何晉丞, 陳國(guó)平, 譚 星, 陳衛(wèi)婷, 何 歡
(1. 南京航空航天大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210016;2. 南京航空航天大學(xué) 振動(dòng)工程研究所, 南京 210016)
船舶推進(jìn)軸系、車(chē)輛傳動(dòng)軸、房梁等多跨結(jié)構(gòu)往往受到橫向載荷而產(chǎn)生振動(dòng),這種振動(dòng)會(huì)通過(guò)支承傳遞到基座上,從而導(dǎo)致疲勞損傷和噪聲等問(wèn)題。傳統(tǒng)方法是在支承處安裝橡膠等阻尼裝置。另一種方法是利用壓電材料對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行減振。
從上個(gè)世紀(jì)開(kāi)始,研究人員對(duì)壓電片在梁、板等結(jié)構(gòu)中起到的抑振作用進(jìn)行了廣泛研究[1-3]。利用壓電材料的正/逆壓電效應(yīng)可將機(jī)械能和電能進(jìn)行互相轉(zhuǎn)換,基于此原理的被動(dòng)、主動(dòng)和主被動(dòng)混合控制技術(shù)近年來(lái)得到了長(zhǎng)足發(fā)展[4-6]。壓電片在較薄的結(jié)構(gòu)中能起到很好的抑振作用,但是對(duì)于質(zhì)量過(guò)大或者厚度過(guò)大的結(jié)構(gòu),壓電片的減振效果會(huì)受到影響。且在工程中當(dāng)壓電片粘貼在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上時(shí),外接電路的電線往往阻礙結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和軸系轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于柱狀的壓電陶瓷,尤其是通過(guò)壓電片復(fù)合燒制的壓電堆疊,研究人員主要利用其對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)控制[7],壓電堆疊具有逆壓電效應(yīng)優(yōu)異,載荷輸出性能強(qiáng),遲滯現(xiàn)象低等優(yōu)點(diǎn)[8],采用該材料進(jìn)行的主動(dòng)控制魯棒性高,遲滯現(xiàn)象低[9],但是需要輸入較高電壓,且控制設(shè)備大,在一些地方狹小且能源緊張的工程環(huán)境中難以施展。
如圖1所示,為尋求一種適用于較大型多跨度結(jié)構(gòu)的控制方法,本文將研究利用壓電換能技術(shù),直接將柱狀壓電陶瓷作為支承材料,在多跨度結(jié)構(gòu)中引入壓電的機(jī)電耦合邊界條件,對(duì)梁和軸系的橫向振動(dòng)進(jìn)行被動(dòng)控制。該技術(shù)能抑制大部分結(jié)構(gòu)中由支承傳遞到基座、機(jī)身和船身等外部結(jié)構(gòu)的橫向振動(dòng)。且相比于橡膠等傳統(tǒng)阻尼材料,壓電陶瓷剛度接近鋼材剛度,作為支承結(jié)構(gòu)時(shí)可避免系統(tǒng)固有頻率出現(xiàn)過(guò)大的頻移。
本文采用柱狀壓電陶瓷作為梁的支承,建立該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,分析該壓電陶瓷支承的減振原理。并通過(guò)有限元軟件對(duì)比分析不同種類(lèi)壓電陶瓷支承的減振性能。
為驗(yàn)證壓電陶瓷柱支承結(jié)構(gòu)對(duì)多跨度結(jié)構(gòu)的減振作用,本文提出一種無(wú)源壓電陶瓷為支承的歐拉梁系統(tǒng),其中壓電陶瓷柱的極化方向?yàn)樨Q直方向,且與外接電路相連。
