基于磁流变弹性体的结构振动控制研究

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机械臂作为柔性多体系统动力学分析和控制理论研究最直接的应用对象,由于其具有简明的物理模型以及易于计算机和实物模型试验实现的特点,已成为发展新一代机器人和航空航天技术的关键性课题。随着机械工业的发展,柔性机械臂正朝着高速化、精密化和轻型化的方向飞速发展。然而,随着机械臂运行速度和加速度的不断增大,高加速度运动产生的弹性振动将在时间和空间尺度方面限制精定位性能的实现。如何在极短的时间内抑制高速、高加速度运动柔性机械臂的振动以提高其运动精度一直是振动控制领域的一个研究热点和难点。   在本文中,我们将磁流变弹性体材料引入柔性机械臂的振动控制,对基于磁流变弹性体材料结构设计的复合结构柔性机械臂的建模理论、动力学特性和振动控制开展多学科交叉研究,为极限工况下柔性机械臂的振动控制提供理论基础和新的参考方法。   本文根据汉密尔顿原理推导夹层简支梁的位移数学表达式,通过对磁流变弹性体夹层梁进行模态分析,仿真结果表明磁流变弹性体夹层梁的固有频率随着弹性体剪切模量的增加而增加。   采用磁流变弹性体材料,设计了磁流变弹性体夹层梁,通过对所设计的磁流变弹性体夹层梁进行动力学特性测试实验,实验结果表明,随着外加磁场强度的增加,夹层梁的固有频率逐渐增大,其振动得到明显的抑制作用。   假设磁流变弹性体为挤压工作模式,设计了磁流变弹性体隔振器,并针对精密加工平台研制基于磁流变弹性体的主被动一体实验平台,将主动和被动隔振元件与结构系统高度结合,在被动控制技术中加入一定的主动因素,构成主被动一体隔振控制,这样既提高了系统的适应性又可降低输入功率,也增加控制系统的稳定性。   利用所设计的实验平台,对磁流变弹性体的性能进行研究,通过改变通电线圈电流的大小来改变磁场大小,对实验平台的幅频特性曲线加以分析,实验结果表明,随着线圈电流的增大,所产生的磁场场强逐渐增强,磁流变弹性体实验平台的固有频率逐渐增大,较好的实现了移频效果,对后续关于磁流变弹性体的主动振动控制研究具有重要的理论价值。
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