设备、自动监测测量设备、计算机磁盘系统等，有许多高速度、高精度的微小位移机构。这类系统设计的结构尺寸小、柔性比较大且工作时对加速度和定位精度的要求都很高，通常达到微米或亚微米级。启停频繁、机电系统的输入信号为突变信号等都对系统的高频动态有着较大的影响。对于这些挠性结构来说，边界条件作为影响其振动模态特性的重要因素，合理控制或调节此类挠性结构的边界约束刚度将可以有效优化系统特性，进而避免结构在外部激励作用下发生强烈共振，达到振动控制的目的。

当前对于磁流变弹性体在半主动振动控制上的研究主要集中于吸振器和隔振器，对于其在结构振动控制的应用的研究存在空白。尤其，而其在边界条件控制方面尚没有提出有效的解决方案。另一方面，对于梁和平板的振动控制的研究主要集中在主动控制。这种方法虽然控制精度高、效果好，但是能量消耗大、对算法要求高，所能承受的最大负载较小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于磁流变弹性体的梁结构边界约束刚度调节试验系统及其试验方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于磁流变弹性体的梁结构边界约束刚度调节试验系统，其特征是：包括基座、支柱、电磁铁、悬臂梁、激振器，所述支柱和激振器均安装在基座上，电磁铁为由三段电工铁芯构成的U型结构，电磁铁通过长螺钉固定在支柱上，支柱与电磁铁之间设置隔磁板，电磁铁上缠绕控制线圈，在电磁铁U型结构的两个伸出部分的内壁上均安装永磁体，在两个永磁体之间安装磁流变弹性体，悬臂梁的一端固定于磁流变弹性体里，另一端与激振器的顶杆相接触。

本发明一种基于磁流变弹性体的梁结构边界约束刚度调节试验方法，其特征是：采用如下试验系统：

包括基座、支柱、电磁铁、悬臂梁、激振器，所述支柱和激振器均安装在基座上，电磁铁为由三段电工铁芯构成的U型结构，电磁铁通过长螺钉固定在支柱上，支柱与电磁铁之间设置隔磁板，电磁铁上缠绕控制线圈，在电磁铁U型结构的两个伸出部分的内壁上均安装永磁体，在两个永磁体之间安装磁流变弹性体，悬臂梁的一端固定于磁流变弹性体里，另一端与激振器的顶杆相接触；悬臂梁上固定有加速度传感器，加速度传感器经电流放大器连接DSP控制器，DSP控制器分别与信号发生器、可调节直流电源以及计算机相连，可调节直流电源连接控制线圈，信号发生器通过功率放大器连接激振器；

(1)设置控制线圈内的初始电流强度I₀以及比例参数k、误差要求Δ∈₀；

(2)由计算机设置一个目标频率f₀，传递给DSP控制器；

(3)由计算机控制信号发生器产生的扫频信号，经由功率放大器将信号放大后传递给激振器，使悬臂梁持续产生所需要的振动形式；

(4)悬臂梁的加速度通过悬臂梁上的加速度传感器进行测量，并传递给DSP控制器，由DSP控制器进行FFT变换得到振动信号的频响函数并提取频响函数第一阶峰值频率为基频频率f；

(5)设置控制参数Δ∈＝f-f₀，实现对梁的边界系统的闭环控制；

(6)改变控制线圈内的电流强度使得新的电流强度I＝I₀-kΔ∈，磁流变弹性体所处空间的磁场强度发生变化，磁流变弹性体在磁流变效应的作用下其刚度发生改变，改变悬臂梁固定端弯曲刚度，调节了悬臂梁的边界条件；

(7)再次由加速度传感器对悬臂梁进行测量，并传递给DSP控制器，由DSP控制器对加速度进行FFT变换得到新的频响函数并提取频响函数第一阶峰值频率为基频频率f′；

(8)计算控制参数Δ∈＝f′-f，若|Δ∈|＜Δ∈₀则由DSP控制器向计算机返回此时的电流强度I；否则，改变电磁线圈内的电流强度使得新的电流强度I₁＝I-kΔ∈，重复步骤(7)使得控制参数|Δ∈|＜Δ∈₀，并由DSP控制器向计算机返回此时的电流强度。

