摘 要

作为低频振动控制的重要措施之一，动力吸振器具有安装方便、结构简单等优势，其中，电磁式动力吸振器性能稳定、控制方便，且有较好的宽频振动控制效果，进行电磁式动力吸振器设计研究具有重要意义。首先，设计了一款新型电磁式动力吸振器，然后，以固支板为减振对象，通过振动基础理论与电磁特性理论，计算电磁式动力吸振器各零部件参数，最后，采用ANSYS有限元软件对固支板安装动力吸振器前后的吸振效果进行了分析。研究结果表明：电磁式动力吸振器能够有效降低固支板的振幅，且吸振效果明显。本文的创新性在于对电磁式动力吸振器进行结构设计与性能分析，针对固支板结构设计出合适的电磁式动力吸振器参数，并证明了电磁式动力吸振器具有良好的吸振效果。

关键词：吸振器；结构设计；电磁吸力；有限元；性能仿真

Abstract

As one of the important measures of low-frequency vibration control, the dynamic vibration absorber has the advantages of convenient installation and simple structure. Among them, the electromagnetic vibration absorber has stable performance, convenient control, and good broadband vibration control effect, and electromagnetic vibration absorption. The design of the device is of great significance. Firstly, a new type of electromagnetic dynamic vibration absorber is designed. Then, the fixed support plate is used as the vibration damping object. Through the theoretical basis of vibration and theoretical calculation of electromagnetic characteristics, the parameters of each component of the electromagnetic dynamic vibration absorber are calculated. Finally, ANSYS is used. Yuan software analyzed the vibration absorption effect before and after the installation of the dynamic vibration absorber on the fixed support plate. The research results show that the electromagnetic dynamic vibration absorber can effectively reduce the amplitude of the fixed plate and the vibration absorption effect is obvious. The innovation of this paper lies in the structural design and performance analysis of the electromagnetic dynamic vibration absorber. The suitable electromagnetic vibration absorber parameters are designed for the fixed support structure, and the electromagnetic vibration absorber has good vibration absorption effect.

Key Words:Vibration absorber; structural design; electromagnetic attraction; finite element; performance simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 被动式与半主动式动力吸振器 2

1.2.2 主动式动力吸振器 3

1.3 本文研究的主要内容 4

1.4 论文基本结构 5

第2章 电磁式动力吸振器零部件结构设计 6

2.1 电磁式动力吸振器基本参数的确定 6

2.1.1 减振对象的参数确定 6

2.1.2 电磁式动力吸振器参数确定 8

2.2 电磁式动力吸振器零部件结构 9

2.2.1 动铁芯结构 10

2.2.2 静铁芯结构 12

2.2.3 导向机构的结构 13

2.2.4 弹簧机构 14

2.2.5 螺栓结构 15

2.2.6 底座结构 15

2.2.7 外壳结构 17

2.2.8 线圈及支承结构 18

第3章 电磁式动力吸振器电磁特性分析 19

3.1 电磁式动力吸振器电磁吸力理论分析 19

3.2 电磁式动力吸振器刚度特性理论分析 22

第4章 动力吸振器的振动模型 25

4.1 动力吸振器单自由度系统振动模型 25

4.2 动力吸振器二自由度系统振动模型 27

第5章 电磁式动力吸振器性能分析 29

5.1 安装动力吸振器后固支板有限元建模 29

5.2 模态分析结果 30

5.3 吸振效果分析 30

第6 章结论与展望 33

6.1 全文总结 33

6.2 展望 33

参考文献 35

致谢 38

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

振动在我们身边随处可见，它充斥于生活的各个方面，对人类生活既有好的影响也有坏的影响，而不好的部分占大多数。在机械设备上，由机器运转所产生的振动往往会使机械设备整体或者局部部位产生损伤，造成疲劳，影响机械的使用寿命，同时还有它的副产物噪声。科技的不断发展，人们出行的交通工具多了飞机这一远程代步工具，而对于乘坐飞机，安心与安全保障是人们出行的潜规则。发动机作为飞机的动力源，同时也是主要振源。在它工作时往往会产生振动与巨大的噪声，影响飞机飞行的安全性与人们的舒适感。而且振动会顺着机翼传到飞机的其他部件，会造成其零部件的疲劳损伤或者松动甚至破坏，影响飞机高空飞行的安全。因此，如何能够利用振动一直以来都非常收到人们的关注，动力吸振器的出现顺应时代号召，在时间的冲刷中证明了自己的价值。

