一种纵向分布式压电叠堆管道减振器及布置方法

本发明属于结构振动控制，具体而言属于一种纵向分布式压电叠堆管道减振器及布置方法。

背景技术：

1、管道结构广泛应用于各种工程领域，主要涉及船舶海洋工程、土木工程、航天航空工程以及石油化工等重大工程领域。然而，管道结构在其使用寿命期间管道内压力大小变化和外部荷载作用下产生振动的问题，振动不仅会导致工作人员的极度不舒适、降低结构的寿命，严重时还会导致结构及其构件的破坏，从而导致人员伤亡和经济损失。作动器作为振动主动控制的执行元件对控制性能有重要影响。近年来，随着智能材料和制造工艺的发展，新型智能作动器可有效地降低附加质量、提高控制性能，其中压电叠层作动器具有质量轻、机械输出效率高、输出力大、工作频范宽、响应速度快等优点，已成为包括航空结构振动主动控制等领域备受关注的执行元件。压电叠层作动器利用压电材料的逆压电效应，通过施加电压实现机械能的输出，其机械受力方向和施加电场方向与压电材料的极化方向一致（3-3轴），相对于横向压电片作动器（3-1轴），通常具有更高的机械输出效率，通过电学并联和机械串联结构使得压电叠层作动器在较低电压驱动下具有较大的驱动能力。

2、然而现有技术中，作动器一般以嵌入、开槽或者直接接触的方式使用；而嵌入、开槽等使用方式会破坏管道的结构，直接接触则容易导致减振效果较差；除此以外，现有技术难以对被控的管道进行整体减振。

3、有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的第一目的在于提供一种纵向分布式压电叠堆管道减振器，该减振器装置小巧、质量轻、易拆装，且使用过程中不会破坏管道本身的结构，可用于不方便安装吊顶减振支架的管道结构和外部工作空间狭小的管道结构上；尤其可应用于船舶与海洋工程领域中舰船内管道系统上，当管道受到外部荷载作用和内部流体运输冲击产生振动时，压电叠堆作动器接收控制器通过电缆传输来的电信号出力，对管道结构进行有效的振动控制，提高了振动控制效率，获得了良好的减振效果。

2、本发明的第二目的在于提供上述压电叠堆管道减振器在管道结构上的布置方法，该布置方法能够实现主动减振控制，同时从初始的局部减振出发，多点布置之后，最后能做到整体减振。

3、为实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

4、本发明提供了一种纵向分布式压电叠堆管道减振器，包括固定在管道表面的端板，所述端板之间设置有压电叠堆作动器，所述端板与所述压电叠堆作动器之间通过通电连接部件连接；所述端板与所述压电叠堆作动器相互垂直。

5、端板的作用在于固定压电叠堆作动器的位置，将压电叠堆作动器的轴向力转化为弯矩形式作用在管道结构上用于管道结构的减振控制，端板与管道结构外表面固定连接，端板的材质尺寸应根据管道结构外表面的材质和曲率等外部条件进行选择，尤其是连接方式，一般为了不破坏管道内部结构，不采取钻孔螺栓固定的方式，采用焊接工艺固定。端板的底面是根据连接的结构表面形式而定，需要连接的结构表面是圆弧面则底面加工磨合为弧面进行贴合，反之假如管道结构为平面时则端板底部为平面与管道结构进行贴合固定连接。

6、端板与压电叠堆作动器相互垂直，原因在于压电叠堆作动器本身就只出轴向力，假如倾斜或者是其他的相对位置关系就无法转换成弯矩作用到管道，丧失减振的性能。

7、端板可以与管道结构外表面接、铆接、粘接，可根据管道结构的具体情况进行选择最合理恰当的连接方式，以不破坏管道密封性为第一前提，保证压电叠堆作动器在后续出力的过程中，端板不会从管道结构外表面脱落损坏作动器并且影响减振效果。

8、端板的材料包括：高强钢、碳纤维、钛合金中的任一种。据管道结构的材质选择与之连接不相斥的材料，保证端板能很好地固定在管道结构的外表面；在此条件基础上使用高强耐拉压材料可以提高装置的控制性能和使用寿命，所述装置材料根据使用环境进行选择，如果使用环境具有腐蚀性，应选择耐腐蚀材料。

9、优选地，作为进一步具体的实施方式，所述压电叠堆作动器包括不锈钢套筒以及设置在所述不锈钢套筒内部的压电叠堆，所述压电叠堆的侧面与所述不锈钢套筒之间有空隙；所述压电叠堆作动器上还设置有同轴电缆。

10、优选地，作为进一步具体的实施方式，所述压电叠堆作动器的一端还设置有促动杆，所述压电叠堆作动器的另一端为带螺纹底座；所述促动杆的一端嵌入所述压电叠堆作动器的内部，并与所述压电叠堆相抵；另一端从压电叠堆作动器中伸出；所述不锈钢套筒与所述促动杆通过预紧机械装置连接。

11、促动杆与预紧机械结构相连接，在组装作动器内部结构的过程中通过一定的方法减小促动杆与不锈钢外壳之间的间距而使得机械预紧结构产生一定的弹力，进而实现对压电叠堆的预紧；预紧机械结构一方面与压电叠堆靠接，对压电叠堆进行预紧，另一方面与促动杆相接触，顶部与所述的不锈钢套筒的顶部相接，压电叠堆通过电缆接受到信号后发生逆压电效应进行出力，促动杆此时就将力传递出去，以实现减振的目的。

