О выборе параметров динамического поглотителя колебаний

Рассмотрен вопрос о выборе параметров динамического поглотителя колебаний (ДПК), обеспечивающих его наибольшую эффективность. Рассмотрен простейший, “классический” [1], вариант ДПК - одностепенный гидравлический гаситель. Предложена схема определения его параметров: частоты колебаний, коэффициента д...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Механика твердого тела
Date:2009
Main Authors: Позднякович, А.Е., Пузырев, В.Е.
Format: Article
Language:Russian
Published: Інститут прикладної математики і механіки НАН України 2009
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28014
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:О выборе параметров динамического поглотителя колебаний / А.Е. Позднякович, В.Е. Пузырев // Механика твердого тела: Межвед. сб. науч. тр. — 2009. — Вип 39. — С. 167-172. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859824218780205056
author Позднякович, А.Е.
Пузырев, В.Е.
author_facet Позднякович, А.Е.
Пузырев, В.Е.
citation_txt О выборе параметров динамического поглотителя колебаний / А.Е. Позднякович, В.Е. Пузырев // Механика твердого тела: Межвед. сб. науч. тр. — 2009. — Вип 39. — С. 167-172. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Механика твердого тела
description Рассмотрен вопрос о выборе параметров динамического поглотителя колебаний (ДПК), обеспечивающих его наибольшую эффективность. Рассмотрен простейший, “классический” [1], вариант ДПК - одностепенный гидравлический гаситель. Предложена схема определения его параметров: частоты колебаний, коэффициента демпфирования и отношения массы гасителя к массе основного тела. Полученные результаты сопоставлены с известными и проиллюстрированы численными расчетами.
first_indexed 2025-12-07T15:27:09Z
format Article
fulltext ISSN 0321-1975. Механика твердого тела. 2009. Вып. 39 УДК 534.015.1, 534.83 c©2009. А.Е. Позднякович, В.Е. Пузырев О ВЫБОРЕ ПАРАМЕТРОВ ДИНАМИЧЕСКОГО ПОГЛОТИТЕЛЯ КОЛЕБАНИЙ Рассмотрен вопрос о выборе параметров динамического поглотителя колебаний (ДПК), обеспечивающих его наибольшую эффективность. Рассмотрен простейший, “классический” [1], вариант ДПК – одностепенный гидравлический гаситель. Предложена схема определе- ния его параметров: частоты колебаний, коэффициента демпфирования и отношения мас- сы гасителя к массе основного тела. Полученные результаты сопоставлены с известными и проиллюстрированы численными расчетами. 1. Постановка задачи. Рис. 1. Схема устройства динамического гасителя колебаний. Исходные соотношения. Рассмотрим механическую си- стему, изображенную на рис. 1 и моделирующую принципи- альную схему работы ДПК1. Основным назначением данно- го устройства является нейтра- лизация нежелательных коле- баний системы с одной степе- нью свободы, возбуждаемых периодической по времени (гармонической) возмущаю- щей силой. Амплитуда этих колебаний, как известно из ли- тературы, неограниченно воз- растает, если частота ω близ- ка к собственной частоте (natural frequency) системы. Соответствующие урав- нения движения имеют вид m1ẍ1 + c(ẋ1 − ẋ2) + (k1 + k2)x1 − k2x2 = F cosωt, (1) m2ẍ2 − c(ẋ1 − ẋ2)− k2(x1 − x2) = 0. Здесь m1,m2 − массы, а k1, k2 − жесткости пружин основного тела и гаси- теля соответственно; c − коэффициент сопротивления; F − максимальное значение возмущающей силы. Для системы, изображенной на рис. 1, величина амплитуды вынужден- ных колебаний (им соответствует частное решение неоднородной системы (1)) определяется согласно формуле 1В литературе используются различные названия данного устройства; наиболее упо- требительное в англоязычных источниках – dymamic vibration absorber [1 – 6], в русско- язычной литературе – поглотитель (динамический) или гаситель колебаний [7]. 