如圖2所示,在工程運(yùn)用中,壓電陶瓷受拉時(shí)容易損壞,所以采用兩個(gè)柱狀壓電陶瓷夾持固定梁的端部,充當(dāng)梁的支承。每個(gè)壓電堆疊分別串聯(lián)一個(gè)電阻和電感。在建立數(shù)學(xué)模型時(shí),可以將其分別簡(jiǎn)化為一個(gè)受拉又能受壓的壓電陶瓷柱,同時(shí)該壓電陶瓷柱連接RL外接電路后可以等效為一個(gè)彈簧和阻尼系統(tǒng)[10]。梁上表面受到橫向激勵(lì)。該模型可簡(jiǎn)化為如圖3所示的壓電機(jī)電耦合邊界條件下的歐拉梁模型。
圖2 壓電支承-歐拉梁系統(tǒng)
圖3 壓電機(jī)電耦合邊界條件下的歐拉梁模型
壓電陶瓷連接的是RL電路,所以外接電路的電阻抗Ze為
Ze=R+Ls
(1)
式中:R為外接電路中電阻;L為外接電路中的電感;s為拉普拉斯算子。
壓電陶瓷在連接外接電路可等效為梁的機(jī)電耦合邊界條件。針對(duì)壓電陶瓷的機(jī)電耦合邊界,存在如下關(guān)系
yi=qi/θP(i=1,2)
(2)
(3)
kP=AP/(sElP)
(4)
(5)
(6)
從該等效模型中可以看出,壓電陶瓷柱在系統(tǒng)中利用壓電能量轉(zhuǎn)換性質(zhì),將外力輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能在電路中進(jìn)行耗散,從而產(chǎn)生阻尼作用。另一方面,改變電路參數(shù)也可調(diào)節(jié)壓電陶瓷支承的諧振頻率,使其接近受控結(jié)構(gòu)的固有頻率,起到類(lèi)似動(dòng)力吸振器的作用。本文從能量角度對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。
由于壓電陶瓷變形量相對(duì)于梁變形很小,且壓電陶瓷的質(zhì)量相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)很小,所以不考慮壓電陶瓷的動(dòng)能。整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)能可以表示為
(7)
式中:ρ為梁的密度;A為梁的截面積;w(x,t)為坐標(biāo)為x的截面中性軸在時(shí)刻t的橫向位移。
整個(gè)系統(tǒng)的勢(shì)能包括梁的勢(shì)能和壓電陶瓷的勢(shì)能。其中壓電陶瓷勢(shì)能可根據(jù)簡(jiǎn)化模型表示為機(jī)電耦合作用下等效彈簧的勢(shì)能。整個(gè)系統(tǒng)勢(shì)能表達(dá)式為
(8)
整個(gè)系統(tǒng)的虛功包括外力虛功和壓電陶瓷受外力產(chǎn)生電場(chǎng)的電虛功。在等效模型中電場(chǎng)的電虛功即為等效阻尼作用產(chǎn)生的虛功。系統(tǒng)虛功可表示為
(9)
根據(jù)Hamilton能量原理
(10)
將式(7)~(9)代入式(10)中化簡(jiǎn)后可得梁的振動(dòng)微分方程、機(jī)械邊界條件和電路邊界條件為
(11)
(12)
(13)
