[发明专利]一种能量收集型减振器的优化设计方法

说明书

本发明公开了一种能量收集型减振器的优化设计方法，首先，建立能量收集型减振器的动态模型，并将其转换成时域标准形式；其次，将所建立的时域标准形式模型变换至频域，并画出减振和能量收集的性能图；然后，进一步获得性能图，设计最优参数；最后，通过仿真确认获得的最优设计参数满足性能要求，若不满足重新开展优化设计。本发明可以同时获得最优减振和能量收集性能，对实际工程具有重要价值。

技术领域

本发明属于减振器领域，特别涉及了一种能量收集型减振器的优化设计方法。

背景技术

振动问题广泛存在于建筑桥梁、交通工具、航空航天等各行业领域，并经常造成磨损、疲劳，甚至灾害性事故，因此必须加以控制。振动控制最常用的方式是加装减振器。减振器通过快速吸收振动产生的能量达到减振甚至降噪的目的。所吸收的能量通常以热的形式耗散掉。然而振动也是一种可再生资源，通过能量的转换可以为无线传感器提供电能。这种既能减振降噪，又能将振动能量回收的减振装置，被称作能量收集型减振器。

作为一种新型的减振器，能量收集型减振器的优化设计是一个重要问题。通常，当固有频率和驱动信号的频率一致时，能量收集器的输出能量达到最大。然而，如果驱动信号的频率偏离谐振频率5％以上，可供收集的能量会迅速减小。因此，能量收集器的设计首先要实现与外部激励信号的频率匹配，并同时使得振幅最大。而对减振器来说，则是在驱动信号作为输入时的频率响应幅值达到最小。由此可知，对能量收集型减振器的优化设计，就需要同时使得减振系统幅值最小、能量收集系统幅值最大。这是一个典型的混合灵敏度或多目标优化问题，有诸多优化方法可以采用；但在目前公开文献中，能量收集型减振器的所有设计方法均为基于优化算法的设计，即将减振和收集的能量定义为性能指标，通过优化算法对该性能指标进行优化，以便得到最优的设计参数。由于需要设计的参数众多，目前的方法较为复杂，并且需要经过多次迭代，难于获得最佳性能。

发明内容

发明目的：本发明提出一种能量收集型减振器的优化设计方法，可以同时获得最优减振和能量收集性能，对实际工程具有重要价值。

技术方案：本发明所述的一种能量收集型减振器的优化设计方法，包括以下步骤：

(1)建立能量收集型减振器的动态模型，并将其转换成时域标准形式；

(2)将步骤(1)建立的时域标准形式模型变换至频域，并画出减振和能量收集的性能图；

(3)根据步骤(2)获得的性能图，设计最优参数；

(4)通过仿真确认步骤(3)获得的最优设计参数是否满足性能要求，若不满足则返回步骤(2)，重新开展优化设计。

进一步地，所述步骤(1)的实现过程如下：

减振器即由主结构和减振结构构成，其中主结构为减振器固有参数，减振结构为待设计参数，建立能量收集型减振器的动态模型，并转换成标准形式如下：

其中，m₁,k₁和c₁为减振器主结构参数，分别为主结构的质量、刚度系数和阻尼系数；m₂,k₂和c₂为减振结构参数，分别为为减振结构的质量、刚度系数和阻尼系数；x₁(t)、和为主结构位移、速度和加速度；x₂(t)、和为减振结构位移、速度和加速度；式中x(t)＝x₁(t)-x₂(t)为主结构和减振结构的相对位移，为主结构和减振结构的相对加速度；为外界振动力；u(t)＝kx(t)，k即为待设计的最优参数。

进一步地，所述步骤(2)的实现过程如下：