167 А.Е. Позднякович, В.Е. Пузырев f = ( x1 ∆ )2 = hγ + (γ − d)2 hγ(γ + bγ − 1)2 + [bdγ + (γ − 1)(γ − d)]2 , (2) где ∆ = F k1 , b = m2 m1 , d = ( ω2 ω1 )2, h = m1 c2 m2 2 k1 , γ = ( ω ω1 )2. Здесь величина ∆ представляет собой статический прогиб первой пружины, а ω1 = √ k1/m1, ω2 = √ k2/m2 – круговые частоты колебаний соответственно основного тела и гасителя. Рис. 2. Амплитудно-частотные кривые при b = 0, 05; d = 0, 9. В предположении, что параметр b задан, схема определения оптималь- ных значений для d, h была предложена Я. П. Ден Хартогом [1, 2]. Несмотря на то, что с тех пор прошло более трех четвертей века, а примененный под- ход использовал весьма простой математический аппарат, этот результат Ден Хартога практически без изменений излагается во многих современных из- даниях по теории колебаний [3 – 7]. Ден Хартог фиксировал значения b, d и для различных значений h строил амплитудно-частотные кривые так, как это сделано на рис. 2, согласно формуле (2). Далее он использовал близость абсцисс инвариантных точек P и Q (invariant points – их координаты не за- висят от выбора h) и “пиков” кривых, которые соответствуют максимальным значениям амплитуды вынужденных колебаний. Если переписать выражение (2) в виде f = Ah + B Ch + D , то координаты точек P, Q можно легко определить из пропорции A : B = = C : D. После этого параметр d подбирался из условия равенства ор- динат “пиков”, а h − из условия “почти горизонтальности” касательных к 168 О выборе параметров динамического поглотителя колебаний амплитудно-частотной кривой в инвариантных точках. Таким образом полу- чились значения dopt = 1 (1 + b)2 , hopt = 3b 2 (1 + b)3 . (3) Подход Ден Хартога имел несомненные плюсы: простоту, что существенно для специалистов-прикладников, и высокую точность, как показали числен- ные эксперименты. Вместе с тем, можно отметить и два недостатка этого подхода. Первый – это отсутствие аналитической оценки разности между предлагаемым приближением и истинным значением (которое, строго гово- ря, не может быть определено точно). Второй – это использование существо- вания инвариантных точек, что является скорее исключением, чем прави- лом. В частности, в случае, когда основное тело также имеет депфирование, инвариантных точек нет, и для нахождения оптимальных параметров ДПК приходится прибегать к численной оптимизации [6, p. 14 – 15]. Поэтому яв- ляется актуальной разработка общего аналитического подхода к решению подобных задач. 2. Аналитическая схема приближенного нахождения оптималь- ных параметров ДПК. Величины, характеризующие параметры ДПК: его массу, собственную частоту колебаний (без учета демпфирования) и коэф- фициент сопротивления, являются положительными и ограниченными, т.е. существуют такие положительные числа δ1, δ2, δ3, b?, d?, h?, что δ1 ≤ b ≤ b?, δ2 ≤ d ≤ d?, δ3 ≤ h ≤ h?. (4) В формулу (2) входит также величина γ, которая, в отличие от осталь- ных неизвестных, может принимать произвольные значения из промежутка (0, γ?), в том числе и “неудобные” – дающие максимально возможное ( при заданных b, d, h) значение амплитуды колебаний основного тела. Таким об- разом, задачу можно сформулировать следующим образом: пусть параметры ДПК заданы, тогда следует: а) найти f̂− наибольшее по γ значение функции f ; б ) найти наименьшее значение f̂ в замкнутой области (4). Вычислим частную производную ∂f/∂γ и приравняем ее нулю. С точно- стью до отрицательного множителя она равна Φ(γ) = 2γ5 + γ4[(4 + 2βh + β2)h− 2(1 + 4δ + βδ)] + γ3[h2(1 + β)2− −4h(1 + δ(1 + b)(2 + b)) + 4δ(2 + δ(3 + 2δ))] + γ2[−2h2(1 + β)+ (5) +2hδ(4 + 3β + δ(1 + β)2 − 2δ2(6 + b + δ(1 + β)(4 + β))]+ +γ[−4hδ2(1 + β) + 2δ3(1 + β)(δ(1 + β)− 2(2 + b)]− 2δ4(1 + β) = 0. Данный многочлен пятой степени имеет по меньшей мере один положи- тельный корень, а поскольку Φ(0) < 0, Φ(∞) > 0, то функция f(γ) в точке 169 А.