CN112610647A - 一种结构耦合智能正交主被动联合超材料隔振方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种结构耦合智能正交主被动联合超材料隔振方法，属于超材料、减振降噪和主动控制技术交叉领域。本方法利用超材料隔振的周期性排列的结构，在周期性孔洞结构与主承载方向垂直的方向上设置横向作动器，结合振源和基座的传感信号，智能控制作动器在横向方向施加静态和动态载荷，在调节超材料隔振器刚度的同时实施主动隔振。该方法通过对被动隔振性能调控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优化振动控制，最大程度降低的振源的振动传递，而且主动作动直接作用方向与振动方向垂直，可提升系统稳定性，降低二次激励。

Description

一种结构耦合智能正交主被动联合超材料隔振方法
技术领域
本发明涉及一种结构耦合智能正交主被动联合超材料隔振方法，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的现象，整体效果不能令人满意。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种结构耦合智能正交主被动联合超材料隔振方法，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。
一种结构耦合智能正交主被动联合超材料隔振方法，该隔振方法将主动控制的作动器件同被动隔振的超材料结构相耦合，采用智能控制算法控制作动器向垂直于主承载方向上施加静态和动态载荷，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的手段构建控制网络模型，在开启设备或采用实验室模拟载荷的条件下对控制系统进行在线训练；训练初期，对作动器施加的电压为静态电压加上随机的动态电压，训练时，以上一微小时间段的传感器的频率信号及相位信号作为环境数据，以下一微小时间段的传感器计算所得的关注频段的隔振效果作为奖励值对作动器的电压加载策略进行训练，通过训练得到作动器优化作动的主被动控制参数模型；训训练后得到的控制参数在写入隔振器的控制程序，在安装于应用环境后，使网络参数在设定的变化幅值的上下限范围内进行短时间的就地优化调参，以达到最佳的主被动联合隔振控制效果。
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，所述作动器采用压电陶瓷、磁致伸缩作动器、电致伸缩作动器或形状记忆合金、直线电机或电磁式作动器。
进一步地，所述作动器与超材料结构之间的耦合形式采取在结构所形成的孔洞内连续布置或间隔布置，作动器的安装方式为嵌入、粘接或螺接。
进一步地，所述作动器的作动方向与设计所需隔振的主要振动方向垂直，垂直角度在设计时根据需要在90°±20°范围内选取，具体作动方向可在该垂直平面内根据结构特点任意选取。
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。
有益效果：
本发明充分利用了超材料的周期性排列的结构，在周期性孔洞结构与主承载方向垂直的方向上设置横向作动器，结合振源和基座的传感信号，通过智能控制算法控制作动器在横向方向施加静态和动态载荷，在调节超材料隔振器刚度的同时实施主动隔振。该方法通过对被动隔振性能调控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优化振动控制，最大程度降低的振源的振动传递，而且主动作动直接作用方向与振动方向垂直，可提升系统稳定性，减少二次噪声、提高对线谱振动的控制能力。
附图说明
图1为本发明的结构耦合智能正交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智能正交主被动联合超材料隔振器示意图；
图3为本发明的结构耦合智能正交主被动联合超材料隔振方法示意图；
图4为本发明的主被动联合超材料隔振部件不同控制状态下的力位移曲线实施例示意图。
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智能正交主被动联合超材料隔振方法，图1为主被动联合超材料隔振部件示意图。其主要组成部分为主动作动器21和超材料隔振部件22，作动器21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使用压电陶瓷、磁致伸缩作动器、电致伸缩作动器或形状记忆合金等智能材料或直线电机、电磁式作动器等基于传统原理的作动器；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)。
超材料结构的基材包括但不限于任意高分子材料、复合材料以及金属材料；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；周期性排列的单胞数量根据使用情况确定，其剖面形状任意，排列的行数和列数从1到20以上不等。超材料隔振部件22力学性能具有如专利文献6和7所述的可调节非线性力学特征，在作动器21作用下，超材料隔振部件22的力学性能的动态变化，并与外部承载等环境条件的相互作用，从而实现主动控制。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，使用过程中可根据实际承载情况进行较大范围调整，隔振频率范围为1Hz-10KHz。
图2所示为结构耦合智能正交主被动联合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两端连接法兰10和16、控制计算机11、输入端口12、输出端口13、电源端口14、主被动联合超材料隔振部件15、控制线17、设备传感器2、基座传感器5以及防护罩19等。所述连接法兰10和16的安装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、设备传感器2、基座传感器5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。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。
对重约700kg的某机电设备1进行主被动联合隔振，如图3所示。机电设备1为电动机、水泵、压缩机、液压泵等机械设备，其机脚由结构耦合智能正交主被动联合超材料隔振器4弹性安装于基座6上，基座6与地基、船体等基础7相连。隔振器4两端可通过数据线3接收设备传感器2和基座传感器5的振动信号。该设备的隔振器4之间可通过有线8或无线数据传输方式互联，与上一级系统或邻近设备间通过有线9或无线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和采用结构耦合智能正交主被动联合超材料隔振方法的一体化隔振装置等形式。
设备传感器2、基座传感器5的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，采用六边形单胞结构，单胞高20mm，宽30mm，深80mm，布置形式为3行2列，如图2所示。作动器21采用PZT压电陶瓷，极化方向为图3中的横向(X，Y)方向中的X向，作动行程相对额定载荷位置±0.1mm，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、基座传感器5信号进行计算后输出至外置的信号放大器放大，驱动并联的作动器完成作动，实施主动控制。所组成的单个主被动联合超材料隔振器4的额定载荷为300kg。
本实施例中，作动器在静态最小输出、额定输出和最大输出时所对应的载荷-位移曲线分别如图4中的曲线23、曲线24和曲线25所示。本实施例中，在额定的300kg载荷下，作动器额定输出时，主被动联合超材料隔振器4的静刚度为293N/mm,额定载荷对应固有频率为5Hz。
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 (10)

