CN109457827B - 一种摩擦诱导变模态的减震方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种摩擦诱导变模态的减震方法及装置，对梁结构进行预模态实验分析，获得梁结构的响应信号，确定构成响应的主要模态，所述主要模态为当前激励条件下的梁结构响应信号的主要构成；进行减震处理：在梁结构的主要模态对应的任一振型极大值位置处对梁结构施加法向压力，使产生沿梁结构横向的摩擦力，逐渐增大所述法向压力，并检测梁结构的响应：若响应降低未超过设定阈值，则重新确定所述构成响应的主要模态，并且重复减震处理过程，直至梁结构的响应降低超过设定阈值。本发明对梁结构进行预模态实验分析，确定主要模态，根据主要模态进行减震处理，该方法简单、可靠，能够大幅度减小因共振或模态不匹配导致的结构大幅运动。

Description

一种摩擦诱导变模态的减震方法及装置

技术领域

本发明属于结构振动抑制技术领域，具体涉及一种摩擦诱导变模态的减震方法及装置。

背景技术

振动是十分普遍的自然现象，几乎在物理学的各个分支学科和许多交叉学科中的各个领域中都可以观察到它并需要应用它。大幅振动往往是由共振引起，将引起机械和结构上的很大的变形和动应力，甚至造成破坏性事故。因此，在桥梁、码头等各种建筑，飞机、轮船、发动机等机器设备的设计、制造、安装中，为使建筑结构安全工作和机器能正常运转，都必须考虑因共振引起的大幅振动问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种摩擦诱导变模态的减震方法及装置，用以解决因共振引起的大幅振动而造成破坏性事故的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

本发明提供了一种摩擦诱导变模态的减震方法，包括如下步骤：

对梁结构进行预模态实验分析，获得梁结构的响应信号，确定构成响应的主要模态，所述主要模态为当前激励条件下的梁结构响应信号的主要构成；进行减震处理：在梁结构的主要模态对应的任一振型极大值位置处对梁结构施加法向压力，使得产生沿梁结构横向的摩擦力，逐渐增大所述法向压力，并检测梁结构的响应：若响应降低未超过设定阈值，则重新确定所述构成响应的主要模态，并且重复减震处理过程，直至梁结构的响应降低超过设定阈值。

该方法通过对梁结构进行预模态实验分析，确定主要模态，根据主要模态来进行减震处理，简单、可靠，能够大幅度减小因共振引起的大幅振动。

本发明还提供了一种摩擦诱导变模态的减震装置，包括用于检测梁结构振动的加速度传感器以及一个用于与梁结构接触的摩擦单元，还包括用于沿梁结构径向挤压摩擦单元使产生沿梁结构横向的摩擦力的施力机构和用于驱动摩擦单元沿梁结构轴向移动的平移机构，施力机构的输出端与所述摩擦单元之间设有弹性缓冲件。

该减震装置，可通过平移机构带动摩擦单元沿梁结构轴向移动，到达预定位置即主要模态的振型极大值位置处，与梁结构接触，施力机构使摩擦单元和梁结构侧面产生法向压力，在梁结构振动过程中，使产生沿梁结构横向的摩擦力，而且，能够在进行减震处理时，通过施力机构控制摩擦单元与梁结构的法向压力。该装置在充分了解摩擦非线性可大幅改变梁结构的共振频率的基础上，利用此特性控制结构自然频率，使其主动偏离激励频率范围，达到主动避免共振减小振动的效果。

作为装置的进一步的改进，所述平移机构包括平移轨道和与平移轨道导向装配的滑块；所述滑块连接一个驱动电机。驱动电机带动滑块在平移轨道往复移动，从而能够带动摩擦单元快速、方便地移动到主要模态对应的振型极大值位置处。

作为装置的进一步的改进，所述平移机构包括一个丝杠丝母结构，丝杠丝母机构的丝母上固定一个安装座。丝杠丝母结构能够带动安装座往复移动，从而能够带动摩擦单元快速、方便地移动到主要模态对应的振型极大值位置处。

