自調諧式可調諧質量阻尼器的制作方法

本公開的實施例大體涉及航空航天結構中的動態諧振的阻尼的領域，并且更具體地涉及調諧的質量阻尼器(TMD)，所述TMD采用既作為致動器也作為有耗元件的音圈/磁體結合，用于測量且調節所述TMD和TMD被附接至的航空航天結構中的結構響應且然后調節有耗元件以自調諧所述TMD，從而使所述航空航天結構和TMD結合的動態響應的減少最大化。

背景技術：

調諧的質量阻尼器(TMD)是高阻尼諧振設備，其通過動態地耦合進小阻尼模式中來增加結構的小阻尼振動模式的阻尼。在實踐中，TMD是阻尼彈簧/質量諧振器，其可被調諧以便其頻率接近在主結構上的小阻尼模式。所述TMD在成問題的模式中的大振幅運動的部位處被附接至主結構并且所述TMD的運動被耦合進所述主結構的運動中。如果所述TMD被正確地調諧，那么兩種阻尼振動模式的結果是，其將代替主結構的原始小阻尼模式和所述TMD的高阻尼模式。由于航空航天結構在動態干擾環境存在的情況下易于在小阻尼模式下響應較差，一個或若干TMD的引入通過抑制有問題的模式而能夠大大地減少結構的動態響應。

與TMD的安裝相關的挑戰中的一個是調諧。調諧涉及針對在耦接的設備中產生最佳性能的設備確定未耦合的固有頻率和阻尼的正確值。有限元模型在預測主結構動力學中是有幫助的，有限元模型然后能夠用于確定取得最佳性能的所述TMD的頻率、阻尼和質量，但是有限元模型必須非常精確才能有用。不帶有TMD的結構的測量的模態振型(mode shape)也能夠用于確定取得最佳性能的TMD的頻率、阻尼和質量。典型安裝涉及使用有限元模型來確定在TMD中的移動質量和所要求的阻尼和頻率的范圍。然后，實驗數據用于將頻率、阻尼和質量“調諧”至引起主結構響應中的最大響應減少的值。這個過程通常是冗長的且要求若干迭代。

因此，期望提供自調諧式TMD以針對阻尼消除調諧步驟、節省時間并且產生更好的整體性能，從而通過抑制有問題的模式來減少結構的動態響應。

技術實現要素：

本文所公開的實施例提供了一種可調諧質量阻尼器，其具有框架和被支撐在框架中的音圈。與音圈同心的磁體經由音圈相對于殼體可移動。具有從磁體延伸的第一端和可釋放地耦合至框架的臂的多個彎曲部，所述彎曲部可調節，以用于磁體的期望頻率的往復運動。

用于操作可調諧質量阻尼器的方法包括將具有作為移動質量的音圈和同心磁體的TMD附接至主結構的具有預期的大的動態響應的部位處。彎曲部夾具被釋放，并且通過使用音圈調節在所述TMD上的彎曲部長度，以促使磁體和相關聯的斜坡(ramp)與軸承導軌接觸，從而旋轉磁體和彎曲部以獲得所述TMD的期望頻率。然后，彎曲部被再次夾合，用于所述TMD的操作。

已經論述的特征、功能和優勢能夠在本公開的各種實施例中獨立地實現，或者可以在另一些其他實施例中結合，參照以下的描述和附圖能夠了解另一些其他實施例的進一步細節。

附圖說明

圖1A為TMD的示例性實施例的透視圖示；

圖1B為圖1A的實施例的側視圖；

圖1C為圖1A的實施例的頂部局部剖視圖；

圖2A為TMD的側視圖，其中音圈被提供動力以接合較低的調節斜坡，用于減小彎曲部長度；

圖2B為TMD的側視圖，其中音圈被提供動力以接合較高的調節斜坡，用于增加彎曲部長度；

圖3A為TMD的頂部局部剖視圖，其中彎曲部被旋轉至大體上最大的長度；

圖3B為TMD的頂部局部剖視圖，其中彎曲部被旋轉至大體上最小的長度；

圖4為用于TMD的控制系統的方框圖；以及，

圖5為描繪用于TMD的調節和操作的示例性方法的流程圖。

具體實施方式

本文所公開的實施例提供了一種TMD，該TMD具有彈性元件(諸如，彈簧)、移動質量體和有耗元件，以引入阻尼。彈簧被設計成針對在通過TMD的期望的軸線上的往復運動來引導TMD的運動。如果與磁體結合的縮短的音圈被用作有耗元件，那么通過改變線圈兩端的電阻來改變阻尼能夠實現增加的益處。帶有音圈損耗機構的TMD可從CSA/Moog(http://www.csaengineering.com/products-services/tuned-mass-dampers-absorbers/tmd-products/)商購獲得。在本實施例中所公開的自調諧式TMD使用既作為致動器也作為有耗元件的音圈/磁體結合，這能夠實現創新的剛度調節機構。