壓電堆疊由n個(gè)壓電片疊加燒制而成。每個(gè)壓電片電極通過(guò)導(dǎo)電材料并聯(lián)連接。當(dāng)采用能量原理分析壓電堆疊時(shí),如果分別對(duì)其中每個(gè)壓電片和電極進(jìn)行分析會(huì)使計(jì)算過(guò)程變得復(fù)雜。且在有限元軟件對(duì)壓電堆疊進(jìn)行建模時(shí),由于壓電片和導(dǎo)電鍍層厚度方向尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于梁的幾何尺寸,對(duì)整個(gè)壓電堆疊進(jìn)行完整建模會(huì)造成有限元網(wǎng)格單元過(guò)密的問(wèn)題。所以將壓電堆疊用同尺寸的等效長(zhǎng)方體壓電陶瓷來(lái)代替將大大簡(jiǎn)化仿真建模、網(wǎng)格劃分和計(jì)算的過(guò)程。如圖4所示,壓電堆疊受力和邊界條件和等效的同尺寸壓電陶瓷柱相同。
圖4 壓電堆疊和壓電陶瓷柱等效模型
單片壓電片的本構(gòu)方程可以轉(zhuǎn)化為
(14)
根據(jù)壓電堆疊和壓電片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系可以得到如下關(guān)系式
FP=Fi,yP=nyi,VP=Vi,IP=nIi,L=nl
(15)
式中:yP為整個(gè)壓電堆疊的變形量;FP為壓電堆疊在極化方向(3方向)上所受的力;IP為壓電堆疊受壓時(shí)流出的電流;VP為壓電堆疊上下表面電極間的電壓;L為整個(gè)壓電堆疊在極化方向(3方向)上的厚度。
假設(shè)壓電堆疊等效為長(zhǎng)方體壓電陶瓷后的本構(gòu)方程為
(16)
將式(15)代入到式(16)得到以下關(guān)系式
(17)
將式(14)代入到式(17)中可得
(18)
由式(18)可得
(19)
由此可知當(dāng)壓電堆疊等效為長(zhǎng)方體的壓電陶瓷后,該等效長(zhǎng)方體壓電陶瓷的機(jī)電耦合參數(shù)和壓電陶瓷材料的材料參數(shù)關(guān)系為
(20)
由此可見(jiàn),相同尺寸的壓電堆疊和壓電陶瓷柱,壓電堆疊的壓電常數(shù)式壓電陶瓷柱的n倍,介電常數(shù)是壓電陶瓷柱的n2倍。
如圖5所示,在壓電片-懸臂梁系統(tǒng)中,根據(jù)Hagood等[11]的研究,不同外接電路參數(shù)對(duì)應(yīng)的位移傳遞函數(shù)曲線,存在兩個(gè)共同交點(diǎn),分別稱(chēng)之為P點(diǎn)和Q點(diǎn)。根據(jù)PQ兩個(gè)交點(diǎn)的位置從而得到峰值最小的位移傳遞函數(shù)曲線對(duì)應(yīng)的最優(yōu)電路參數(shù)的數(shù)值計(jì)算方法稱(chēng)之為PQ點(diǎn)法。
圖5 位移傳遞函數(shù)
然而在本身存在機(jī)械阻尼的系統(tǒng)中,傳遞函數(shù)曲線不再存在PQ點(diǎn)。此時(shí)可通過(guò)窮舉法尋找最優(yōu)電路參數(shù)。采用COMSOL軟件,通過(guò)設(shè)置合適的壓電方程和固體力學(xué)偏微分方程可以解決對(duì)壓電支承-梁系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析問(wèn)題。并通過(guò)參數(shù)化求解模塊,設(shè)置電路參數(shù)為自變量來(lái)求解最優(yōu)電路值。
為更好驗(yàn)證壓電支承的減振作用,在COMSOL軟件中,建立如圖6所示的仿真模型。其幾何尺寸如表1所示。
表1 模型幾何尺寸
圖6 壓電支承和梁系統(tǒng)模型
為模擬梁和支承之間的裝配情況,分別用兩個(gè)相同的壓電材料支承夾住金屬梁的兩端,在每個(gè)壓電支承的另外一端施加固定約束。邊界條件示意圖如圖7所示。為研究在不同載荷情況下壓電支承的減振性能,設(shè)置兩種載荷工況:
第一種工況:在梁中間對(duì)稱(chēng)面豎直方向施加合力為50 N的集中簡(jiǎn)諧激勵(lì)。
第二種工況:在梁的上表面垂直方向施加合力為50 N的均布簡(jiǎn)諧激勵(lì)。
(a) 集中力