作为装置的进一步的改进，所述施力机构固定在所述安装座上，所述施力机构包括第一电机，第一电机的输出端连接所述弹性缓冲件。施力机构为电机，简单、方便地控制摩擦单元对梁结构施加法向压力。

作为装置的进一步的改进，所述第一电机输出端还设有用于检测弹性缓冲件与第一电机输出端之间压力的压力传感器。通过该压力传感器来测量摩擦单元与梁结构的法向压力，以便直接控制第一电机的伸缩长度，其伸缩长度即位弹簧缓冲件的压缩长度，进而可换算出弹性缓冲件的压缩力，此压缩力即为摩擦单元与梁结构的法向压力。故通过该压力传感器可用于调控摩擦单元与梁结构的法向压力，从而控制梁结构模态频率的降低幅度。

作为装置的进一步的改进，所述弹性缓冲件和摩擦单元之间设置有前端垫块，所述第一电机和弹性缓冲件之间设置有后端垫块。前端垫块和后端垫块用于支撑弹性缓冲件。

作为装置的进一步的改进，还包括围设所述第一电机、前端垫块、弹性缓冲件、后端垫块的摩擦单元基座。摩擦单元基座的设置，在施力机构对摩擦单元施加力时，防止摩擦单元在弹性缓冲件的挤压下偏离原来位置。

作为装置的进一步的改进，加速度传感器通过磁力座连接梁结构，或者螺纹连接梁结构。加速度传感器通过磁力座或者螺纹连接梁结构，使得加速度传感器更加可靠地连接在梁结构上，从而使得加速度传感器检测的信号更加准确。

作为装置的进一步改进，加速度传感器固定在梁结构刚度最大位置或模态节点位置。根据该位置来安装加速度传感器，可准确测量得到梁结构的响应信号。

附图说明

图1是本发明的摩擦诱导变模态的减震装置的结构图；

图2是本发明的摩擦诱导变模态的减震方法的流程图；

其中，1-梁结构的连接构件，2-梁结构，3-摩擦单元，4-弹簧前端约束块，5-弹簧，6-弹簧后端约束块，7-直线电机，8-摩擦单元基座，9-压力传感器，10-丝杠，11-滚珠滑块，12-双向旋转电机，13-加速度传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。

方法实施例

在振动测试中，常常人为地再现共振状态，进行机械的振动试验和动态分析。模态试验又称为试验模态分析，是为确定线性振动系统的模态参数所进行的振动试验。

该实施例所采用的摩擦诱导变模态的减震装置的结构图如图1所示，包括梁结构2和梁结构的连接构件1，梁结构2和梁结构的连接构件1之间通过螺纹或焊接等方式固定。而且，梁结构的连接构件1可以是活动或固定属性的构件。梁结构2上还通过磁力座或螺纹(图1中未画出)连接有加速度传感器13，加速度传感器13应固定在梁结构2的结构刚度最大位置或模态节点附近。

该装置还包括双向旋转电机12，丝杆10连接有滚珠滑块11，滚珠滑块11和丝杠10构成滚珠丝杠运动副。双向旋转电机12可实现正、反向旋转，带动丝杠10正向旋转或反向旋转，以实现滚珠滑块11(安装座)沿丝杠10轴向的双向直线运动。

该装置还包括摩擦单元基座8，摩擦单元基座8的外部与滚珠滑块11固定连接，摩擦单元基座8的内部与直线电机7固定连接。直线电机7的伸出端与压力传感器9接触连接，压力传感器9可随直线电机7做轴向伸缩运动。压力传感器9的另一端面与弹簧后端约束块6接触连接，弹簧后端约束块6可将直线电机7的轴向伸缩力经压力传感器9传递给弹簧5，使弹簧5受力压缩。

弹簧5的另一端与弹簧前端约束块4接触，弹簧前端约束块4受到弹簧5的压缩力。弹簧前端约束块4与摩擦单元3固定连接，摩擦单元3受到弹簧5对弹簧前端约束块4的压缩力，使摩擦单元3与梁结构2侧面的接触部位产生一定的法向压力，这种法向压力可通过调节直线电机7的伸缩量，来控制弹簧5的压缩量。

