1. 引言
梁结构在建筑[1]、航空[2]、航天[3]、船舶[4]等工程领域被广泛应用,这些结构总是受到各种外部激励的影响,如果不实施有效的控制,其结构稳定性与工作精度等都会受到振动的过度影响[5] [6],所以为了尽可能减少及避免这些问题的出现,对机械进行有效的振动结构抑制是十分有必要的。因此,对连续体结构的非线性振动抑制的研究具有重要的理论和实际意义。
随着时代的发展,人们对振动给生活带来的影响有了更加深刻的认识,针对减振的研究也逐步深入。惯容器是一种优秀的减振机械装置,它具有小质量提供大惯性的特点,具有简单、可靠和高效的减振性能。近年来,惯容器被应用于车辆悬挂系统[7]、飞机起落架[8]、卫星[9]、工程建筑[10]、电缆[11]、桥梁[12]等领域。大量学者对使用惯容器应用于减振进行了深入研究,常见的研究主要是将惯容器作用在离散体上进行减振,如Barredo等人创造了一种基于惯容器的非传统动态吸振器,具有很好的减振性能[13]。Zhang等人设计了一种具有可变负刚度的曲柄惯性隔振器[14]。Shi等人研究了在菱形连杆机构中产生几何非线性的惯性隔振器[15]。Yang等人提出了一种带有对角惯容器的悬挂隔振器[16]。
对于将惯容器应用于连续体中的研究,主要以惯性非线性能量汇的形式作用于连续体边界,如Zhang等人通过在弹性梁边界加载惯性非线性能量汇来抑制弹性梁的振动[17]。Sun等人利用惯性非线性能量汇加载于弹性梁,减少了弹性梁在移动载荷作用下的非线性振动[18]。Yu等人研究了惯性非线性能量汇与连续梁结构之间的连接位置对减振性能的影响[19]。
本文提出了一种新颖的惯性边界条件,即在弹性梁的边界上水平安装阻尼和惯容器,形成斜置式惯性边界。采用广义哈密顿原理建立弹性梁加载斜置式惯性减振器的横向振动控制方程和边界控制方程。根据线性派生系统动力学方程和分离变量法求解模态振型和固有频率。结合Galerkin截断法、谐波平衡法和伪弧长算法求解了弹性梁的横向振动稳态响应。探讨了斜置式惯性、阻尼及惯容器长度对弹性梁的稳态振幅频率响应的影响。最后,总结了本文的主要研究成果。这项研究将促进和拓宽惯容器在实际工程中的应用,并为弹性梁的横向振动减振提供一种新的方法。
2. 理论模型
本文研究在弹性梁两边加载斜置式惯性边界进行减振的方法。弹性梁结构的力学模型如图1所示。弹性梁可以在垂直方向上自由振动,边界的转角受限制,无法转动。KL与KR分别为两端弹簧的刚度系数;CL与CR分别为垂直方向阻尼的阻尼系数;CHL与CHR分别为斜置式阻尼的阻尼系数;BL与BR分别为斜置式惯容器的惯容系数;l为斜置式惯容器的长度;本文所研究的梁结构模型为Euler-Bernoulli梁,W (X, T)为横向振动位移;UL = UR = U (X, T)为基础激励。
Figure 1. Physical modelling of axially loaded beam structures with elastic supports
图1. 具有粘弹性支撑的轴向载荷梁结构物理模型
应用广义Hamilton原理、变分法以及泰勒级数展开推导系统的非线性偏微分控制方程为
(1)
弹性梁的线弹性边界条件为
(">)">
对控制方程(1)进行无量纲化处理,得到控制方程为
(3)
无量纲边界条件为
(4)
式中
(5)
3. 固有频率和模态函数
忽略方程(3)和(4)中的阻尼项和非线性项,线性派生系统动力学方程及其边界条件如下
(6)
(7)
假设弹性梁横向自由振动位移解的形式为
(8)
式中ϕ (x)和q (t)分别为弹性梁的模态函数及其相应的广义坐标。
模态函数可以写作如下形式
(9)
式中待定系数Cj (j = 1, 2, 3, 4)和特征值β可通过梁的边界条件求得。特征值β与固有频率ω存在如下关系式
(10)
边界条件(7)演化为
(11)
将方程(9)代入边界条件(11)中,整理得到
(12)
由方程(12)整理可得
(13)
方程(13)整理成矩阵形式为
(14)
式中
。
Table 1. Physical and geometrical parameters of the beams
表1. 梁的物理和几何参数
名称 |
符号 |
值 |
杨氏模量 |
E |
68.9 GPa |
密度 |
ρ |
2800 kg/m3 |
粘性阻尼 |
Λ |
4 × 106 N∙s/m2 |
长 |
L |
1 m |
宽 |
b |
0.02 m |
高 |
h |
0.01 m |
横截面面积 |
A |
2 × 10−4 m2 |
