一种并联式蝶形压电减振装置

本发明属于用于飞行器所携带的电子设备隔振防护装置，具体涉及一种并联式蝶形压电减振装置。

背景技术：

1、在航空系统中，飞行器的性能主要依赖于精确的定位和精密的结构，从而保证系统在外界干扰下具有较小的结构动态响应，但是飞行器在实际工作中难免与环境相互作用而产生振动，这些振动会对飞行器上的高精度设备的性能产生不利影响。研究表明，对敏感、精密电子元件进行隔振保护，能够有效降低飞行过程中环境载荷对其的影响。传统的放置在干扰源和受干扰设备之间的减振装置有弹簧阻尼装置、粘弹性材料阻尼器、液压阻尼器等。虽然这些装置能够在一定程度下减小振动的传递，但是也存在着一定的缺陷。弹簧阻尼器一般结构复杂，难以安装布置，且弹簧容易产生机械疲劳，进而导致减振性能下降；粘弹性材料阻尼器强度、抗蠕变能力较差，阻尼性能区间狭窄，难以适配不同的负载；液压阻尼器具有明显的非线性特性，在复杂的振动环境中，可能会在工作过程中锁死，且在振动过大时甚至会产生碰撞。

2、为了解决传统减振系统的缺陷，上世纪80年代，美国军方提出“智能结构”的概念，美国空军的莱特实验室将智能材料技术应用到飞行器和航天结构的振动控制中，通过将传感器、控制器、作动器与主体结构集成，搭配信号处理与电子电路系统，形成一个自适应能力强、稳定性好的智能系统。智能材料与结构技术具有巨大的开发价值和研究潜能，相关技术现已应用于健康检测、能量采集、振动控制等多个领域。

3、压电材料是智能材料的一种，除了具有一般弹性体的线弹性特性外，还具有正、逆压电效应，即可作为传感元件，又可作为驱动元件。压电材料具有体积小、重量轻、鲁棒性好、机电转换效率高等优点，以压电陶瓷为代表的压电智能材料在航空航天、工业生产、土建结构等领域具有广泛的应用。但压电陶瓷存在着易碎、抗冲击能力差、难以集成到基体结构等问题。随着科技的进步，nasa于1996年发明了mfc柔性材料，相较于传统的压电材料，其具有更好的柔韧性和力学特性，使得其在振动控制领域具有广泛的应用。

4、目前，根据外界能量的输入情况，基于压电材料的振动与噪声控制方法可分为被动控制、主动控制、半主动控制三种。被动控制是利用压电材料的压电效应，将结构振动的机械能转换为电能，通过外接的分流电路耗散掉；主动控制是将压电元件作为传感元件与执行元件，通过传感元件的形变产生电信号，通过控制器对信号进行处理和分析，通过功率放大器在执行元件两端施加电压，实现对振动的闭环控制；半主动控制是根据传感器的电信号，调整振动系统的刚度、阻尼等参数特性，从而实现在不同情况下的最优控制。

5、被动控制结构简单、容易实现，但控制的鲁棒性差，难以适应复杂的振动环境，且在控制低频振动时，会面临设计大电感的问题，从而增大了减振系统的体积；主动控制结构的控制效果好、鲁棒性强，但其体积和功耗较大，且控制系统复杂、不易实现；半主动控制具有被动控制和主动控制共同的优点，控制更灵活，且不易受到外部环境因素影响。从国内外研究现状来看，半主动控制方法具有结构简单且更具灵活性的优点，但如何将半主动控制技术用于减振系统中是亟待解决的难题。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种并联式蝶形压电减振装置，利用半主动控制技术有效降低振动的传递，既克服了被动控制鲁棒性差的问题，同时解决了主动控制体积大、需要大量外部能量输入的问题，并有效地避免了传统减振器自适应能力差、结构复杂等问题。

2、为了达到上述目的，本发明提供的并联式蝶形压电减振装置包括上底板、下底板、蝶形减振环、压电片和ssdv半主动控制电路；其中，上底板和下底板平行且上下对称设置；蝶形减振环由依次连接的上连接片、上斜片、中部连接片、下斜片和下连接片构成，其中上连接片和下连接片平行设置，中部分别形成有连接孔；中部连接片以与上连接片垂直的方式设置；若干个蝶形减振环上的上底板和下底板分别利用螺栓均匀紧固在上底板和下底板之间；蝶形减振环的数量根据实际需要配置；压电片设置在蝶形减振环上下斜片的内外两侧面上；所有压电片并联后连接ssdv半主动控制电路。

