CN106059392B - 一种实现整星自供能主被动一体化非线性振动控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种实现整星自供能主被动一体化非线性振动控制装置，包括锥壳适配器，阻尼材料，立方非线性弹簧，质量块，导杆，能量采集器，导线，作动器，控制器和传感器；阻尼材料、立方非线性弹簧和质量块组成了非线性能量汇，即NES；能量采集器的一端固定在锥壳适配器上端面内侧，另一端固定在质量块上，实现NES和能量采集器的组合；导杆的两端与锥壳适配器上下端面固定，约束质量块的振动方向；作动器与锥壳适配器上下端面接触，并通过导线与能量采集器连接，控制器将安装在锥壳适配器上端的传感器反馈信号转换成控制信号并传至作动器中。本发明很大程度上解决航天器实际环境的能源限制问题，具有突出的实际应用意义。

Description

一种实现整星自供能主被动一体化非线性振动控制装置
技术领域
本发明涉及一种实现整星自供能主被动一体化非线性振动控制装置。
背景技术
在航天工程领域中，卫星在发射过程中会受到不同形式的载荷作用，包括周期、随机及瞬态等激励。前人基于整星隔振技术，在星箭连接适配器（PAF）中加入隔振装置能在一定程度上降低载荷对结构的危害。
近些年，利用非线性能量汇（Nonlinear energy sink，NES）实现机构振动控制的技术受到了广大国内外学者的研究。NES主要包含立方非线性刚度、阻尼材料和质量块组成，能够实现振动能量从主系统单向且不可逆地传递至非线性部分，达到有效的减振目标。传递至非线性吸振器上能量最终被非线性部分的阻尼材料耗散，然而阻尼耗散能量产生的热量可能会对机构产生危害，有必要研究在实现减振的情况下减少阻尼耗散的能量。
能量采集回收技术已得到很多的研究成果，包括有压电式能量采集、电磁动圈式能量采集和磁致伸缩式能量采集等，以及复合式能量采集器，例如压电电磁式能量采集器、压电压磁式能量采集器等。这些技术使得振动环境中的能量可以被采集回收再利用，是一种新能源的实现方式。所以，能量采集技术与非线性能量汇的结合运用，尝试解决使用中可能带来的弊端，并且探讨实现非线性振动能量的采集回收。
振动控制问题已得到了很多研究，包括被动控制、主动控制以及主被动一体化控制。主动控制的实现方法中主要利用作动器和控制器组成的控制系统实现，其中作动器包括压电作动器、电磁式作动器、形状记忆合金作动器和超磁致伸缩作动器等。在这几种方法中，主被动一体化控制解决了被动控制低频限制的缺点以及主动控制高频限制的缺点。尤其在航天结构振动问题的解决中，主被动一体化控制已经成为了研究的重要方面。但是在实际应用中，主、被动一体化控制会受到工程实际环境的能源限制，尤其是航天器自身所处的环境。因此，研究航天器可实现自供能主被动一体化非线性振动控制具有突出的意义。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提出一种实现整星自供能主被动一体化非线性振动控制装置，以实现航天器自供能主被动一体化非线性振动控制。
为达到上述目的，本发明在解决技术问题时候所采用的技术方案是：
一种实现整星自供能主被动一体化非线性振动控制装置，包括锥壳适配器，阻尼材料，立方非线性弹簧，质量块，导杆，能量采集器，导线，作动器，控制器和传感器；所述阻尼材料和立方非线性弹簧的一端固定在锥壳适配器上端面内侧，另一端固定在质量块上，阻尼材料、立方非线性弹簧和质量块组成了非线性能量汇，即NES；所述能量采集器的一端固定在锥壳适配器上端面内侧，另一端固定在质量块上，实现NES和能量采集器的组合；所述导杆的两端与锥壳适配器上下端面固定，约束质量块的振动方向；所述作动器与锥壳适配器上下端面接触，并通过导线与能量采集器连接，所述控制器将安装在锥壳适配器上端的传感器反馈信号转换成控制信号并传至作动器中。
所述能量采集器为压电式能量采集器、电磁式能量采集器、磁致伸缩式能量采集器或复合式能量采集器等，所述复合式能量采集器为压电电磁式能量采集器、压电压磁式能量采集器等。所述作动器为压电式作动器、电磁式作动器、形状记忆合金作动器或超磁致伸缩作动器等。
本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点：
本发明利用非线性能量汇（NES）和能量采集器装置的特点，将其组合安装于星箭锥壳适配器内，此组合装置通过导线与作动器连接，设计成一种可实现整星自供能的主、被动一体化振动控制装置。
（1）非线性能量汇（NES）和能量采集器的组合装置能够实现锥壳结构上振动能量的定向转移和振动能量的采集回收。这种组合装置利用NES可将振动能量单向传递至此非线性装置中，能量采集器能够将传递至此部分的振动能量以电能的形式部分采集回收得到。这种新形式的装置一方面降低了因阻尼耗散能量产生的热量可能对机构产生的危害，另一方面实现了被转移至NES中的振动能量的再次回收，改进了以往NES在机构消振过程中振动能量仅是阻尼耗散掉的单一方式，同时实现机构的被动振动控制以及采集能量的目标。
（2）在NES和能量采集器组合装置中回收得到的电能可通过电路供给一类作动器，依据反馈的控制信号，多个与锥壳适配器连接的作动器可实现对整星的主动控制。自供能主被动一体化非线性振动控制很大程度上解决航天器实际环境的能源限制问题，具有突出的实际应用意义。
附图说明
图1是实现整星自供能主被动一体化非线性振动控制装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施作进一步的说明。
如图1所示，一种实现整星自供能主被动一体化非线性振动控制装置，包括锥壳适配器1，阻尼材料2，立方非线性弹簧3，质量块4，导杆5，能量采集器6，导线7，作动器8，控制器9和传感器10；所述阻尼材料2和立方非线性弹簧3的一端固定在锥壳适配器1上端面内侧，另一端固定在质量块4上，阻尼材料2、立方非线性弹簧3和质量块4组成了非线性能量汇，即NES；所述能量采集器6的一端固定在锥壳适配器1上端面内侧，另一端固定在质量块4上，实现NES和能量采集器6的组合；所述导杆5的两端与锥壳适配器1上下端面固定，约束质量块4的振动方向；所述作动器8与锥壳适配器1上下端面接触，并通过导线7与能量采集器6连接，所述控制器9将安装在锥壳适配器1上端的传感器10反馈信号转换成控制信号并传至作动器8中。
所述能量采集器6可选择的种类有：压电式能量采集器、电磁式能量采集器、磁致伸缩式能量采集器以及复合式能量采集器，例如压电电磁式能量采集器、压电压磁式能量采集器等；所述作动器8可选择的种类有：压电作动器、电磁式作动器、形状记忆合金作动器和超磁致伸缩作动器等。根据能量采集器6的不同，其安装方式也有所差异，可灵活变动。
本发明实现整星自供能主被动一体化非线性振动控制装置的工作原理如下：
如图1所示，航天结构锥壳适配器在工作环境中受到外界激励时候，连接在锥壳适配器1上的NES能够将整星上的振动能量靶向连续传递至NES自身部分。连续快速传递至NES上的非线性振动能量一部分以机械能的形式存在，一部分被NES的阻尼材料2耗散，实现了被动振动控制。由于NES与锥壳适配器1之间存在的相对位移，与NES连接的能量采集器6可将剩余部分的振动能量以电能的形式采集回收得到。采集得到的电能可通过若干导线7供给作动器8。在有能量采集器6采集提供电能的前提下，控制器9将固定在锥壳适配器1上的加速度传感器反馈信号转变为控制信号，依据控制信号，作动器8选择性地对锥壳适配器1产生作用力，实现主动振动控制。面对振动控制问题时，本发明突出的特点有利于很大程度上解决航天器会遇到环境中能源限制的难题。

