CN112610646B - 一种结构耦合贴片主被动超材料隔振方法 - Google Patents

一种结构耦合贴片主被动超材料隔振方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种结构耦合贴片主被动超材料隔振方法，属于超材料和减振降噪技术领域。该方法在超材料结构的周期性孔洞的板状结构上设置作动器，结合设备传感器和基座传感器分别给出的振源和基座的传感信号，采用智能控制算法控制作动器作动进行线谱主动控制，对振源同时进行线谱和宽频谱的优化振动控制。本发明能够减少二次噪声、提高对线谱振动的控制能力，在全频段提升对机电设备的积极隔振效果，降低设备向基座的振动传递。

Description

一种结构耦合贴片主被动超材料隔振方法
技术领域
本发明涉及一种结构耦合贴片主被动超材料隔振方法，属于超材料和减振降噪技术领域。
背景技术
随着科技水平的提高，对设备振动噪声的隔离一方面要满足降低宽频的振动总级，另一方面也要考虑对线谱进行削峰。超材料隔振装置是一种利用超材料技术来设计得到的隔振器，其通过对材料关键物理尺寸上进行有序结构设计，其力学性能具有广阔的设计空间，在宽频谱隔振应用上具有较大潜力。更重要的特点是其刚度可以通过外部环境条件在进行控制，可结合主动控制进一步对线谱进行控制。针对机电设备积极隔振的主动控制，当前的技术手段依赖于预设模型，控制的线谱数量较少，存在二次噪声、线谱能量转移等此消彼长等问题，整体效果不佳。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种结构耦合贴片主被动超材料隔振方法，能够减少二次噪声、提高对线谱振动的控制能力，在全频段提升对机电设备的积极隔振效果，降低设备向基座的振动传递。
一种结构耦合贴片主被动超材料隔振方法，该方法在超材料结构的周期性孔洞的板状结构上设置贴片式主动作动部件，结合设备传感器和基座传感器分别给出的振源和基座的传感信号，采用智能控制算法控制作动器作动进行线谱主动控制，对振源同时进行线谱和宽频谱的优化振动控制。
进一步地，所述智能控制算法采用深度强化学习网络DQN，以上一微小时间段的设备传感器为环境数据、以基座传感器在关注频段的最小加速度振级和最不显著线谱特征的综合指标作为奖励值，对作动器的输入信号行为进行训练，采用外部计算机或服务器对多个传感器进行并行训练以缩短深度强化学习网络的训练时间；训练后的DQN网络参数直接写入隔振器的控制程序；隔振器产品安装就位后，开放其深度网络中的最后两层进行短时间的迁移训练，固化控制参数后关闭训练通道即可交付使用；原部署的网络参数在后台进行备份，在后期如发生设备状态变更引发的控制偏差后，可重新开放迁移学习层进行迁移训练。
进一步地，所述超材料结构由人工设计的单胞周期性排列组合而成，单胞的结构形式和周期性排列的横纵数量根据使用情况而定，单胞的剖面形状为三角形、六边形、四边形、五边形或圆形；排列的行数和列数为1～20。
进一步地，所述超材料结构的制造基材采用橡胶、工程塑料、聚氨酯材料、木材、复合材料、钢、铁、钛或合金。
进一步地，所述贴片式主动作动部件采用磁致伸缩、电致伸缩、压电/逆压电、磁致伸缩、热致伸缩或形状记忆合金材料。
进一步地，所述超材料结构内所有可贴片位置连续布置或间隔布置，每个单胞内的布置数量根据使用需要配置。
进一步地，所述控制程序生成的控制模块集成在隔振器内部、外部或两个及以上隔振器组网互联。
进一步地，所述主动控制的传感信号来源于集成在隔振装置内部和外接的传感器。
进一步地，所述线谱的频率范围为1Hz-1kHz，线谱数量控制数量不小于1，不超过1000。
进一步地，所述主动控制的控制参数的确定包括人工设置、预先训练、现场训练、预先训练后现场训练、迁移学习、强化学习或调试。
有益效果：
本发明充分利用超材料隔振的周期性排列的结构，在周期性孔洞结构的板状结构上设置压电陶瓷等智能贴片材料，结合振源和基座的传感信号，智能控制振动波的传递。该方法通过对超材料结构被动隔振与主动作动的主被动联合隔振，对振源同时进行线谱和宽频谱的振动控制，最大程度降低的振源的振动传递，且主动隔振对被动隔振的干扰小，系统稳定性高，全屏段振动传播控制效果显著。
附图说明
图1为本发明的结构耦合贴片主被动联合超材料隔振部件示意图；
图2为本发明的结构耦合贴片结构单胞示意图一；
图3为本发明的结构耦合贴片结构单胞示意图二；
图4为本发明的结构耦合贴片主被动联合超材料隔振元件示意图；