圖1A-1C中示出了自調諧式TMD的基本部件。帶有芯子12的音圈10被支撐在框架14中。對于所示出的實施例，框架采用分隔開且通過立柱15c連接的頂部凸緣15a和底部凸緣15b。雖然針對該實施例在附圖中被示出為開放式框架，但是可以在替代實施例中采用封閉的殼體。通過由半螺旋彎曲部18a和彎曲部18b形成的彈性元件支撐的磁體16同心地圍繞線圈10并且經由音圈10相對于殼體可移動。磁體16提供用于在軸線20上同心地往復運動的TMD的移動質量體。彎曲部18a和彎曲部18b由從框架14延伸的柱子20支撐。多個彎曲部具有從磁體16延伸的第一端和可釋放地耦合至框架14的臂19。對于所示出的實施例，彎曲部18a和彎曲部18b每個具有三個對稱的臂19。在替代實施例中，彎曲部可以由在替代柱子20的立柱15c上的各種附接物來支撐，并且可以采用用于彎曲部的替代數量的臂和相關聯的柱子來支撐磁體16。

音圈10能夠被主動地提供動力并且用于從圖1B所示的中間位置向上或向下移動磁體16。通過控制系統(隨后將詳細描述)施加至音圈的大電壓推動磁體16軸向地接合軸承座圈斜坡22a或軸承座圈斜坡22b從而抵靠軸承導軌24a或軸承導軌24b，其中軸承座圈斜坡22a和軸承座圈斜坡22b附接至磁體16，軸承導軌24a和軸承導軌24b附接至框架14。斜坡和導軌的軸向接合引起磁體16的旋轉。磁體16的旋轉引起所附接的彎曲部18a和彎曲部18b的旋轉。如果磁體16在如圖2A中示出的附圖中的描繪中被向下推動，那么軸承座圈斜坡22b和軸承導軌24b之間的接觸迫使磁體以逆時針方向轉動。如果磁體16在如圖2B中示出的附圖中的描繪中被向上推動，那么軸承座圈斜坡22a和軸承導軌24a之間的接觸迫使磁體以順時針方向轉動。相對于框架14彈性地支撐磁體16的彎曲部18a和彎曲部18b包含弧形槽26和接合銷28，該弧形槽26大體上同心地環繞軸線20，該接合銷28從柱子20延伸。銷28被容納在槽26內，并且每個銷在槽26中可定位，用于所述彎曲部18的有效長度的調節。通常封閉的螺線圈30在沒有施加電壓時鎖定夾具31以固定彎曲部，并且在施加電壓時釋放夾具。當螺線圈被鎖定時，彎曲部18a和彎曲部18b被鎖定在沿槽26的選定的位置處，槽26以磁體為中心并且允許磁體相對于音圈10振動。在TMD中的磁體質量的振動的固有頻率或諧振頻率能夠通過借由相對于槽26定位銷28和夾具31改變彎曲部18a和彎曲部18b的有效長度而被改變。磁體16的順時針運動使彎曲部沿終止于如圖3A所示的遠端32處的槽26的范圍延長，其中磁體16的逆時針運動使彎曲部沿終止于如圖3B所示的近端34處的槽26的范圍縮短。經由附接至磁體16的第一斜坡22a可以實現順時針旋轉，當第一斜坡22a在第一方向中被移動時，第一斜坡22a接合第一導軌元件24a從而使磁體16和彎曲構件18a、彎曲構件18b以順時針方向旋轉。經由附接至磁體16的第二斜坡22b可以實現逆時針旋轉，當第二斜坡22b在第二方向中被移動時，第二斜坡22b接合第二導軌元件24b從而使磁體16和彎曲構件18a、彎曲構件18b以順時針方向旋轉。夾具31通過螺線圈30致動以夾合至少一個彎曲構件，并且被構造成在螺線圈處于第一狀態時允許磁體16和彎曲構件18a、彎曲構件18b旋轉，并且在螺線圈處于第二狀態時將彎曲構件夾合在固定位置。螺線圈30可以被提供動力用于激活處于第一狀態，并且通過夾具被接合處于螺線圈的故障狀況而使螺線圈30被停用處于第二狀態。因此，在第一方向的旋轉延長彎曲構件的有效長度，并且在第二方向的旋轉縮短彎曲構件的有效長度，使得通過改變彎曲構件的有效長度，使調諧的質量阻尼器頻率可調節。頻率基于夾具31和在槽26中的銷28的位置在一定范圍內可調節。當施加大電壓至致動器以定時(clock)磁體16時，也通過控制系統施加電壓至釋放夾具31的螺線圈30從而允許彎曲部相對于由柱子20支撐的銷28滑動。