被动式动力吸振器是早期应时代需求出现的吸振器的早期形态，至今也被大量采用。被动式动力吸振器结构简单，主要由其本身附带质量、弹簧及阻尼构成。被动式动力吸振器因为结构单一所以设计出来时候有着稳定的固有频率，因此它被用于解决系统特定频率的振动问题。但对于被动式动力吸振器来说，其所能测量的频率范围较窄，所以它的适应性较差，不能满足人们对于复杂工况下吸振器取得良好吸振效果的要求。随着科技研究的不断进步，人们对动力吸振器的要求日益增多，主动式动力吸振器与半主动式动力吸振器也被人们不断的研究与创新着。

对于半主动式动力吸振器来说，它能在工作过程当中类似于闭环系统，不断地采集着信息，它能根据收集来的振动信号，能反过来调节自身的结构输出信号，进而改变自身的固有频率，使减振对象能够以同样的频率反方向抵消所受到的激励力的影响，因为半主动式动力吸振器能够自我结构调节的原因，它的频宽也较于被动式动力吸振器要大一些，半主动式动力吸振器不适用于激励力频率变化大的工况，半主动式动力吸振器能够自我调节自身参数来调节自身固有频率，但同时相对于人们的需求，它所能调节的频宽还是比较低，但同时它也耗能较少，调节输出稳定。

对于主动式动力吸振器，不仅有着更为精密的结构，同时还拥有主动控制技术，主动收集外界的振动信号，然后通过计算机信号网络反馈到吸振器内部进行结构参数调节输出，使激励力被抵消，进而能有效提升吸振效果，使振动得到有效控制。主动式动力吸振器利用计算机集成网络收集外界信息，同时将动力吸振器与控制技术及计算机技术相连接，使振动得到有效抑制。可适用于激励力变化较大的复杂工况，且主动式动力吸振器的固有频率可以随着激励力频率的变化而变化，具有频宽大、精度高，稳定性强的特点。

电磁式动力吸振器是吸振器随着科学技术的发展新出现的一个分支，仍需要较为深入的研究，主动控制技术与人们的生活发展紧紧地联系在一起，不断推陈出新的新技术会带给人们新的安全感与舒适感。最重要的是，提高了机械的使用寿命，减轻了机器的疲劳工况，也大大降低噪声的产生。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 被动式与半主动式动力吸振器

在时间漫长的见证与洗礼中，动力吸振器在这场振动控制竞赛中拔得头筹，且对于被动式动力吸振器与半主动式动力吸振器来说，因为其结构构造简单，成本低，因此，动力吸振器有着悠久的历史发展，世界上大量的研究人员投身其中，为动力吸振器的发展奠定了扎实的基础。

Mani.Y等人认为被动式动力吸振器本质上为二次质量结构，可吸收从一级结构传递的惯性能量，并因此研发了基于形状合金弹簧（SMA）的一种自适应被动式动力吸振器。在悬臂结构的实验开发出基于为控制器的控制系统，证明了基于SMA的被动式动力吸振器在较宽的频率上有较好的吸振效果^[1]。

Cheung等人考虑到传统的被动式动力吸振器的一个局限性：如果吸振器质量与一级结构的质量之间的质量比低，则其振动抑制较低。开发了基于H-2优化准则，具有位移和速度反馈的混合型动力吸振器。将无源和有源元件一起优化，以最小化主系统的均方速度以及HVA中所需的主动力，实现在宽带激励下减小振动结构的总振动能量。得出了混合型动力吸振器在单自由度与连续振动结构上彼传统的被动式动力吸振器有较强的吸振效果^[2]。

