CN116950218A - 具有柔性索系约束边界的悬臂梁结构 - Google Patents
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Abstract
一种具有柔性索系约束边界的悬臂梁结构，包括：外框架、设置于外框架内的若干柔性钢索以及悬臂梁，其中：每根悬臂梁的一端与外框架固定连接，另一端与柔性钢索相连，柔性钢索的两端分别与位于外框架顶部的中心轴和底部的钢索保持架相连。本装置能够传递力并且满足悬臂梁边界约束。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种振动控制领域的技术，具体是一种具有柔性索系约束边界的悬臂梁结构。
背景技术
悬臂梁具有结构简单、参数稳定、加工与安装工艺简便等优点，在压电振动控制领域常常作为压电材料的基材使用。然而这类结构由于边界条件的约束，即一端固支一端自由，通常难以与其他结构连接并传递力。当采用螺栓等传统的刚性连接时，悬臂梁的自由端上下两端面因受到固定约束，导致边界条件改变，难以屈曲产生挠度；当采用折叠梁柔性连接时，折叠梁能够满足其自由边界的要求，但易引发结构不稳定等问题，并且在力的传递过程中，因其刚度较低，造成能量的损失较大、传递效率较低。
发明内容
本发明针对现有无法承载质量、无法传递力以及无法实现主被动一体的隔振作用的不足，提出一种具有柔性索系约束边界的悬臂梁结构，能够传递力并且满足悬臂梁边界约束。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种柔性索系约束边界的悬臂梁结构，包括：外框架、设置于外框架内的若干柔性钢索以及悬臂梁，其中：每根悬臂梁的一端与外框架固定连接，另一端与柔性钢索相连，柔性钢索的两端分别与位于外框架顶部的中心轴和底部的钢索保持架相连。
所述的悬臂梁的上下侧面均粘贴有压电陶瓷纤维片(MFC)，当向压电陶瓷纤维片施加电压时悬臂梁发生屈曲产生挠度并通过柔性钢索向中心轴传递力。
所述的外框架为圆环结构，对应柔性钢索以中心轴为中心对称设置，悬臂梁为半径方向中心对称且多层设置形成索系结构
所述的悬臂梁与柔性钢索之间通过铝套压制连接，具体为：悬臂梁的末端设有穿丝孔，柔性钢索穿过穿丝孔并在穿丝孔上方和下方通过铝套压紧以限制钢索与悬臂梁之间的相对运动。
本发明涉及一种基于上述的悬臂梁结构的振动控制方法，利用阵列悬臂梁自身的刚度阻尼特性实现被动式振动控制；通过向压电陶瓷纤维片施加时变的电压信号，通过位移传感器采集的振动幅值进行负反馈控制，实现主动振动控制。
所述的压电陶瓷纤维片的工作电压在-500V至1500V，不同电压下能够输出相应的力和位移。在振动过程中，可以根据位移传感器采集到的反馈信号计算压电纤维片抵消当前位移所需的电压。
技术效果
本发明采用具有阻尼效果的悬臂梁两侧粘贴压电陶瓷纤维片，悬臂梁末端与中心轴通过钢索实现柔性连接，使得外框架与中心轴能够产生相对运动，悬臂梁在压电陶瓷纤维片的作用下能够通过钢索向中间轴传递力，从而实现对振动的主动抑制。
附图说明
图1为本发明示意图；
图2为本发明俯视图；
图3为本发明侧视图；
图4为本发明中悬臂梁示意图
图5为本发明原理图；
图6为本发明扫频激励试验下被动隔振性能结果图；
图7为本发明谐波激励试验下主动隔振性能结果图。
图中：1中心轴、2外框架、3柔性钢索、4铝套、5滑动轴承、6压电陶瓷纤维片(MFC)、7悬臂梁、8钢索保持架。
具体实施方式
如图1-图4所示，为本实施例涉及一种柔性索系约束边界的悬臂梁结构，包括：外框架2、设置于外框架2内的若干柔性钢索3以及悬臂梁7，其中：每根悬臂梁7的一端与外框架2固定连接，另一端与柔性钢索3相连，柔性钢索3的两端分别与位于外框架2顶部的中心轴1和底部的钢索保持架8相连。