截面惯性距 |
I |
1.67 × 10−9 m4 |
左端垂向弹簧刚度 |
KL |
5753.15 N/m |
右端垂向弹簧刚度 |
KR |
5753.15 N/m |
左端惯容器惯性 |
BL |
2.8 kg |
右端惯容器惯性 |
BR |
2.8 kg |
左端阻尼 |
CL |
0.5 N∙s/m |
右端阻尼 |
CR |
0.5 N∙s/m |
左端水平阻尼 |
CHL |
10 N∙s/m |
右端水平阻尼 |
CHR |
10 N∙s/m |
惯容器长度 |
l |
0.25 m |
弹性梁的材料选定为铝合金,其物理参数和几何参数如表1所示。弹性梁的两端考虑为对称的边界条件,垂向弹簧的刚度为KL = KR = 5753.15 N/m。基于给定的系统参数,求得模态函数的特征值为β1 = 3.0560、β2 = 4.1315、β3 = 6.4844、β4 = 9.4851。弹性梁的前四阶固有频率分别为f1 = 21.3060 Hz、f2 = 38.9419 Hz、f3 = 95.9270 Hz、f4 = 205.2483 Hz。令C1 = 1,那么弹性梁的前四阶模态函数如式(15)所示。
图2给出了弹性梁的前四阶模态振型。如图所示,弹性梁第一阶模态具有整体位移,最大位移出现在梁的中点位置。后三阶模态均具有模态节点,最大位移在梁的边界上。此外还可以发现,弹性梁的第一、三阶模态振型关于梁的中点呈对称分布,而其第二、四阶模态振型相对于中点呈反对称分布。弹性梁的两端具有相同的位移幅值,因此以下的研究中,只给出弹性梁的左端点和中点的响应。
(15)
Figure 2. First-fourth order mode shapes of elastic beams
图2. 弹性梁前四阶模态振型
4. 稳态幅频响应
4.1. Galerkin截断方程及其收敛性判断
应用Galerkin方法将偏微分控制方程(3)截断为常微分程。然后利用四阶Runge-Kutta方法求解系统的时间历程。假设控制方程(3)中横向振动位移的近似解为
(16)
式中,N为大于等于1的整数,ϕn (x)为线性梁的模态函数,qn (t)为梁横向振动的广义位移。Galerkin方法的势函数和权函数都选择为线性梁的模态函数如式(15)所示。偏微分方程(3)经过Galerkin截断处理后得
(17)
式中
。
(18)
方程(17)可以写作
(19)
式中
(20)
常微分方程(19)为弹性梁结构在Galerkin截断处理下的动力学方程。通过Runge-Kutta方法可以对方程进行数值求解。首先分析Galerkin截断阶数对系统自由振动响应的影响,系统初始条件设置如下
(21)
图3为Galerkin截断分别取2、4、6阶时系统的自由衰减振动时间历程。图中4、6阶截断曲线是重合的,而2阶截断曲线却有些偏差。由此得出,4、6阶Galerkin截断比2阶能更好地满足收敛条件。
(a) (b)
Figure 3. Free decay vibration time histories at different Galerkin truncation orders: (a) left end point of the beam; (b) middle point of the beam
图3. 不同Galerkin截断阶数下的自由衰减振动时间历程:(a) 梁左端点;(b) 梁中点
(a) (b)
Figure 4. Convergence of Galerkin’s truncation order for (a) the left endpoint of the beam; (b) the midpoint of the beam of the beam
图4. Galerkin截断阶数的收敛性:(a) 梁左端点;(b) 梁中点
将式(21)中系统的初值全部设为0,基础激励幅值U = 0.001 m。由不同的激励频率下,系统受迫振动的时间历程中提取出系统在稳定状态下的响应幅值,可得到系统的幅频响应曲线。在均布简谐力激励下,系统的幅频响应曲线只有两个共振峰,其共振频率分别对应着系统的第一阶和第三阶固有频率。图4中,第一阶共振峰处各阶Galerkin截断的结果近乎相同。而在三阶峰处2阶Galerkin截断却无法正常显示。综合自由衰减振动时间历程的结果,使用4阶Galerkin截断完全可以满足计算系统稳态幅频响应的收敛性要求。因此在本文仿真计算中,均采用4阶Galerkin截断方程。
4.2. 谐波平衡方法求解及其数值验证