向重卫将滚珠式动力吸振器与二重动力吸振器相结合，设计出了滚珠式二重动力吸振器的模型并建立实体，刨除了弹簧，借助吸振球重力产生回复力，基于拉格朗日方程与P、T、Q三定点理论及MATLAB的fsolve函数和编程方法，优化了吸振器的结构，证明了滚动式二重动力吸振器相对于单一的滚珠式动力吸振器与二重式动力吸振器有着良好的吸振效果^[3]。

Weber.F利用MR-SVA的内部阻尼的自适应非线性控制来考虑MR-SVA的相对运动约束，用于缓解谐波结构振动，开发了基于磁流变阻尼器（MR-SVA）的可实时受控的半主动式动力吸振器，设定的MR阻尼力的目标是根据无阻你减振器的原理实现对实际结构频率的阻尼适应性。在共振实验中证明，MR-SVA在结构共振频率下优于被动式动力吸振器至少12.4％且高达60.0％^[4]。

Lei Yuan等人针对机器人加工过程中的颤振问题，提出了一种新的模式耦合颤振减少方案，通过在主轴上组装MRE吸收器来吸收特定频率范围的振动，设计出刚度可调的基于磁流变弹性体（MREs）的半主动式MRE动力吸振器，并在机器人加工实验中证明半主动式MRE吸收器在机器人铣削过程中比无源吸收器在减少颤振方面表现更好^[5]。

肖勇等人在空气弹簧的理论基础上提出了一种半主动式动力吸振器的概念并设计了出来，用于解决四缸四冲程发动机的二阶往复惯性力不平衡的问题，其原理是通过改变空气弹簧的压力来改变吸振器的固有频率进而实现空气式半主动动力吸振器的移频特性，且具有质量轻、噪声小、寿命高的特点，且通过仿真实验可得出，空气弹簧式动力吸振器有着良好的吸振性能^[6]。

丁继超提出了多重半主动式动力吸振器的概念，为了让大型旋转机械中转子能够稳定运行，模拟并建立了单跨试验台，并在当中对转子的临界状态进行了实验检测，同时对双重动力吸振器进行实验，并将实验结果与与上个实验进行比较，得出了转子振动的问题能通过动力吸振器将振动控制在能接受的范围内，同时解决了转子共振问题，进一步拓宽了动力吸振器吸振频宽^[7]。

谷志明利用TMS320LF2407A信号处理芯片结合电磁式动力吸振器进一步优化，设计出一种新的电磁式半主动式动力吸振器，使得吸振器能够长时间根据外界变化而改变自身结构参数，同时设计出一种可随激励力变化而输出相应输出信号的控制器，用于配合电磁式半主动式动力吸振器，可有效提升减振效果^[8]。

1.2.2 主动式动力吸振器

Xi-Lang peng等人基于非易失性浮栅石墨结构设计了一种有源吸收器，它的静态功率消耗几乎为零，在这种设计中，中心石墨烯可以在正施加的电压下捕获隧道电子，但是在去除电压之后不能释放这些电子，因为它与外部点击隔离，因此，不需要额外的功率来维持石墨烯的导电性，且此吸收剂具有极强的吸收能力，可能会促进未来的非挥发性吸收器设计^[9]。

Komlan Payne等人为实现受高功率微波或者电磁（EM）脉冲影响的自适应吸收器的可行性，设计了嵌入有源元件的基于电路模拟拓扑的无源吸收器，用于实现吸收带宽的可调性。这种协调机制可以使用嵌入在低轮廊频率选择性表面基吸收器中的离散等离子体壳来实现，可通过控制等离子体频率来调节吸收中心频率和带宽，展现了有源吸收器的峰值功率处理能力^[10]。