本发明的优势在于：本发明调节精确度高，功耗低，响应快速，结构简单，可靠性高，便于安装。上述设计中的磁流变弹性体的刚度在一定范围连续变化，模拟不同结构的边界和固定形式对于结构的动态特性的影响。本发明利用磁流变弹性体这一新兴的智能材料，实现了传统材料和结构难以实现的功能，为上述问题的研究提供了一种通用试验平台。在本发明实验平台下可以分析计算不同刚度甚至是变刚度边界条件下悬臂梁的动力学特性，进行控制策略的设计和实验验证。本发明可以帮助研究人员较好的揭示结构动态响应，为弹性体结构设计、动力学参数匹配和控制策略的设计和验证验证提供了有效的技术手段；为高校、科研院所的教学和成果展示等提供了有力的支持。

附图说明

图1为本发明装置的示意图；

图2为本发明装置半剖图；

图3为本发明装置的俯视图；

图4为本发明方法的设备连接图；

图5为本发明方法的信号流程框图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～5，本发明包括基座1，支柱2，隔磁板3，永磁体4，电磁铁5，磁流变弹性体6，悬臂梁7，激振器8，加速度传感器9，电流放大器10，功率放大器11，信号发生器12，DSP控制器13，可调直流电源14，计算机15。

上述组件1～8按照图1～图3所示的方式构成试验台架。其中，U型电磁铁5由三段电工铁芯构成，由长螺钉固定在支柱上，与用磁铁4，磁流变弹性体6，悬臂梁7的固定端构成闭合磁路；隔磁板3由绝磁材料构成，固定于支柱2和电磁铁5之间降低上述磁回路的磁漏。磁流变弹性体，其由螺杆预紧力固定在所述的U型电磁铁5两极之间；悬臂梁7的一端固定于上述磁流变弹性体6之间，另一端与激振器8的顶杆相接触。

所述的试验台架又与仪器9～15通过线路按照图4中的方式连接。加速度传感9器通过磁力固定在悬臂梁7上用来测量悬臂梁7的振动，通过电流放大器10与DSP控制器13相连接；DSP控制器13与电流放大器10，信号发生器12，可调节直流电源14，在实验过程中调节系统参数，对加速度数据进行收集和处理；可调直流电源14由DSP控制器13控制，调节电磁铁5上的控制线圈内控制电流；计算机15与DSP控制器13连接，通过用户界面设置实验变量，输出实验结果。

图5描述了本发明的控制方法的流程框图，该系统的具体的控制和测量方法参见如下实施例:

(1)首先开启设备电源，对系统进行初始化。设置电磁线圈内的初始电流强度I₀，比例参数k，误差要求Δ∈₀。误差要求Δ∈₀根据试验仪器的精度确定；

(2)由计算机15设置一个目标频率f₀，传递给DSP控制器13；

(3)由计算机15控制信号发生器12产生的扫频信号，经由功率放大器12将信号放大后传递给激振器8，使悬臂梁7持续产生所需要的振动形式；

(4)同时，悬臂梁7的加速度通过悬臂梁7上的加速度传感器9进行测量，并传递给DSP控制器13，由DSP控制器13进行FFT变换得到振动信号的频响函数并提取频响函数第一阶峰值频率为基频频率f；

(5)设置控制参数Δ∈＝f-f₀，实现对梁的边界系统的闭环控制；

(6)改变电磁线圈内的电流强度使得新的电流强度I＝I₀-kΔ∈。磁流变弹性体所处空间的磁场强度发生变化，磁流变弹性体8在磁流变效应的作用下其刚度发生改变，改变了悬臂梁9固定端弯曲刚度，调节了悬臂梁的边界条件；

(7)再次由加速度传感器9对悬臂梁7的测量点加速度进行测量，并传递给DSP控制器13，由DSP控制器13对加速度进行FFT变换得到新的频响函数并提取频响函数第一阶峰值频率为基频频率f′；