仿真過(guò)程中采用的梁為結(jié)構(gòu)鋼材料,系統(tǒng)的阻尼設(shè)為0.02。其材料參數(shù)如表2所示。
表2 結(jié)構(gòu)鋼材料參數(shù)
本文中對(duì)不同材料的壓電陶瓷進(jìn)行了對(duì)比研究。在對(duì)壓電堆疊進(jìn)行分析時(shí),將壓電堆疊等效為長(zhǎng)方體壓電陶瓷柱,其中單片壓電陶瓷片的厚度為100 μm,一個(gè)10 mm厚的壓電堆疊中包含約100片壓電陶瓷片??赏ㄟ^(guò)式(20)得到壓電堆疊等效為壓電陶瓷柱后的機(jī)電耦合參數(shù)。各壓電陶瓷材料參數(shù)如表3所示。
如圖8所示,采用六面體網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
本文在COMSOL軟件中增加一個(gè)由壓電和電路構(gòu)成的物理場(chǎng),將固體力學(xué)物理場(chǎng)和電路物理場(chǎng)通過(guò)壓電陶瓷的壓電效應(yīng)進(jìn)行耦合。在每個(gè)壓電陶瓷塊上下兩個(gè)電極之間接入RL串聯(lián)電路。對(duì)不同的電阻和電感值的電路進(jìn)行仿真,計(jì)算相應(yīng)的力傳遞率曲線。
表3 不同壓電材料的參數(shù)
為求解各壓電陶瓷材料最優(yōu)外接電路的電感電阻值,采用窮舉法,即在仿真軟件中選取該壓電陶瓷材料并保持邊界條件不變,在參數(shù)化掃描模塊中設(shè)置電阻和電感的范圍和步長(zhǎng)如表4所示。對(duì)表中所有電阻電感組合的電路情況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)響應(yīng)計(jì)算。在接近最優(yōu)電路參數(shù)范圍內(nèi)可適當(dāng)采用更為精確的步長(zhǎng)來(lái)增加精度。最后選取力傳遞率幅值最小的電路情況為最優(yōu)外接電路。
表4 外接電路電阻和電感值
根據(jù)以上設(shè)置,分別對(duì)結(jié)構(gòu)鋼和各壓電材料支承的梁系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析。結(jié)構(gòu)鋼支承的梁和各類(lèi)壓電材料支承的梁的振型結(jié)果如表5所示(其中各類(lèi)壓電材料支承的梁的振型結(jié)果相同,所以舉其中一種壓電材料得到的結(jié)果與結(jié)構(gòu)鋼支承的梁系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比)。
表5 振型
從表5可知,結(jié)構(gòu)鋼支承的梁和各類(lèi)壓電材料支承的梁的前五階振型相同。由表5可知,用不同的壓電材料去替代結(jié)構(gòu)鋼作為支承并不會(huì)改變梁的振型。
各材料支承對(duì)應(yīng)的梁前五階固有頻率如表6所示。由于第一階和第四階的力傳遞率較大,所以主要分析第一階和第四階的模態(tài)情況。其中第一階和第四階的固有頻率變化量如圖9所示。
表6 各材料支承對(duì)應(yīng)的梁的固有頻率
圖9 第一階和第四階固有頻率變化量
從圖中可以看出,以壓電陶瓷和壓電堆疊作為支承后梁的各階固有頻率改變較小。
計(jì)算頻域內(nèi)兩種工況下系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng),并計(jì)算力傳遞率
通過(guò)系統(tǒng)頻響函數(shù)可計(jì)算得到各支承對(duì)應(yīng)的力傳遞率曲線。
當(dāng)四個(gè)支承都采用結(jié)構(gòu)鋼材料時(shí),工況一和工況二的力傳遞率曲線如圖10和圖11所示。