TMD的阻尼能夠通過使用例如數字化可編程模擬電阻器改變音圈10兩端的電阻而被改變。增加電阻使得音圈10和磁體16之間的感應相互作用損耗更多，而減小電阻使得相互作用損耗更少。如圖4所示的控制系統可以被采用以主動地控制用于定時磁體16從而改變TMD的諧振頻率或引起磁體的激勵的音圈10，從而允許TMD表現的像振動器(shaker)或振蕩型錘子(modal hammer)一樣。控制計算機402采用控制算法以作用于通過控制接口403所接收的輸入，并且通過音圈放大器406提供控制輸出以如先前所描述的那樣來主動定位或驅動音圈10，其中所述控制接口403可以包括模數轉換(A/D)和數模轉換(D/A)接口404。控制系統可以包括在其中的編碼指令，用于基于來自至少一個加速計的輸入來計算最佳頻率范圍。控制系統被構造成激活至少一個螺線圈致動的夾具31并且控制音圈12來使磁體旋轉從而將彎曲構件18a、彎曲構件18b調節至對應于所計算的頻率的有效長度。螺線圈放大器408被連接至控制計算機402以(如先前所描述的那樣)可控制地使螺線圈30釋放相關聯的夾具31。也可以采用各種信號調理部件410。可移除的柔性連接件(tether)412將控制系統部件耦合至TMD 400，其中TMD 400連接至螺線圈30和音圈10，并且附加地連接至主結構416上的至少一個加速計414、與磁體16相關聯的至少一個加速計418a和被安裝至框架14的至少一個加速計418b。來自加速計的數據通過信號調理元件410和在A/D & D/A接口404中的A/D被處理。至可變電阻器420的柔性連接件412中的控制連接允許在控制計算機402的控制下通過在A/D & D/A接口404中的D/A調節TMD的損耗特性，其中可變電阻器420連接在音圈10的兩端。

給定與主結構相關聯的感興趣的頻率帶，自調諧式TMD能夠被調節至遠低于在帶中的最低頻率的選定的測試頻率并且自調諧式TMD能夠測量進入音圈的電流和基部的加速度之間的同位傳遞函數(collocated transfer function)。將需要作為信號調理元件410之一的電流模式放大器。替代地，可使用在進入音圈的電壓和基部的加速度之間的傳遞函數，然而，該傳遞函數將受到增加通過反電動勢(EMF)的一些阻尼的影響。所選定的傳遞函數將提供對主結構的未耦合行為的深入理解并且可以用作用于調諧TMD的算法的起始點。所測量的傳遞函數將示出小阻尼模式，所述小阻尼模式對于用于抑制以減少主結構響應來說是良好的候選。控制系統被構造成分析包括超過一個小阻尼諧振頻率的頻率帶，并且確定最佳頻率和阻尼以使振動的影響最小化。也可以在多個TMD(如與圖4中的接口403相關聯的元件400所示出的)被安裝至結構的情況下應用該技術，其中所連接的至少一個TMD用于驅動作為致動器的音圈。在所有的TMD被調諧至選定的測試頻率的情況下，然后采樣在所有TMD中的加速計以收集響應數據，并且可以通過控制系統做出用于使所有的TMD最佳的決定，從而減少對在TMD處或在TMD附近的干擾的響應，其中TMD被驅動作為致動器。然后，可以使用音圈來調節每個TMD，以如上所述定時在每個TMD中的磁體，并且控制計算機可以針對每個TMD調節可編程的電阻以提供期望的響應。