(8)计算控制参数Δ∈＝f′-f，若|Δ∈|＜Δ∈₀则有DSP控制器13向计算机14返回此时的电流强度I。否则，改变电磁线圈内的电流强度使得新的电流强度I₁＝I-kΔ∈；

(9)重复步骤(7)至(8)使得控制参数|Δ∈|＜Δ∈₀。

本发明的设计思路是采用振动控制研究中常见的悬臂梁结构，将磁流变弹性体作为弹性边界，固定悬臂梁的固定端，并将磁流变弹性体至于磁场回路中。由于磁流变弹性体的磁流变效应，其杨氏模量在变磁场中连续变化，改变了悬臂梁边界条件，最终达到改变其响应特性的目的。

为达到上述目的，本发明提出的技术方案是一种基于磁流变弹性体的梁结构边界约束刚度调节试验系统，包括基座，支柱，隔磁板，永磁体，电磁铁，磁流变弹性体，悬臂梁，激振器共同构成的一个边界刚度可调的悬臂梁试验台架。同时，该系统还包括加速度传感器，电流放大器，功率放大器，信号发生器，DSP控制器，可调直流电源，计算机，和上述试验台架连接，用于采集和处理实验数据、控制试验变量。

同时，本发明提出了一种基于该测试系统的控制或测试方法，其步骤如下：

(1)本实施例中，首先对设备进行初始化，设置电磁线圈内的初始电流强度I₀，比例参数k，误差要求Δ∈₀。误差要求Δ∈₀根据试验仪器的精度确定

(2)设置一个目标频率f₀。

(3)由激振器对悬臂梁施加白噪声激励。

(4)由加速度传感器测量悬臂梁在测量点的加速度，传递给DSP控制器。经由FFT变换，得到悬臂梁的频响函数并提取频响函数第一阶峰值频率为基频频率f。

(5)设置控制参数Δ∈＝f-f₀，实现对梁的边界系统的闭环控制。

(6)改变电磁线圈内的电流强度使得新的电流强度I＝I₀-kΔ∈。

(7)再次对悬臂梁的测量点加速度进行测量，由DSP控制器获取新的基频频率f′。

(8)由DSP控制器计算控制参数Δ∈＝f′-f，若|Δ∈|＜Δ∈₀则有DSP控制器向计算机返回此时的电流强度I。否则，改变电磁线圈内的电流强度使得新的电流强度I＝I-kΔ∈

(9)重复步骤(7)至(8)使得控制参数|Δ∈|＜Δ∈₀。

通过上述步骤，在悬臂梁的参数未知的情况下，该系统利用自适应的调节方法能够精确控制悬臂梁的第一阶固有频率，使其移动到控制范围内的任意值。其控制范围有磁流变弹性的组成和制备工艺确定，通过实验进行标定。本发明可用于实现悬臂梁振动的半主动控制，也可以用于测试任意边界条件下的弹性悬臂梁动态特性测试。

本发明一种基于磁流变弹性体的梁结构边界约束刚度调节试验台架，包括，基座，支柱，隔磁板，永磁体，电磁铁，磁流变弹性体，悬臂梁结构及其组件之间的连接件。

本发明一种基于磁流变弹性体的梁结构边界约束刚度调节试验系统的控制方法，

其步骤如下：

(1)本实施例中，首先对设备进行初始化，设置电磁线圈内的初始电流强度I₀，比例参数k，误差要求Δ∈₀。误差要求Δ∈₀根据试验仪器的精度确定

(2)设置一个目标频率f₀。

(3)由激振器对悬臂梁施加白噪声激励。

(4)由加速度传感器测量悬臂梁在测量点的加速度，传递给DSP控制器。经由FFT变换，得到悬臂梁的的频响函数并提取频响函数第一阶峰值频率为基频频率f。

(5)设置控制参数Δ∈＝f-f₀，实现对梁的边界系统的闭环控制。

(6)改变电磁线圈内的电流强度使得新的电流强度I＝I₀-kΔ∈。

(7)再次对悬臂梁的测量点加速度进行测量，由DSP控制器获取新的基频频率f′。

(8)由DSP控制器计算控制参数Δ∈＝f′-f，若|Δ∈|＜Δ∈₀则有DSP控制器向计算机返回此时的电流强度I。否则，改变电磁线圈内的电流强度使得新的电流强度I＝I-kΔ∈