所述的悬臂梁7的上下侧面均设有压电陶瓷纤维片6，当向压电陶瓷纤维片6施加电压时悬臂梁7发生屈曲产生挠度并通过柔性钢索3向中心轴传递力。
所述的压电陶瓷纤维片6具体通过环氧树脂胶粘贴在悬臂梁上下两侧。
所述的中心轴1通过滑动轴承5与外框架2相连。
所述的外框架2为圆形结构，对应柔性钢索3以中心轴1为中心对称设置，悬臂梁7为半径方向中心对称且多层设置形成索系结构。
所述的悬臂梁7与柔性钢索3之间通过铝套压制连接，具体为：悬臂梁7的末端设有穿丝孔，柔性钢索3穿过穿丝孔并在穿丝孔上方和下方通过铝套压制，以限制位移。
优选地，每根悬臂梁7的末端与两根柔性钢索3连接。
经过具体实际实验，在吊装225kg质量(平衡重力)、横向施加振动激励，在0-15Hz、峰峰值0.4mm扫频激励下，能够得到的被动隔振实验结果是：系统共振频段1-3Hz，10Hz下振动传递率降低20dB。在吊装225kg质量(平衡重力)、横向施加振动激励，在1.5-2.5Hz共振区域，峰峰值0.2mm谐波激励下，测得共振区域主动隔振结果是：振动传递率显著下降，传递率最高峰+18dB可降至-2dB。
所述的压电陶瓷纤维片6在通电时由于逆压电效应产生机械力与变形伸长。悬臂梁7在压电陶瓷纤维片6的作用下受拉屈曲，由于悬臂梁末端与外框架存在固定约束限制变形，悬臂梁另一端与柔性钢索柔性连接，两端等效刚度存在明显差异，故悬臂梁在柔性钢索连接端产生挠度。铝套限制了柔性钢索的滑动，故当悬臂梁向上弯曲时，柔性钢索上部不受力，松弛，柔性钢索下部受力张紧，压电陶瓷纤维片6的机械力通过柔性钢索传递至中心轴，带动中心轴向上运动。悬臂梁向下弯曲时，柔性钢索下部不受力，松弛，上部受力张紧，带动中心轴向下运动，采用柔性连接的方式满足了悬臂梁的边界约束条件，实现了向中心轴传递力。
与现有技术相比，本装置通过柔性钢索实现悬臂梁与中心轴的连接，利用钢索仅能承受轴向拉力不承受压力的特点，实现了梁两端的刚度差，保证悬臂梁边界条件成立，能够屈曲产生挠度并将做动力传递至中心轴实现主被动振动抑制。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (6)
1.一种柔性索系约束边界的悬臂梁结构，其特征在于，包括：外框架、设置于外框架内的若干柔性钢索以及悬臂梁，其中：每根悬臂梁的一端与外框架固定连接，另一端与柔性钢索相连，柔性钢索的两端分别与位于外框架顶部的中心轴和底部的钢索保持架相连；
所述的悬臂梁的上下侧面均设有压电陶瓷纤维片，当向压电陶瓷纤维片施加电压时悬臂梁发生屈曲产生挠度并通过柔性钢索向中心轴传递力。
2.根据权利要求1所述的柔性索系约束边界的悬臂梁结构，其特征是，所述的外框架为圆形结构，对应柔性钢索以中心轴为中心对称设置，悬臂梁为半径方向中心对称且多层设置形成索系结构。
3.根据权利要求1所述的柔性索系约束边界的悬臂梁结构，其特征是，所述的悬臂梁与柔性钢索之间通过铝套压制连接，具体为：悬臂梁的末端设有穿丝孔，柔性钢索穿过穿丝孔并在穿丝孔上方和下方通过铝套压制以限制位移。
4.根据权利要求1所述的柔性索系约束边界的悬臂梁结构，其特征是，所述的中心轴通过滑动轴承与外框架相连。
5.根据权利要求1所述的柔性索系约束边界的悬臂梁结构，其特征是，每根悬臂梁的末端与两根柔性钢索连接。
6.一种基于权利要求1-5中任一所述悬臂梁结构的振动控制方法，其特征在于，利用阵列悬臂梁自身的刚度阻尼特性实现被动式振动控制；通过向压电陶瓷纤维片施加时变的电压信号，通过位移传感器采集的振动幅值进行负反馈控制，实现主动振动控制。
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