如圖5所示，具有所描述的實施例的結構的自調諧式TMD被附接至主結構具有預期的大動態響應的位置處，步驟502。然后，柔性連接件被附接至至少一個TMD以提供動力至音圈和螺線管并且接收來自安裝在TMD框架、磁體和主結構上的加速計的信號，步驟504。采用控制系統來釋放彎曲部夾具，并且通過使用音圈調節TMD以促使磁體和斜坡接觸軸承導軌從而將TMD的頻率調節至低于所感興趣的頻率帶并且重新夾合彎曲部，步驟506。然后，控制系統致動音圈作為振動器并且測量所得到的未耦合的主傳遞函數，步驟508。采用未耦合的主傳遞函數和預定的調諧邏輯確定優選的TMD頻率和阻尼，步驟510。然后，采用控制系統再次釋放彎曲部夾具，并且通過使用音圈來調節TMD以促使磁體和斜坡接觸軸承導軌從而調節彎曲部長度，以獲得所期望的TMD頻率并且再次夾合彎曲部，步驟512。然后，控制系統改變在音圈兩端的數字化可編程模擬電阻器上的電壓來設定期望的阻尼，步驟514。然后，控制系統可以再次將音圈激活作為振動器并且利用加速計測量所得到的耦合的主傳遞函數，以與所預測的傳遞函數相比較，步驟516。然后，可以重復步驟506至步驟516，直到滿足收斂性判別準則，步驟518。然后，柔性連接件從TMD移除，步驟520，并且TMD準備自主操作，用于動態地抑制主結構。雖然本文所描述的步驟是關于至少一個TMD，但是多個TMD作為一組可以被連接、激活、測量和調諧而被最優化用于期望的結構的阻尼，其中如先前所描述的，TMD附接至所述結構。多個TMD中的單個TMD可以被激活作為振動器，同時在多個TMD中的所有TMD可以被測量和調諧。

進一步地，本公開包括根據以下條款的實施例：

條款1.一種調諧的質量阻尼器，其包括：

框架；

被支撐在所述框架中的音圈；

磁體，所述磁體與所述音圈同心并且經由所述音圈相對于殼體可移動；

多個彎曲部，所述多個彎曲部具有從所述磁體延伸的第一端和可釋放地耦接至所述框架的臂，所述彎曲部可調節，用于所述磁體的期望頻率的往復運動。

條款2.如條款1中所限定的調諧的質量阻尼器，其中每個彎曲部包含所述臂中的槽，所述槽容納從所述框架支撐的銷，所述銷在所述槽中可定位，用于調節所述彎曲部的有效長度。

條款3.如條款2中所限定的調諧的質量阻尼器，其還包括：

附接至所述磁體的第一斜坡，當所述第一斜坡在第一方向中被移動時，所述第一斜坡接合第一導軌元件，從而使所述磁體和彎曲構件以順時針方向旋轉；

附接至所述磁體的第二斜坡，當所述第二斜坡在第二方向中被移動時，所述第二斜坡接合第二導軌元件，從而使所述磁體和所述彎曲構件以逆時針方向旋轉。

條款4.如條款3中所限定的調諧的質量阻尼器，其還包括：

至少一個夾具，所述至少一個夾具由在至少一個彎曲構件上的螺線圈致動并且被構造成當所述螺線圈處于第一狀態時允許所述磁體和彎曲構件轉動，并且當所述螺線圈處于第二狀態時將所述彎曲構件夾合在固定位置中。

其中在所述第一方向中的旋轉延長所述彎曲構件的有效長度，并且在所述第二方向中的旋轉縮短所述彎曲構件的有效長度，使得通過改變所述彎曲構件的有效長度，使所述調諧的質量阻尼器頻率是可調節的。

條款5.如條款1中所限定的調諧的質量阻尼器，其還包括被部署在所述磁體上的至少一個加速計。

條款6.如條款5中所限定的調諧的質量阻尼器，其還包括控制系統，所述控制系統具有在其中的編碼指令，用于基于來自所述至少一個加速計的輸入計算最佳頻率范圍，所述控制系統被構造成激活所述至少一個螺線圈致動的夾具并且控制所述音圈以使所述磁體旋轉，從而將所述彎曲構件調節至對應于所計算的頻率的有效長度，其中所述控制系統被構造成分析包括超過一個小阻尼諧振頻率的頻率帶，并且確定最佳頻率和阻尼以使振動的影響最小化。

條款7.如條款6的調諧的質量阻尼器，其還包括與所述音圈串聯的可變電阻，所述可變電阻響應所述控制系統來調節所述調諧的質量阻尼器的阻尼。

條款8.如條款6中所限定的調諧的質量阻尼器，其還包括柔性連接件，所述柔性連接件可移除地將所述控制系統連接至所述音圈和所述至少一個加速計。

條款9.如條款4中所限定的調諧的質量阻尼器，其中所述螺線圈被提供動力用于激活處于第一狀態，并且通過所述夾具被接合處于所述螺線圈的故障狀況而使所述螺線圈被停用處于第二狀態。