(9)重复步骤(7)至(8)使得控制参数|Δ∈|＜Δ∈₀。

磁流变弹性体其由螺纹连接件固定于所述的U形铁芯之间。

悬臂梁通过磁流变弹性体夹具进行固定，通过调整控制电流的大小，来控制所述磁流变弹性体的刚度，从而调节所述悬臂梁的边界约束刚度；

磁场发生装置包括电磁铁和永磁体两个部分，通过调节控制电流可以加强或者减弱磁流变弹性体所在空间的磁感应强度。

由霍尔传感器实时采集线圈内部空间的磁场强度，并反馈给DSP，使磁流变弹性体所处空间的磁场精确的达到设定值。

Claims (2)

1.一种基于磁流变弹性体的梁结构边界约束刚度调节试验系统，其特征是：包括基座、支柱、电磁铁、悬臂梁、激振器，所述支柱和激振器均安装在基座上，电磁铁为由三段电工铁芯构成的U型结构，电磁铁通过长螺钉固定在支柱上，支柱与电磁铁之间设置隔磁板，电磁铁上缠绕控制线圈，在电磁铁U型结构的两个伸出部分的内壁上均安装永磁体，在两个永磁体之间安装磁流变弹性体，悬臂梁的一端固定于磁流变弹性体里，另一端与激振器的顶杆相接触。

2.一种基于磁流变弹性体的梁结构边界约束刚度调节试验方法，其特征是：采用如下试验系统：

包括基座、支柱、电磁铁、悬臂梁、激振器，所述支柱和激振器均安装在基座上，电磁铁为由三段电工铁芯构成的U型结构，电磁铁通过长螺钉固定在支柱上，支柱与电磁铁之间设置隔磁板，电磁铁上缠绕控制线圈，在电磁铁U型结构的两个伸出部分的内壁上均安装永磁体，在两个永磁体之间安装磁流变弹性体，悬臂梁的一端固定于磁流变弹性体里，另一端与激振器的顶杆相接触；悬臂梁上固定有加速度传感器，加速度传感器经电流放大器连接DSP控制器，DSP控制器分别与信号发生器、可调节直流电源以及计算机相连，可调节直流电源连接控制线圈，信号发生器通过功率放大器连接激振器；

(1)设置控制线圈内的初始电流强度I₀以及比例参数k、误差要求Δ∈₀；

(2)由计算机设置一个目标频率f₀，传递给DSP控制器；

(3)由计算机控制信号发生器产生的扫频信号，经由功率放大器将信号放大后传递给激振器，使悬臂梁持续产生所需要的振动形式；

(4)悬臂梁的加速度通过悬臂梁上的加速度传感器进行测量，并传递给DSP控制器，由DSP控制器进行FFT变换得到振动信号的频响函数并提取频响函数第一阶峰值频率为基频频率f；

(5)设置控制参数Δ∈＝f-f₀，实现对梁的边界系统的闭环控制；

(6)改变控制线圈内的电流强度使得新的电流强度I＝I₀-kΔ∈，磁流变弹性体所处空间的磁场强度发生变化，磁流变弹性体在磁流变效应的作用下其刚度发生改变，改变悬臂梁固定端弯曲刚度，调节了悬臂梁的边界条件；

(7)再次由加速度传感器对悬臂梁进行测量，并传递给DSP控制器，由DSP控制器对加速度进行FFT变换得到新的频响函数并提取频响函数第一阶峰值频率为基频频率f′；

(8)计算控制参数Δ∈＝f′-f，若|Δ∈|＜Δ∈₀则由DSP控制器向计算机返回此时的电流强度I；否则，改变电磁线圈内的电流强度使得新的电流强度I₁＝I-kΔ∈，重复步骤(7)使得控制参数|Δ∈|＜Δ∈₀，并由DSP控制器向计算机返回此时的电流强度。