圖10 工況一各支承力傳遞率曲線
圖11 工況二各支承力傳遞率曲線
由圖中可知,工況一工況二情況下系統(tǒng)力傳遞率一階共振頻率約為1 506 Hz,二階共振頻率約為8 008 Hz。第一階共振峰為主峰,為本文主要受控對(duì)象。工況一時(shí),第一個(gè)共振峰值為17.8。工況二時(shí),第一個(gè)共振峰值為9.5。在載荷合力處于梁對(duì)稱(chēng)面時(shí),四個(gè)支承力傳遞率情況相同,所以在后續(xù)研究中只對(duì)左下支承進(jìn)行分析。
將金屬支承替換為壓電材料支承后,在不連接外接電路的情況下,壓電支承-梁系統(tǒng)本身的的一階共振頻率和力傳遞率峰值如表7和表8所示。
表7 工況一一階共振頻率和力傳遞率峰值
表8 工況二一階共振頻率和力傳遞率峰值
由于各壓電材料的密度和結(jié)構(gòu)鋼存在區(qū)別,且壓電材料的無(wú)外接電路彈性模量都小于結(jié)構(gòu)鋼的彈性模量,導(dǎo)致壓電材料支承的梁系統(tǒng)一階共振頻率與鋼支承相比存在頻移。但是該頻移都在3%以?xún)?nèi)。壓電堆疊因?yàn)閮?nèi)部壓電片采用PZT-PST材料,根據(jù)之前的理論推導(dǎo)其等效彈性模量和PZT-PST材料相同,所以不連外接電路時(shí),共振頻率和峰值幾乎相同。各壓電材料支承的梁系統(tǒng)的力傳遞率峰值相比結(jié)構(gòu)鋼支承都存在較大的增加,所以需要連接外接電路來(lái)降低峰值。
4.3.1 力傳遞率曲線隨電路參數(shù)變化規(guī)律
以PZT-2壓電陶瓷材料為例,針對(duì)工況一的載荷情況,以電路中電阻值和電感值為自變量進(jìn)行參數(shù)化掃描,求解支承處力傳遞率曲線。為便于找到力傳遞率曲線隨電路參數(shù)的變化趨勢(shì),列出電感值保持不變,改變電阻值對(duì)應(yīng)的力傳遞率曲線情況,選擇幾組典型的結(jié)果如圖12所示。
從圖12可以看出,在電感分別為100 H和500 H時(shí),電阻值改變并不會(huì)造成力傳遞率曲線的峰值出現(xiàn)明顯變化,且力傳遞率曲線的峰值和無(wú)電路情況比并未有明顯下降。在電感分別為280 H和300 H時(shí),電阻值改變會(huì)造成力傳遞率曲線的峰值出現(xiàn)變化。在電阻達(dá)到最優(yōu)電阻值附近時(shí),力傳遞率曲線的峰值達(dá)到低谷。電阻值偏離最優(yōu)電阻值時(shí),力傳遞率曲線的峰值增大。在電感分別為290 H和295 H時(shí),電阻改變會(huì)明顯改變力傳遞率曲線的峰值,且峰值出現(xiàn)明顯的下降。
由此可以得出結(jié)論,當(dāng)電感值偏離最優(yōu)電感值的時(shí)候,力傳遞率曲線峰值不會(huì)有明顯下降。連接該電路后,壓電支承起到的減振作用并不明顯。電阻值改變幾乎無(wú)法影響力傳遞率曲線。當(dāng)電感值接近最優(yōu)電感值時(shí),力傳遞率曲線出現(xiàn)雙峰,雙峰峰值隨電阻值改變而發(fā)生較為明顯的改變,當(dāng)電阻值同樣接近最優(yōu)電阻值時(shí),雙峰峰值相等,此時(shí)該峰值為其他電路參數(shù)情況下的力傳遞率曲線峰值的最小值。
4.3.2 最優(yōu)解
根據(jù)上文提到的變化規(guī)律,可以分別得到工況一和工況二下的各壓電材料對(duì)應(yīng)最優(yōu)外接電路參數(shù),其中工況一和工況二合力都在梁的對(duì)稱(chēng)面內(nèi),所以?xún)煞N工況下相同材料的最優(yōu)電路參數(shù)相同。各材料對(duì)應(yīng)的最優(yōu)外接電路參數(shù)如表9所示。