條款10.一種用于可調諧質量阻尼器(TMD)的操作的方法，其包括：

將至少一個TMD附接至結構，將具有由彎曲部支撐的作為移動質量的音圈和同心磁體的所述TMD附接至主結構的具有預期的大動態響應的位置處；

釋放彎曲部夾具；

通過使用所述音圈調節在所述TMD上的彎曲部長度，以促使所述磁體和相關聯的斜坡與軸承導軌接觸，從而旋轉所述磁體和彎曲部以獲得所述TMD的期望頻率；

重新夾合所述彎曲部，用于所述TMD的操作。

條款11.如條款10中所限定的方法，其還包括：

通過使用所述音圈調節所述彎曲部長度，以促使所述磁體和斜坡與所述軸承導軌接觸，從而將所述TMD的頻率調節至低于感興趣的頻率帶；

重新夾合所述彎曲部；

致動所述音圈作為振動器；

測量所得到的未耦合的主傳遞函數；以及

采用所述未耦合的主傳遞函數和預定的調諧邏輯來確定優選的TMD頻率和阻尼。

條款12.如條款11中所限定的方法，其還包括：

激活所述音圈作為振動器；

利用加速計測量所得到的耦合的主傳遞函數，以與預測的傳遞函數進行比較；以及

重復調節彎曲部長度、激活所述音圈作為振動器和測量所得到的耦合的主傳遞函數的步驟，以獲得所述TMD的期望頻率，直到滿足收斂性判別準則。

條款13.如條款12中所限定的方法，其還包括將柔性連接件附接至所述TMD，以提供動力至所述音圈和螺線圈并且接收來自被安裝在所述TMD框架、磁體和主結構上的加速計的信號。

條款14.如條款13中所限定的方法，其還包括從所述TMD移除所述柔性連接件，用于所述TMD的自主操作以便于動態地抑制所述主結構。

條款15.如條款13中所限定的方法，其還包括改變在所述音圈兩端的數字化可編程模擬電阻器上的電壓以設定期望的阻尼。

條款16.如條款11中所限定的方法，其中至少一個TMD包括多個TMD，并且激活所述音圈的步驟包括激活所述TMD的選定的一個的所述音圈作為振動器，測量所得到的未耦合的主傳遞函數的步驟包括針對所述TMD的每一個測量所得到的未耦合的主傳遞函數，釋放所述彎曲部夾具的步驟、調節所述彎曲部長度和重新夾合所述彎曲部夾具的步驟針對每個TMD被執行。

條款17.一種包括條款1的調諧的質量阻尼器的結構阻尼系統，其還包括：

主結構，所述主結構具有預期的高動態響應的位置；

附接至所述音圈的至少一個加速計；

控制系統，所述控制系統具有在其中的編碼指令，用于基于來自所述至少一個加速計的輸入計算最佳頻率范圍，所述控制系統被構造成控制所述音圈來使所述磁體旋轉從而將所述彎曲構件調節至對應于計算的頻率的有效長度。

條款18.如條款17中所限定的結構阻尼系統，其中所述控制系統被構造成分析包括超過一個小阻尼諧振頻率的頻率帶，并且確定最佳頻率和阻尼以使振動的影響最小化。

條款19.如條款17中所限定的結構阻尼系統，其中每個彎曲部包含在所述臂中的槽，所述槽容納從所述框架支撐的銷，所述銷在所述槽中可定位，用于調節所述彎曲部的有效長度，進一步包括：

附接至所述磁體的第一斜坡，當所述第一斜坡在第一方向中被移動時，所述第一斜坡接合第一導軌元件，從而使所述磁體和彎曲構件以順時針方向旋轉；

附接至所述磁體的第二斜坡，當所述第二斜坡在第二方向中被移動時，所述第二斜坡接合第二導軌元件，從而使所述磁體和彎曲構件以逆時針方向旋轉；

至少一個夾具，所述至少一個夾具由在至少一個彎曲構件上的螺線圈致動并且被構造成當所述螺線圈處于第一狀態時允許所述磁體和彎曲構件轉動，并且當所述螺線圈處于第二狀態時將所述彎曲部夾合在固定位置中，

其中在所述第一方向中的旋轉延長所述彎曲構件的有效長度，并且在所述第二方向中的旋轉縮短所述彎曲構件的有效長度，使得通過改變所述彎曲構件的有效長度，使調諧的質量阻尼器頻率是可調節的。

條款20.如條款17中所限定的結構阻尼系統，其中所述至少一個TMD包括多個TMD。

現已按照專利法規的要求詳細描述了本公開的各種實施例，本領域技術人員將意識到本文所公開的具體實施例的修改和替代。此類修改在如由隨附的權利要求所限定的本公開的范圍和意圖內。