其中，压力传感器9置于弹簧后端约束块6和直线电机7之间，将直线电机伸缩力传递给弹簧后端约束块6，并测量弹簧后端约束块6和直线电机7之间的压力，以调节摩擦单元3与梁结构2的法向压力和摩擦力。

弹簧前端约束块4和摩擦单元基座8为间隙配合，保证弹簧前端约束块4在摩擦单元基座8内自由移动(或采用滚动接触形式)；弹簧后端约束块6和摩擦单元基座8为间隙配合，保证弹簧后端约束块6在摩擦单元基座8内自由移动(或采用滚动接触形式)。而且，该摩擦单元基座8用来围设直线电机7、弹簧前端约束块4、弹簧5、弹簧后端约束块6，在弹簧5将压缩力传递给摩擦单元3时，防止摩擦单元3偏离原来位置。

采用上述摩擦诱导变模态的减震装置来做实验，以降低因共振引起的大幅振动，步骤如图2所示：

1、针对梁结构2，采用LMS振动测试系统(或其它模态试验系统)，以及移动力锤模态实验方法(或工作模态实验方法、激振器激励模态实验方法)，进行预模态实验分析，获得所关注的前几阶模态频率、模态振型和模态节点。

2、通过LMS振动测试系统(或其它数据采集系统)以及加速度传感器13，获得梁结构2的响应信号，并采用频域分析方法确定第i阶模态为当前激励条件下的响应信号主要构成。

3、根据已经获得的模态频率、模态振型和模态节点信息，以及确定的第i阶模态，可知第i阶模态频率、模态振型和模态节点信息；此时触发双向旋转电机12进行正、反向旋转，动力经丝杠10、滚珠滑块11可带动摩擦单元基座8沿梁结构2的轴向方向左或向右移动。

4、使摩擦单元基座8移动到第i阶模态振型极大值位置，此时一定的摩擦力可最大限度的改变结构模态频率，使结构模态频率远离当前激励条件下的共振区域。

5、依据梁结构2响应信号的大小对摩擦力的大小进行自适应调节。当梁结构响应过大时，触发直线电机7控制开关处于闭合状态，使直线电机7伸长量增大，增大弹簧5的压缩力，使摩擦单元3前端与梁结构2的法向压力增大，增大摩擦力幅值；当梁结构响应达到一定值时，触发直线电机7控制开关处于关闭状态，达到摩擦力的自适应调节。

6、当摩擦力增大到一定值时，若梁结构2响应没有明显降低(即降低未超过设定阈值)，判断减振失效，或随着外界激励的变化导致减震失效；此时，重新判断第i阶模态是否为构成响应的主要模态，重复步骤2～步骤6。

装置实施例1

具体的装置实施例1可参考方法实施例中所采用的摩擦诱导变模态的减震装置，这里不再赘述。

装置实施例2

在装置实施例1中，用于驱动摩擦单元沿梁结构轴向移动的平移机构为滚珠滑块11、丝杠10构成的丝杠丝母结构，由双向旋转电机12带动丝杠10正向旋转或反向旋转，实现滚珠滑块11沿丝杠10轴向的双向直线运动。在该实施例中，不再使用该结构，而是使用现有的滑动平台结构，该滑动平台结构包括一个平移轨道，在平移轨道上导向装配有一个滑块，该滑块连接有一个电机，在该电机的驱动下，带动滑块沿着平移轨道往复移动。此时，直线电机可设置在该滑块上，以实现驱动摩擦单元沿梁结构轴向移动。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种摩擦诱导变模态的减震方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)：针对梁结构，采用LMS振动测试系统或其它模态试验系统，以及移动力锤模态实验方法或工作模态实验方法、激振器激励模态实验方法，进行预模态实验分析，获得所关注的前若干阶模态频率、模态振型和模态节点；

步骤2)：通过LMS振动测试系统或其它数据采集系统以及加速度传感器，获得梁结构的响应信号，并采用频域分析方法确定第i阶模态为当前激励条件下的梁结构响应信号的主要构成；