表9 各壓電材料對(duì)應(yīng)的最優(yōu)外接電路參數(shù)
明顯可以看出,因?yàn)閴弘姸询B的等效壓電常數(shù)和等效介電常數(shù)遠(yuǎn)大于壓電陶瓷材料,所以壓電堆疊所需要的最優(yōu)電路的電阻值和電感值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他壓電陶瓷材料。
工況一和工況二下,各壓電材料連接最優(yōu)外接電路前后力傳遞率曲線及結(jié)構(gòu)鋼支承的力傳遞率曲線對(duì)比分別如圖13和圖14所示。
將壓電材料支承連接最優(yōu)外接電路后的力傳遞率峰值相較于結(jié)構(gòu)鋼支承的力傳遞率峰值的降幅設(shè)為降幅1,將壓電材料支承連接最優(yōu)外接電路前后的力傳遞率峰值降幅設(shè)為降幅2。從降幅1的數(shù)值可以看出替換為壓電材料后的結(jié)構(gòu)相較于原結(jié)構(gòu)的力傳遞率下降的幅度,從而判斷該裝置的減振效果。從降幅2的數(shù)值可以看出壓電材料連接外接電路后電路起到的減振作用,更方便評(píng)估電路的性能和機(jī)電耦合效率。
工況一和工況二下,各材料支承的一階共振峰處的力傳遞率峰值降幅分別如圖15和圖16所示。
從仿真結(jié)果中可得出以下結(jié)論:
(1) 各壓電材料支承都能大幅降低梁的力傳遞率曲線峰值,例如工況一下PZT-PST材料在連接最優(yōu)電路后比連接電路前的力傳遞率峰值下降了75%左右,比金屬支承的力傳遞率峰值下降了69%。說(shuō)明壓電陶瓷連接外接電路后能發(fā)揮良好的阻尼作用,能起到降低支承傳遞到基座的振動(dòng)力的效果。
(a) PZT-2
圖15 工況一力傳遞率峰值降幅
圖16 工況二力傳遞率峰值降幅
(2) 壓電支承在集中力和均布力的情況下都能發(fā)揮減振作用。同一種壓電材料在激勵(lì)頻率一定的情況下,這兩種工況下減振效果基本相同,說(shuō)明在線性系統(tǒng)中壓電支承的減振性能和力傳遞率大小無(wú)關(guān)。
(3) 壓電支承連接電路后力傳遞率曲線會(huì)出現(xiàn)雙峰,這種現(xiàn)象與壓電片懸臂梁系統(tǒng)類(lèi)似。當(dāng)電阻電感值達(dá)到最優(yōu)電路參數(shù)后,雙峰峰值相等且與其他電路情況相比降低到最低值。
本文以單跨度梁為例,對(duì)壓電陶瓷支承對(duì)梁的橫向振動(dòng)的抑振作用進(jìn)行了研究。建立了機(jī)電耦合邊界條件下的歐拉梁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,并用哈密爾頓能量原理求解了系統(tǒng)振動(dòng)微分方程,并進(jìn)行了多物理場(chǎng)有限元仿真分析。獲得如下結(jié)論:
(1) 由多片壓電片并聯(lián)燒制而成的壓電堆疊在壓電支承-梁系統(tǒng)中可等效為壓電陶瓷柱,等效后的壓電常數(shù)和介電常數(shù)遠(yuǎn)大于同尺寸柱狀壓電陶瓷。
(2) 以壓電材料為支承并不會(huì)改變梁的振型,且不會(huì)造成固有頻率大幅頻移。
(3) 連接最優(yōu)外接電路的壓電陶瓷支承可大幅減小共振頻率下梁結(jié)構(gòu)支承處的力傳遞率。在諸多材料中,壓電堆疊由于有較大的壓電常數(shù)和介電常數(shù),在工程實(shí)際中可以起到大幅降低最優(yōu)電路電感值和電阻值的作用。
本文只對(duì)歐拉梁的減振方法進(jìn)行了原理性分析,驗(yàn)證了壓電陶瓷作為支承結(jié)構(gòu)對(duì)跨度結(jié)構(gòu)的減振作用。但對(duì)多跨度的軸系、轉(zhuǎn)子等結(jié)構(gòu)還可以做進(jìn)一步研究。