Е. Позднякович, В.Е. Пузырев максимума (их может быть одна или две) принимает свое наибольшее значе- ние. С математической точки зрения получается “обычная” задача на нахож- дение условного экстремума функции четырех переменных f(b, d, h, γ) при наличии соотношения (5). Трудность заключается в том, что получающаяся при этом система четырех нелинейных алгебраических уравнений слишком громоздка. Поэтому лучше применить приближенный способ решения зада- чи. Поскольку для широкого класса систем масса гасителя много меньше массы основного тела, то можно считать параметр b малым и воспользовать- ся методом теории возмущений [8]. При этом, на наш взгляд, проще искать решение по следующей схеме: 1) записываем d, h как ряды (многочлены) по степеням b с неопределенными коэффициентами и подставляем в (5); 2) ищем формальное решение для γ = γ(b); 3) подставляем найденные вы- ражения в f и, ограничиваясь несколькими первыми слагаемыми, находим приближенные значения для d и h. Опуская выкладки, имеем: d = 1 + d1b + d2b 2 + . . . , h = b (h0 + h1b + . . . ), (6) γ = 1 + γ1 √ b + γ2b + γ3( √ b)3 + γ4b 2 + . . . . Из равенства (5) получаем для γ последовательность уравнений для нахож- дения коэффициентов γj , j = 1, 4 b5/2 : γ1(γ4 1 + 2h0γ 2 1 + h2 0 − 2h0 − 1) = 0, (7) b3 : 2(5γ4 1 + 6h0γ 2 1 + h2 0 − 2h0 − 1)γ2 − 2(4d1 − 2h0 + 1)γ4 1+ +2[d1(1− 4h0) + 2h2 0 − 5h0 − 1]γ2 1 + 2d1(1 + h0) + 2h2 0 + h0 = 0. (8) Еще два уравнения не приводим – соответствующие выражения более гро- моздкие, хотя с помощью системы аналитических вычислений (был исполь- зован пакет Maple) считаются довольно быстро. Поскольку h0 > 0, то уравнение (7) имеет три вещественных корня γ11 = √ r − h0, γ12 = − √ r − h0, γ13 = 0, r = √ 2h0 + 1. (9) Значению γ13 соответствует минимум, поэтому эту цепочку коэффициентов дальше опускаем. Формальное разложение функции f в степенной ряд по b дает следующее выражение f = 1 b (f0 + f1b 1/2 + f2b + f3b 3/2 + . . . ), где f0 = h0 + γ2 1 γ4 1 + γ2 1(h0 − 2) + 1 , f1 = −γ1[2γ2(γ4 1 + 2h0γ 2 1 + h2 0 − 2h0 − 1)− 2γ4 1 + 2γ2 1(h0 + 3) + 2h2 0 − 3h0 − 4] γ4 1 + γ2 1(h0 − 2) + 1 , 170 О выборе параметров динамического поглотителя колебаний выражения для f2, f3 не приводим из-за громоздкости. Учитывая (9), получаем f0 = 2/[(3 − r)(r − 1)]. Очевидно, что минимум данного выражения соответствует вершине параболы y = −x2 + 4x− 3, т.е. r = √ 2h0 + 1 = 2, значит, h0 = 3/2, f0 = 2. Тогда γ2 1 = 1/2, и из (8) находим γ2 = −7/8, f1 = −4γ1(d1 + 2). Но, поскольку γ1 может принимать два равных по абсолютной величине и противоположных по знаку значения, то оптимальным будет условие f1 = 0, т.е. d1 = −2. Подставив найденные значения в выражения для f2, f3 , далее находим f2 = 17 16 , f3 = γ1 128 (512d2 + 64h1 − 1253). Как и в случае с f1, полагаем f3 = 0, тогда h1 = 1253 64 − 8d2, f4 = 24.6666d2 − 78.5822 , (10) и далее f5 = 0, f6 = (383/2+32 d2) d3−194.011 d2 2 +1574.391 d2−2997.121 . Сравнивая найденные значения коэф- Рис. 3. Величина функции f в окрестности d = dopt. фициентов разложения для d, h с теми, которые получаются из формул (3) dopt = 1− 2b + 3b2 − 2b3 + . . . , (11) hopt = 3 2 b− 9 2 b2 + 9b3 − . . . , можно видеть, что коэффициенты при пер- вых степенях b совпадают. Для нахожде- ния последующих коэффициентов имеется некоторый произвол, как можно видеть из (10), однако он