常微分方程(19)通过谐波平衡法进行近似解析求解。假设常微分方程的解为
(22)
式中,m为Galerkin截断阶数,2i + 1为谐波阶数。
以一阶Galerkin截断方程和一阶谐波假设解为例给出谐波平衡法的推导过程。Galerkin截断取一阶时,弹性梁系统的控制方程为
(23)
式中,
。
一阶谐波假设解为
(24)
将式(24)带入到方程(23)中整理各阶谐波对应的系数方程得到如下所示代数方程
(25)
采用弧长法对方程求解得到系统的幅频响应曲线。
(a) (b)
Figure 5. Comparison of the analytical solution of the harmonic balance method with the numerical solution of the Runge-Kutta method for (a) the left end point of the beam; (b) the middle point of the beam
图5. 谐波平衡方法解析解与Runge-Kutta方法数值解比较:(a) 梁左端点;(b) 梁中点
前一节已经讨论过,Galerkin截断取到四阶较为合适。图5中给出了对比由谐波平衡近似解析方法和Runge-Kutta数值方法得到的系统稳态幅频响应曲线。两种方法的结果相比较可以看出,两种结果重合度很高,可以充分表明解析结果是可靠的。在对比图中,第一阶共振峰向左弯曲,出现了非线性的软特性,第三阶共振峰向右弯曲,出现了非线性的硬特性。Runge-Kutta方法的正扫与反扫对比在共振峰处表现出了明显的非线性跳跃现象。
5. 减振效果分析
通过最大幅值减少百分比评价斜置式惯容系统对稳态响应的减振性能。未加斜置式惯容系统的主共振最大幅值记为Au,斜置式惯容系统的主共振最大幅值记为Ai,则斜置式惯容系统的减振效果百分比为
(26)
给予基础激励幅值U = 0.001 m,未控系统和斜置式惯容系统的稳态幅频响应曲线如图6所示。显然,斜置式惯容系统对一阶主共振具有显著的减振效果。梁左端点第一阶主共振的减振百分比为53.4%。梁中点第一阶主共振的减振百分比为53.1%。通过比较,斜置式惯容系统对第一阶主共振的减振效果优异,但是对第三阶主共振的减振效果不大,对端点处的减振效果优于对中点的减振效果。
(a) (b)
Figure 6. Vibration damping effect U = 0.001 m for the inclined inertial capacity system: (a) left end point of the beam; (b) middle point of the beam
图6. 斜置式惯容系统的减振效果U = 0.001 m:(a) 梁左端点;(b) 梁中点
(a) (b)
Figure 7. Vibration damping effect U = 0.002 m for the inclined inertial capacity system: (a) left end point of the beam; (b) middle point of the beam
图7. 斜置式惯容系统的减振效果U = 0.002 m:(a) 梁左端点;(b) 梁中点
(a) (b)
Figure 8. Vibration damping effect U = 0.003 m for the inclined inertial capacity system: (a) left end point of the beam; (b) middle point of the beam
图8. 斜置式惯容系统的减振效果U = 0.003 m:(a) 梁左端点;(b) 梁中点
接下来讨论基础激励幅值对斜置式惯容系统减振效果的影响。基础激励幅值U = 0.002 m和U = 0.003 m时,斜置式惯容系统的减振效果分别如图7和图8所示。比较三种基础激励幅值下斜置式惯容系统的减振效果,激励幅值对第一阶主共振的减振效果影响显著。例如,左端点第一阶主共振在小激励幅值U = 0.001 m时斜置式惯容系统的减振百分比为53.4%,在中等激励U = 0.002 m时和大激励幅值U = 0.003 m时的减振百分比分别为64.5%和68.5%,相比于小激励幅值,减振百分比分别增加了11.1%和15.1%。可以看出,基础激励幅值增大,斜置式惯容系统对第一阶主共振的抑制效果越好,非线性硬化现象被削弱的效果越强。