采用减震装置进行减震处理：所述减震装置为摩擦诱导变模态的减震装置，所述减震装置包括用于检测梁结构振动的加速度传感器以及一个用于与梁结构接触的摩擦单元，还包括用于沿梁结构径向挤压摩擦单元使产生沿梁结构横向的摩擦力的直线电机和用于驱动摩擦单元沿梁结构轴向移动的平移机构，直线电机的输出端与所述摩擦单元之间设有弹性缓冲件，所述弹性缓冲件为弹簧；用于驱动摩擦单元沿梁结构轴向移动的平移机构为滚珠滑块、丝杠构成的丝杠丝母结构，由双向旋转电机带动丝杠正向旋转或反向旋转，实现滚珠滑块沿丝杠轴向的双向直线运动；所述减震装置还包括摩擦单元基座，摩擦单元基座的外部与滚珠滑块固定连接，摩擦单元基座的内部与直线电机固定连接；

步骤3)：根据已经获得的模态频率、模态振型和模态节点信息，以及确定的第i阶模态，可知第i阶模态频率、模态振型和模态节点信息；此时触发双向旋转电机进行正、反向旋转，动力经丝杠、滚珠滑块带动摩擦单元基座沿梁结构的轴向方向左或向右移动；

步骤4)：使摩擦单元基座移动到第i阶模态振型极大值位置，此时对应的摩擦力可最大限度的改变结构模态频率，使结构模态频率远离当前激励条件下的共振区域；

步骤5)：依据梁结构响应信号的大小对摩擦力幅值的大小进行自适应调节；当梁结构响应大于门限时，触发直线电机控制开关处于闭合状态，使直线电机伸长量增大，增大弹簧的压缩力，使摩擦单元前端与梁结构的法向压力增大，增大摩擦力幅值；当梁结构响应达到设定值时，触发直线电机控制开关处于关闭状态，达到摩擦力的自适应调节；

步骤6)：当摩擦力幅值增大到设定值时，若梁结构响应降低未超过设定阈值，判断减振失效，或随着外界激励的变化导致减振失效；此时，重新判断第i阶模态是否为构成响应的主要模态，并且重复步骤2)～步骤6)。

2.一种采用如权利要求1所述的摩擦诱导变模态的减震方法的减震装置，其特征在于，包括用于检测梁结构振动的加速度传感器以及一个用于与梁结构接触的摩擦单元，还包括用于沿梁结构径向挤压摩擦单元使产生沿梁结构横向的摩擦力的直线电机和用于驱动摩擦单元沿梁结构轴向移动的平移机构，直线电机的输出端与所述摩擦单元之间设有弹性缓冲件；所述弹性缓冲件为弹簧；用于驱动摩擦单元沿梁结构轴向移动的平移机构为滚珠滑块、丝杠构成的丝杠丝母结构，由双向旋转电机带动丝杠正向旋转或反向旋转，实现滚珠滑块沿丝杠轴向的双向直线运动；所述减震装置还包括摩擦单元基座，摩擦单元基座的外部与滚珠滑块固定连接，摩擦单元基座的内部与直线电机固定连接。

3.根据权利要求2所述的摩擦诱导变模态的减震方法的减震装置，其特征在于，所述直线电机输出端还设有用于检测弹性缓冲件与直线电机输出端之间压力的压力传感器。

4.根据权利要求2所述的摩擦诱导变模态的减震方法的减震装置，其特征在于，所述弹性缓冲件和摩擦单元之间设置有前端垫块，所述直线电机和弹性缓冲件之间设置有后端垫块。

5.根据权利要求4所述的摩擦诱导变模态的减震方法的减震装置，其特征在于，还包括围设所述直线电机、前端垫块、弹性缓冲件、后端垫块的摩擦单元基座。

6.根据权利要求2所述的摩擦诱导变模态的减震方法的减震装置，其特征在于，加速度传感器通过磁力座连接梁结构，或者螺纹连接梁结构。

7.根据权利要求6所述的摩擦诱导变模态的减震方法的减震装置，其特征在于，加速度传感器固定在梁结构刚度最大位置或模态节点位置。

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