12、优选地，作为进一步具体的实施方式，所述通电连接部件包括螺杆、螺栓以及转接头套管；所述促动杆直接与螺杆a的一端相抵，所述螺杆a的另一端与转接头套管相抵，所述转接头套管通过螺栓a固定于端板a开孔内部；所述带螺纹底座的一端与螺杆b的一端直接相抵，所述螺杆b的另一端通过螺栓b固定在端板b的开孔处。

13、优选地，作为进一步具体的实施方式，所述同轴电缆与控制器连接，所述控制器与电源连接；所述压电叠堆管道减振器的距离≤10cm的范围内设置有mfc传感片。

14、压电叠堆作动器通过对两端板施加轴向力从而转化成弯矩形式，使整个装置以弯矩形式出力在管道结构上，mfc传感片将管道结构的振动情况和所受到的外部荷载作用实时传递给控制器，为控制器通过算法计算控制力的大小提供实时数据；当范围在10cm以内时，能够更好的感应到减振器的实际情况，同时将信号传递给控制器，由于管道本身为固体，随着距离的增加振动效果逐渐减小，因此为了更好的感知信号，将mfc传感片设置在距离减振器10cm以内的位置，能够实现更好的感应效果。

15、优选地，作为进一步具体的实施方式，所述端板a与端板b之间的距离=不锈钢套筒的长度+螺杆a的长度+螺杆b的长度+转接头套管的长度-嵌入压电叠堆作动器内部的促动杆的径深。

16、在本发明中，端板通过焊接工艺固定连接在管道结构的外表面，压电叠堆作动器通过螺杆、螺栓以及转接头套管安装固定在端板中，螺杆、螺栓的口径螺纹与压电叠堆作动器带螺纹底座的螺纹孔尺寸相匹配；实际安装过程中，端板的距离应当根据压电叠堆作动器和螺杆、螺栓以及转接头套管的尺寸进行设计；以保证压电叠堆作动器在安装进去后，预紧机械机构和螺杆能充分接触抵压给不锈钢套筒中的压电叠堆施加预紧力达到设计值，如果端板之间的距离过大可能会导致预紧力施加不充分后续叠堆出力不饱和的问题；端板之间的距离过小，则会较为明显的降低减振的效果。

17、本发明还提供了一种上述压电叠堆管道减振器在管道结构上的布置方法，包括如下步骤：

18、通过有限元仿真计算对管道结构进行建模，得到结构的各阶模态，并确定激振点；

19、选择算法选择减振点，进行振动仿真计算，计算出减振效果，确定布置位置，并纵向布置所述压电叠堆管道减振器。

20、优选地，作为进一步具体的实施方式，所述算法为遗传算法、粒子群算法或鲸鱼算法中的任意一种或多种。

21、优选地，作为进一步具体的实施方式，所述振动仿真计算为ansys联合matlab运算。

22、ansys联合matlab运算可以使用lqr、h∞、lqg、mcs中的任一种或多种，该种优化布置算法通过有限仿真元计算实现对管道结构进行建模，并能够对静止状态、振动状态或者其他的状态的模态，建立一个准确清晰的管道模型，并准确的确定激振点，从初始的振动位置开始布置，从而实现多点布置，实现整体减振。

23、减振装置的驱动力不仅与压电叠堆作动器本身的特性有关，而且与驱动位置的外部结构动态特性有关。选取特定的位置对减振装置进行优化布置，选择减振装置的安装位置、控制器参数调整以及实现在控制电压输入约束下实现最佳的振动控制效果，达到压电叠堆作动器和结构振动主动控制的有效应用。针对管道结构流固耦合情况下的振动噪声辐射，减振装置直接根据实际工况模态分析得出管道结构的动态特性，提高减振装置安装位置的目的性，通常选择在控制点附近或者主振源处安装压电叠堆作动器，考虑作动器自身特性及其管道结构自身系统耦合的影响，得到分布式作动器配置。由于纵向分布式布置多个压电叠堆作动器，管道结构的局部振动能够得到很好地控制，整体减振效果也可能会有理想的效果。采用优化布置后，多个作动器同时作用下能显著提高对管道结构的减振效果，本发明的减振装置在具体使用过程中可以单个使用，对管道结构的局部减振；当管道结构尺寸较大需要多点控制时，可使用多个压电叠堆作动器装置优化布置纵向分布式安装，在控制器算法下进行主动减振控制。在实施过程中，在管道结构振动较大的部位可以考虑增大作动器的输出力。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

25、（1）本发明所设计的压电叠堆管道减振器，安装在管道结构外表面上即可获得减振效果，该装置及方法能够单一应用于管道结构的减振控制，也能够配合多种其他被动管道减振支架联合使用，进一步提高振动控制的效果和扩大振动控制的工况范围。当管道结构发生振动时，该装置通过压电叠堆作动器的轴向力作用在端板以及通电连接装置上，然后以弯矩的形式作用在管道结构从而对管道结构进行有效的振动控制，达到预期良好的减振效果。

26、（2）本发明所提供的压电叠堆管道减振器在管道结构上的布置方法，能够计算出最佳的减振点的位置进行布置，从压电叠堆最初始的局部减振出发，多点布置之后，最后能做到整体减振。