3、所述上底板和下底板为具有相同尺寸的矩形孔板，采用密度小、刚度大、韧性好的金属材料制成。

4、所述蝶形减振环采用弹性好、强度大、化学性质稳定的金属材料制成。

5、所述压电片采用mfc压电纤维片或pzt压电陶瓷片。

6、所述蝶形减振环上的上斜片和下斜片具有相同的长度和倾斜角度。

7、所述压电片设置在下斜片底部的位置。

8、所述ssdv半主动控制电路包括：第一电容c1、第二电容c2、第一电阻r1、第二电阻r2、第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4、第五二极管d5、第六二极管d6、第一三极管t1、第二三极管t2、第三三极管t3、第四三极管t4、第一电感l1、第二电感l2、第一直流电源dc1和第二直流电源dc2；其中，第一电容c1、第一电阻r1、第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第一三极管t1、第二三极管t2、第一电感l1和第一直流电源dc1组成极大值控制部分；所述第一电容c1、第一电阻r1和第一二极管d1串联耦合于ssdv半主动控制电路z的第一输入端in1和第二输入端in2之间，第一电阻r1另一端与第一二极管d1的正极耦合于第一节点p1，第一电容c1的另一端与第一二极管d1的负极和第一三极管t1的发射极耦合于第二节点p2，第一三极管t1的集电极与第三二极管d3的正极耦合于第一输入端in1，第一三极管t1的发射极与第二二极管d2的正极耦合于第三节点p3，第二二极管d2的负极与第二三极管t2的集电极耦合于第四节点p4；第三二极管d3、第二三极管t2、第一电感l1和第一直流电源dc1串联耦合于第一输入端in1和第二输入端in2之间；第三二极管d3的负极和第二三极管t2的集电极耦合到第五节点p5；第一直流电源dc1的正极耦合到第一输入端in2，第一电感l1耦合到第一三极管t2和第一直流电源dc1之间，分别与第二三极管t2的发射极和第一直流电源dc1的负极耦合到第六节点p6和第七节点p7；第二电容c2、第二电阻r2、第四二极管d4、第五二极管d5、第六二极管d6、第三三极管t3、第四三极管t4、第二电感l2和第二直流电源dc2组成极小值控制部分；所述第二电容c2、第二电阻r2和第四二极管d4串联耦合于ssdv半主动控制电路z的第一输入端in1和第二输入端in2之间，第二电阻r2另一端与第四二极管d4的负极耦合于第八节点p8，第二电容c2的另一端与第四二极管d4的负极和第三三极管t3的发射极耦合于第九节点p9，第三三极管t3的集电极与第五二极管d5的负极耦合于第一输入端in1，第三三极管t3的发射极与第五二极管d5的负极耦合于第十节点p10，第五二极管d5的负极与第四三极管t4的集电极耦合于第十一节点p11；第六二极管d6、第四三极管t4、第二电感l2和第二直流电源dc2串联耦合于第一输入端in1和第二输入端in2之间；第六二极管d6的正极和第四三极管t4的集电极耦合到第十二节点p12；第二直流电源dc2的负极耦合到第一输入端in2，第二电感l2耦合到第四三极管t4和第二直流电源dc2之间，分别与第四三极管t4的发射极和第二直流电源dc2的正极耦合到第十三节点p13和第十四节点p14；压电片4并联后接到第一输入端in1和第二输入端in2。

9、本发明具有以下有益效果：

10、(1)本发明利用压电陶瓷体积小、灵敏度高的特点，可对环境中的振动做出快速、有效的响应，大大提高了减振性能，同时避免了对机械结构进行改动后产生的设计难题。

11、(2)本发明使用半主动控制方法，利用ssdv半主动控制电路与压电片连接，当压电片产生形变，出现结构位移极值时，对压电片电压进行放大处理，增加了阻尼性能的频带范围，使得减振装置同时兼具了被动控制和主动控制的优势，既能保证系统具有良好的鲁棒性和动态特性，又不需要类似于主动控制系统中的功率放大器和大量的外部能源，减小了系统的体积和重量，便于安装。