组合式仿生自适应阻尼缓冲结构研究

Heavy duty construction machinery is indispensable mechanical equipment for national economic construction. To solve the violent vibration and impact problem of the machinery, a combined type damping device with bionic and adaptive characteristics is proposed to carry out the passive and active vibration reduction and cushioning adaptive control based on the buffer mechanism of natural evolution. According to the typical working conditions of high horse-powered construction machinery which is urgently needed in our country, the nested coupling mechanism of physical and mechanical parameters is explored, the coupling mathematical equations are deduced and a coupling system model is established for the combined type damping structure with bionic and adaptive characteristics under the conditions of varying temperature, frequency and amplitude. The model is analyzed by layered dimension-lowering and fractional step decoupling approaches, and the matching optimal parameter group is studied also. An adaptive control algorithm is configured for passive and active control, the Simulink modeling and simulation analysis are performed for the combined type damping structure, and the vibration reduction performance is investigated and tested. The control algorithm is improved to make sure the performance parameters can reach the optimal values to meet the requirement of vibration and noise control index. The formula of bionic materials is developed, the samples and corresponding experiments are made, and the coupling system model parameters are revised. The project research result can provide theoretical basis and method for the development of bionics damping device used in owning the independent intellectual property rights and high quality construction machinery.

大型工程机械是国家经济建设不可或缺的机械装备。为解决其受振动冲击剧烈的问题，基于生物自然进化缓冲机理，提出一种组合式仿生自适应缓冲装置，使其实现"被-主动"自适应缓冲减振。针对国家急需的大马力工程机械典型作业工况，探索温度、振频、振幅多变状态下，组合式仿生缓冲结构物理-机械参数的"嵌套"耦联机理，推绎"被-主动"缓冲结构参数耦联数理方程，建立组合结构仿生缓冲系统耦联模型；对该模型采取分层降维、分步解耦策略，探索该结构的最佳匹配参数组；构建"被-主动"自适应控制算法，进行组合式仿生缓冲结构的Simulink建模与仿真分析，检验其减振性能；改进控制算法，使其结构性能参数最优且达到振动及噪声控制指标要求。研制仿生材料配方，试制样品并开展实验研究，修正模型参数。本项目研究成果可为拥有自主知识产权、高品质工程机械仿生缓冲装置的研发提供理论依据和方法。

为解决大型工程机械受振动冲击剧烈的问题，借鉴生物自然进化缓冲原理，提出了一种组合式仿生自适应缓冲结构，并对其开展理论与应用研究。研究工作围绕阻尼结构研究理论与方法、新型阻尼缓冲结构特性和阻尼缓冲结构的工程应用三个方面展开，取得的成果如下：.1、阻尼结构研究理论与方法方面：（1）提出了一种求解多弹性约束薄阻尼层结构损耗因子的变形能法。经对比，该方法的计算结果与有限元仿真结果较为一致。（2）提出了一种修正模态应变能法（ACMSE法）。该方法的修正因子可随不同阶次模态损耗因子幅值的变化而变化，研究表明ACMSE 法具有误差小，经验依赖少、实用性强的特点。（3）提出一种高振动能耗散率的过渡约束阻尼层结构，并推导出该结构的损耗因子。（4）建立了粘弹性悬架分数阶减振模型，研究表明该模型数值解与有限元结果具有较好的一致性。.2、新型阻尼缓冲结构特性研究方面：（1）提出一种气动人工肌肉（PAM）阻尼担架，并对其采用神经网络PID控制，发现该阻尼担架对担架及人体具有明显隔振效果。（2）提出一种带有阻尼铺层的风力机叶片结构，并对其抑颤特性做了研究，结果表明该叶片相对于传统叶片抑颤效果明显。.3、阻尼缓冲结构的工程应用方面：（1）开展了履带式推土机橡胶减振器的缓冲特性分析，发现经过橡胶减振器的衰减，车辆的舒适性得到改善。（2）进行了井下防爆胶轮车发动机悬置的阻尼特性及解耦优化研究。结果表明优化后的发动机阻尼系统缓冲效果良好。（3）进行了掘进机行星减速器扭转耦合振动下的模态分析与试验研究。研究表明所用有限元模态分析方法有效可行。.依托项目支持，课题组发表较高水平期刊论文20余篇，申报并获授权国家发明专利2项，培养博士研究生2人。项目研究成果可为高品质工程机械仿生缓冲装置的研发提供理论依据和方法，也可为新型阻尼缓冲结构的研究提供参考。