1.一种结构耦合智能正交主被动联合超材料隔振方法，其特征在于，该隔振方法将主动控制的作动器件同被动隔振的超材料结构相耦合，采用智能控制算法控制作动器向垂直于主承载方向上施加静态和动态载荷，对振源同时进行线谱和宽频谱的优化振动控制。
2.如权利要求1所述的结构耦合智能正交主被动联合超材料隔振方法，其特征在于，所述智能控制算法采用深度强化学习的手段构建控制网络模型，在开启设备或采用实验室模拟载荷的条件下对控制系统进行在线训练；训练初期，对作动器施加的电压为静态电压加上随机的动态电压，训练时，以上一微小时间段的传感器的频率信号及相位信号作为环境数据，以下一微小时间段的传感器计算所得的关注频段的隔振效果作为奖励值对作动器的电压加载策略进行训练，通过训练得到作动器优化作动的主被动控制参数模型；训训练后得到的控制参数在写入隔振器的控制程序，在安装于应用环境后，使网络参数在设定的变化幅值的上下限范围内进行短时间的就地优化调参，以达到最佳的主被动联合隔振控制效果。
3.如权利要求1或2所述的结构耦合智能正交主被动联合超材料隔振方法，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。
4.如权利要求1所述的结构耦合智能正交主被动联合超材料隔振方法，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。
5.如权利要求4所述的结构耦合智能正交主被动联合超材料隔振方法，其特征在于，所述作动器采用压电陶瓷、磁致伸缩作动器、电致伸缩作动器或形状记忆合金、直线电机或电磁式作动器。
6.如权利要求5所述的结构耦合智能正交主被动联合超材料隔振方法，其特征在于，所述作动器与超材料结构之间的耦合形式采取在结构所形成的孔洞内连续布置或间隔布置，作动器的安装方式为嵌入、粘接或螺接。
7.如权利要求6所述的结构耦合智能正交主被动联合超材料隔振方法，其特征在于，所述作动器的作动方向与设计所需隔振的主要振动方向垂直，垂直角度在设计时根据需要在90°±20°范围内选取，具体作动方向可在该垂直平面内根据结构特点任意选取。
8.如权利要求1所述的结构耦合智能正交主被动联合超材料隔振方法，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。
9.如权利要求8所述的结构耦合智能正交主被动联合超材料隔振方法，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。
10.如权利要求1所述的结构耦合智能正交主被动联合超材料隔振方法，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。
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