Utsumi.M设计出的动力吸振器具有主动性、稳定性、混合性，用于在动力吸振器的附接位置处检测到的速度成比例的里驱动，可用于改善鲁棒性能的模型独立性，同时允许对于期望混合式振动吸收器作为致动器的情况的多模式可控性，这种混合吸振器相对于全源吸振器在第一共振频率附近有节能效果，也可保留主要结构^[11]。

贾富淳等人为实现主动控制的目的，在计算机控制系统与吸振器中间添加了作动器，且作动器使用外部的PID控制系统来进行控制，通过计算机网络传递信息，得出控制系统与作动器之间的控制关系式，有数据仿真结果得出，主动式动力吸振器装载PID控制系统将拥有良好的吸振性能^[12]。

杨恺等人为解决航空设备中轻质桁架在使用过程中产生的振动问题，设计了可是柔性桁架结构能够被良好控制的基于动力吸振器的理念，根据理论计算设计出吸振器的整体模型，同时为验证模型的正确性，在相应的桁架结构上进行了试验，结果表明：吸振器采用主动控制技术将会在共振方面取得良好的吸振效果^[13]。

孙志卓等人设计了一种电磁式动力吸振器，可主动调节其刚度，并进行了理论分析提出了电磁弹簧的理论概念，确立了电梯弹簧刚度表达式及影响因素。通过对控制系统的系统化分析，确立了电磁弹簧等效刚度的控制条件，经分析软件的相关计算，说明了吸振器的主动控制技术将取得更好的吸振效果^[14]。

胡杰等人在电磁式动力吸振器的基础上，利用了黏粘性材料代替原来作动器上的材料，设计出了一种黏粘性电磁式主动动力吸振器，并应用于悬臂梁实验中，表明了此种吸振器吸振性能强劲^[15]。

洗鸿威针对主动式电磁动力吸振器进行了结构优化，通过仿真分析比较，设计出了配合良好且不易漏磁的动、静铁芯配合机构，并进行验证，证明了该动静铁芯的配合性能较为良好，同时还应用于悬臂梁实验，说明了设计的到的电磁式动力吸振器有着优异的吸振性能^[16]。

1.3 本文研究的主要内容

（1）设计了一款新型电磁式动力吸振器，根据固支板结构特征计算电磁式动力吸振器结构参数，借助SolidWorks绘图软件对吸振器各零部件进行结构设计与装配，对吸振器零部件参数尺寸与作用进行详细描述；

（2）对单、二自由度系统进行振动模型分析，推导出吸振器固有频率表达式，并对吸振器电磁特性分析，推导出电磁弹簧刚度的表达式与影响因素；

（3）对加装了动力吸振器的固支板进行谐响应分析，提取不同测试点的谐响应曲线，证明了电磁式动力吸振器良好的吸振性能。

1.4 论文基本结构

以固支钢板作为吸振对象，进行电磁式动力吸振器结构设计及性能分析，技术路线如图1.1所示。

图1.1 研究流程图

以上为本文的基本内容结构，从理论分析、模型建立、仿真分析等多方面进行研究工作，并不断梳理脉络，形成本文中各章节部分的具体内容，组合成论文的基本框架结构

第2章 电磁式动力吸振器零部件结构设计

2.1 电磁式动力吸振器基本参数的确定

2.1.1 吸振对象的参数确定

为确定电磁式动力吸振器的基本参数与固定频率，需要对固支钢板即两端固支钢板进行建模，如图2.1所示为固支钢板模型图。

图2.1 固支钢板模型

Figure2.1 Simply supported steel plate model

图2.2 固支钢板一侧边界条件模型图

Fig.2.2 Model of boundary condition of one side of simply supported steel plate

图 2.3 固支钢板另一侧边界条件模型图

Figure2.3 Model of the boundary condition of other side of the simply supported steel plate

以上为固支钢板添加的约束条件，即钢板两侧面进行固支约束。

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