Claims (4)

1.一种实现整星自供能主被动一体化非线性振动控制装置，其特征在于：包括锥壳适配器（1），阻尼材料（2），立方非线性弹簧（3），质量块（4），导杆（5），能量采集器（6），导线（7），作动器（8），控制器（9）和传感器（10）；所述阻尼材料（2）和立方非线性弹簧（3）的一端固定在锥壳适配器（1）上端面内侧，另一端固定在质量块（4）上，阻尼材料（2）、立方非线性弹簧（3）和质量块（4）组成了非线性能量汇，即NES；所述能量采集器（6）的一端固定在锥壳适配器（1）上端面内侧，另一端固定在质量块（4）上，实现NES和能量采集器（6）的组合；所述导杆（5）的两端与锥壳适配器（1）上下端面固定，约束质量块（4）的振动方向；所述作动器（8）与锥壳适配器（1）上下端面接触，并通过导线（7）与能量采集器（6）连接，所述控制器（9）将安装在锥壳适配器（1）上端的传感器（10）反馈信号转换成控制信号并传至作动器（8）中。
2.根据权利要求1所述的实现整星自供能主被动一体化非线性振动控制装置，其特征在于：所述能量采集器（6）为压电式能量采集器、电磁式能量采集器、磁致伸缩式能量采集器或复合式能量采集器。
3.根据权利要求2所述的实现整星自供能主被动一体化非线性振动控制装置，其特征在于：所述复合式能量采集器为压电电磁式能量采集器或压电压磁式能量采集器。
4.根据权利要求1所述的实现整星自供能主被动一体化非线性振动控制装置，其特征在于：所述作动器（8）为压电式作动器、电磁式作动器、形状记忆合金作动器或超磁致伸缩作动器。
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