图5为本发明的结构耦合贴片主被动联合超材料隔振方法应用示意图；
图6为本发明的实施例主动控制无输出时的力位移曲线示意图；
图7为本发明的实施例主被动联合控制的隔振效果示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种结构耦合贴片主被动超材料隔振方法，图1所示为结构耦合贴片主被动超材料隔振部件示意图。其主要组成部分为贴片式主动作动部件20和超材料隔振部件21。贴片式主动作动部件20不限于作动原理和方法，可根据空间大小、振源强度及可用能源等外部条件选择，包括但不限于使用磁致伸缩、电致伸缩、压电/逆压电材料、磁致伸缩、热致伸缩、形状记忆合金及其他组合材料或结构。超材料隔振部件21的结构形式参考如超材料隔振部件22的结构形式参考如下九篇专利中的任意一种：1.一种超低频抗冲击超材料隔振装置(201610123969.7)、2.一种超低频抗冲击超材料隔振装置(201620168336.3)、3.超材料隔振器(201610939527.X)、4.一种超材料隔振器力学性能测试装置(201710031002.0)、5.一种超材料隔振器力学性能测试装置(201720069015.2)、6.一种具有可调节非线性力学特征的超材料隔振器(201810737331.1)、7.一种具有可调节非线性力学特征的超材料隔振器(201821070335.0)、8.一种基于锁能超材料的自适应高过载冲击隔离结构(201810738554.X)、9.一种基于锁能超材料的自适应高过载冲击隔离结构(201821070368.5)。
超材料隔振部件21的基材不限定于金属或非金属材料，其周期性的具体形状根据所需隔振低频范围、刚度确定，如三角形、六边形、四边形、五边形、圆形、不规则形状等；周期性排列的横纵数量根据使用情况确定，排列的行数和列数从1到20以上不等。通过对贴片式主动作动部件20进行主动控制，可控制弹性波沿超材料隔振部件21的斜壁方向的传递。根据使用范围的变化，主被动联合超材料隔振部件的额定载荷大于1kg，可根据设计在较大范围内调整，也可在使用过程中根据实际承载情况进行调整，隔振频率范围为1Hz-10KHz。
本发明所涉及的贴片式主动作动部件20和超材料隔振部件21的组合方式可根据工艺、制造特点选取，包括但不限于图2和图3中所示的单胞形式。图2为贴片式主动作动部件20布置于超材料隔振部件21的斜壁表面，图3为贴片式主动作动部件20嵌于超材料隔振部件21斜壁的内部。图2和图3中单胞斜壁截面内的作动部件数量分别为4个和2个，可根据使用需要在斜壁内增加或减少。
图4所示为结构耦合贴片主被动超材料隔振元件的一种示意图，本发明的隔振装置和隔振元件包括但不限于该示意图所限制的形式。在该实施例中，隔振元件的组成包括上连接端10和下连接端16、控制计算机11、输入端口12、输出端口13、动力端口14、主被动联合超材料隔振部件15、传感器17、18以及防护罩19等。上连接端10和下连接端16的连接结构的形式包括但不限于法兰、螺纹、配合以及卡扣等形式。控制计算机11、传感器17、18等部件可布置在元件或装置内，在空间限制或有其它考虑因素时也可布置在隔振元件或隔振装置外。控制计算机11的种类包括但不限于单片机、微型计算机、集成电路板卡，其控制方法包括但不限于深度学习、强化学习等基于神经网络的深度学习算法和PID控制、极点配置、最优控制、正位置反馈控制、自适应控制等，控制算法的实现载体包括但不限于软件实现和FPGA等硬件实现；控制参数的确定包括但不限于人工设置、预先训练、现场训练、预先训练后现场训练、迁移学习、强化学习或调试。本发明主动控制线谱的频率范围为1Hz-1kHz，线谱数量控制数量不小于1，不超过1000。
实施例：
对某重约350kg的电机进行主被动联合隔振，如图3。动力设备1为电动机、水泵、压缩机、液压泵等机械设备，其机脚经由结构耦合贴片主被动联合超材料隔振装置4、本例中为隔振器，弹性安装于基座6上，基座6与地基、船体等基础7相连。隔振装置4两端可通过数据线接收设备传感器2和基座传感器5的振动信号。该设备的装置4之间可通过有线或无线8数据传输方式互联，与上一级系统或邻近设备间通过有线或无线9数据传输方式进行通讯，实现协同控制。
本发明涉及的设备安装方式包括但不限于图1所示的形式，例如设备的布置方式包括但不限于卧式、侧挂等，隔振装置的形式包括但不限于单层隔振、双层隔振；隔振装置的方案包括但不限于采用分散布置的隔振元器件、采用结构耦合贴片主被动联合超材料隔振方法的一体化隔振装置、与其他主动隔振或被动隔振或主被动联合隔振装置或元器件联用等形式。