6. 参数影响
斜置式惯容系统三个主要参数是斜置式阻尼、惯容器惯性和长度。参数的选择会直接影响到斜置式惯容系统的减振性能。因此,要实现高效的减振效果,合理地选择三个参数是十分必要的。参数研究基于稳态响应来展开,斜置式惯容系统的参数基于表1,基础激励幅值设定为U = 0.001 m。
6.1. 斜置式阻尼的影响
(a) (b)
Figure 9. Effect of slant-mounted damping parameters on the amplitude-frequency response curves for (a) left end point of the beam; (b) middle point of the beam
图9. 斜置式阻尼参数对幅频响应曲线的影响:(a) 梁左端点;(b) 梁中点
斜置式阻尼的变化对幅频响应曲线的影响如图9所示。斜置式阻尼参数的变化对第一阶主共振影响明显,但是对第三阶主共振没有明显的影响。此外,还可以发现,第一阶主共振有明显的非线性软化现象,系统响应存在多解情况,随着斜置式阻尼的增大,非线性现象逐渐消失了,单一激励频率下,系统响应只有一组解。比较图9(a)和图9(b)发现,左端点和中点的第一阶主共振随斜置式阻尼变化的趋势是相同的。
6.2. 斜置式惯容系统的影响
图10为斜置式惯容器系统惯性对系统幅频响应曲线的影响。左端点和中点的幅频响应曲线有着相同的变化趋势。对于第一阶主共振响应,随着惯性参数的增大,共振峰值向左上方移动,将向右的非线性硬化特性转变为线性,继续增大,将转变为向左的非线性软化特性,而第三阶主共振几乎没有变化。
(a) (b)
Figure 10. Influence of the oblique-mounted inertial capacity system parameters on the amplitude-frequency response curves for (a) left end point of the beam; (b) middle point of the beam
图10. 斜置式惯容参数对幅频响应曲线的影响:(a) 梁左端点;(b) 梁中点
6.3. 斜置式惯容器长度的影响
(a) (b)
Figure 11. Effect of the length parameter of the inclined inertia vessel on the amplitude-frequency response curves of (a) left end point of the beam; (b) middle point of the beam
图11. 斜置式惯容器长度参数对幅频响应曲线的影响:(a) 梁左端点;(b) 梁中点
图11为斜置式惯容器长度变化对系统幅频响应曲线的影响。随着斜置式惯容器长度的增加,第一阶主共振的峰值向右移动,曲线呈现出由非线性软化特性转化为线性,而后又继续向右移动形成非线性硬化特性,共振频带也随之先变窄而后变宽,共振峰值也随之先增大后减小。在第三阶主共振处,无论是左端点还是中点,在0.1 m到0.2 m时,系统幅频响应曲线下降很明显,而在继续增加斜置式惯容器长度时,不同长度下的系统幅频响应曲线几乎是完全重合的。
7. 结论
本文研究了一种在弹性梁两边加载斜置式惯性边界进行减振的方法。基于自由振动控制方程,揭示了斜置式惯容系统对弹性梁固有频率和模态振型的影响。采用Galerkin方法离散连续偏微分方程,将谐波平衡法与伪弧长算法相结合得到梁的非线性稳态响应,并采用Runge-Kutta方法进行数值验证。通过最大幅值减少百分比评价斜置式惯容系统的减振性能。基于稳态幅频响应曲线,论证了斜置式惯容系统中斜置式阻尼、惯容器惯性和惯容器长度三个主要参数对斜置式惯容减振器减振性能的影响。
(1) 通过与未控系统的稳态响应相比较,直观明显地表现出斜置式惯容系统在一阶共振峰处优异的减振性能。
(2) 斜置式惯容系统中斜置式阻尼、惯容器惯性和长度对低阶共振峰的影响远大于对高阶共振峰的影响。
(3) 斜置式惯容器的惯性随着参数的增大,共振峰值向左上方移动,将向右的非线性硬化特性转变为线性,继续增大,将转变为向左的非线性软化特性。因此,这项工作为弹性连续体的非线性消除提供了一种新方法。
(4) 随着斜置式惯容器的长度的增加,第一阶主共振的峰值向右移动,曲线呈现出由非线性软化特性转化为线性,而后又继续向右移动形成非线性硬化特性,共振频带也随之先变窄而后变宽。在小长度时,对幅频响应影响较明显。