设备传感器2和基座传感器5布置位置包括但不限于如3所示的外接信号形式、如图2所示的内置形式以及两者都采用；设备传感器2和基座传感器5的类型包括但不限于加速度传感器、位移传感器、速度传感器、力传感器、声传感器、温度传感器等；设备传感器2和基座传感器5的数量根据需要可灵活配置，例如当采用外接信号时可取消，当隔振元件的体积较大、安装面的振动可能不均匀时，应考虑配置更多的传感器，传感器的种类可按上述类型根据使用环境选取和组合。
本实施例中，超材料隔振元件22为某聚氨酯材料，采用截面近似四边形的单胞结构，单胞高20mm，宽60mm，深50mm，布置形式为2行2列，如图2所示。作动器21主要采用PZT压电陶瓷，基板为铜、作动方向为在图2所示的截面平面内弯曲，作动器的驱动信号由内置的经过深度学习预训练的控制板根据内置的设备传感器2和基座传感器5加速度传感器信号进行计算后输出至外置的信号放大器放大后，驱动作动器完成动态作动，实施主动控制。所组成的单个主被动联合超材料隔振器4的而定载荷为150kg。
本实施例中，作动器未输出时，在额定的150kg载荷下，主被动联合超材料隔振器4的静刚度为147N/mm，图6为本实施例在主动控制无输出时的力位移曲线,额定载荷下固有频率为5Hz。本实施例中，结构耦合贴片主被动超材料隔振器全部投入使用后对隔振器上下隔振效果如图6所示。图7中曲线22为基座平均加速度振级，曲线23为机脚平均加速度振级，本实施例中的结构耦合贴片主被动超材料隔振器投入使用后，振动从机脚传递至基座的过程中，从10Hz-8kHz全频段范围内的加速度振级都显著下降，且线谱峰相对平滑，线谱削峰作用明显。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种结构耦合贴片主被动超材料隔振方法，其特征在于，该方法在超材料结构的周期性孔洞的板状结构上设置贴片式主动作动器，结合设备传感器和基座传感器分别给出的振源和基座的传感信号，采用智能控制算法控制作动器作动进行线谱主动控制，对振源同时进行线谱和宽频谱的优化振动控制；
所述智能控制算法采用深度强化学习网络DQN，以上一微小时间段的设备传感器为环境数据、以基座传感器在关注频段的最小加速度振级和最不显著线谱特征的综合指标作为奖励值，对作动器的输入信号行为进行训练，采用外部计算机或服务器对多个传感器进行并行训练以缩短深度强化学习网络的训练时间；训练后的DQN网络参数直接写入隔振器的控制程序；隔振器产品安装就位后，开放其深度网络中的最后两层进行短时间的迁移训练，固化控制参数后关闭训练通道；原部署的网络参数在后台进行备份，在后期发生设备状态变更引发的控制偏差后，重新开放迁移学习层进行迁移训练。
2.如权利要求1所述的结构耦合贴片主被动超材料隔振方法，其特征在于，所述超材料结构由人工设计的单胞周期性排列组合而成，单胞的结构形式和周期性排列的横纵数量根据使用情况而定，单胞的剖面形状为三角形、六边形、四边形、五边形或圆形；排列的行数和列数为1～20。
3.如权利要求2所述的结构耦合贴片主被动超材料隔振方法，其特征在于，所述超材料结构的制造基材采用橡胶、工程塑料、聚氨酯材料、木材、复合材料、钢、铁、钛或合金。
4.如权利要求3所述的结构耦合贴片主被动超材料隔振方法，其特征在于，所述贴片式主动作动部件采用磁致伸缩、电致伸缩、压电/逆压电、热致伸缩或形状记忆合金材料。
5.如权利要求4所述的结构耦合贴片主被动超材料隔振方法，其特征在于，所述超材料结构内所有可贴片位置连续布置或间隔布置，每个单胞内的布置数量根据使用需要配置。
6.如权利要求5所述的结构耦合贴片主被动超材料隔振方法，其特征在于，所述控制程序生成的控制模块集成在隔振器内部、外部或两个及以上隔振器组网互联。
7.如权利要求6所述的结构耦合贴片主被动超材料隔振方法，其特征在于，所述主动控制的传感信号来源于集成在隔振装置内部和外接的传感器。
8.如权利要求7所述的结构耦合贴片主被动超材料隔振方法，其特征在于，所述线谱的频率范围为1Hz-1kHz，线谱数量控制数量不小于1，不超过1000。
9.如权利要求8所述的结构耦合贴片主被动超材料隔振方法，其特征在于，所述主动控制的控制参数的确定包括人工设置、预先训练、现场训练、预先训练后现场训练、迁移学习、强化学习或调试。
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