невелик. Казалось бы, сле- дует выбрать d2 отрицательным, тогда уменьшится значение для f4, а значит и для f. Но надо учитывать, что при этом ухудшится сходимость ряда (значение для f6 будет иметь порядок 1/b). Отметим, что, как подтверждают чис- ленные расчеты, формулы (3) дают доволь- но высокую точность. Так, на рис. 3 при- ведена зависимость величины f− квадра- та амплитуды колебаний основного тела в окрестности оптимальной собственной ча- стоты ДПК d = dopt + δ. Здесь принято b = 0.1, h = hopt. Верхний предел для оси аппликат выбирался автоматически, поэтому можно видеть, что с уменьшением значений δ этот предел уменьшается c ≈ 25 до ≈ 21.1. Поэто- му для уточнения найденного первого приближения поступим следующим 171 А.Е. Позднякович, В.Е. Пузырев образом: положим d2 = 3 + δ2, d3 = −2 + δ3, и найдем некоторый баланс, обеспечивающий минимальность величины f4 при условии невозрастания модулей последующих коэффициентов ряда для f − мы ограничились f6. Рис. 4. Влияние поправок к dopt и hopt на величину амплитуды. Результаты расчетов зависят от степени малости b, для b = 0.1 получилось значение δ2 ≈ −0.02 . Тогда d2 = 2.98 , а из (10) получается h1 ≈ −4.3 . На рис. 4 приведены фрагменты графиков зависимости f(γ) в окрестностях точек максимума: сплошной кривой соответствуют значения d = 1− 2b + 2.98 b2, h = b(1.5− 4.3 b), (12) а пунктирной − dopt, hopt. Можно видеть, что формулы (3) и (12) дают, соответственно, значения для f̂ , равные ≈ 21.07 и ≈ 21.062 . Последнее даже немного меньше чем f0/b + f2 = 20 + 17/16 = 21.0625, поскольку ряд для f(b) получается знакопеременным. 1. Ormondroyd J., Den Hartog J.P. The theory of the dynamic vibration absorber // Trans. ASME. – 1928. – 50, № 1. – P. 9 – 22. 2. J.P. Den Hartog Mechanical vibrations. – York: Maple Press Co., 1947 (1934, 1940). – 486 p. 3. Sesak J.R., Gronet M.J., Marinos G.M. Passive Stabilization for Large Space Systems. – NASA Contractor Report. CR – 4067. – April, 1987. – 138 p. 4. Celly S.G. Fundamentals of mechanical vibrations. – Mc Graw – Hill series in mechanical engineering, 2000. – 632 p. 5. Rao S.S. Mechanical vibrations. – Purdue University, Addison – Wesley Publishing Co., 2000. – 737 p. 6. Encyclopedia of vibrations / Ed.-in-Chief Brown S. – San Diego etc.: Academic Press, 2002. – 1685 p. 7. Тимошенко С.П., Янг Д.Ч., Уивер У. Колебания в инженерном деле. – М.: Машино- строение, 1985. – 472 с. 8. Найфе А. Введение в методы возмущений. – М.: Мир, 1984. – 535 с. Ин-т прикл. математики и механики НАН Украины, Донецк axs@ukr.net Получено 26.08.09 172
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-28014
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 0321-1975
language Russian
last_indexed 2025-12-07T15:27:09Z
publishDate 2009
publisher Інститут прикладної математики і механіки НАН України
record_format dspace
spelling Позднякович, А.Е.
Пузырев, В.Е.
2011-10-25T21:06:01Z
2011-10-25T21:06:01Z
2009
О выборе параметров динамического поглотителя колебаний / А.Е. Позднякович, В.Е. Пузырев // Механика твердого тела: Межвед. сб. науч. тр. — 2009. — Вип 39. — С. 167-172. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
0321-1975
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28014
534.015.1, 534.83
Рассмотрен вопрос о выборе параметров динамического поглотителя колебаний (ДПК), обеспечивающих его наибольшую эффективность. Рассмотрен простейший, “классический” [1], вариант ДПК - одностепенный гидравлический гаситель. Предложена схема определения его параметров: частоты колебаний, коэффициента демпфирования и отношения массы гасителя к массе основного тела. Полученные результаты сопоставлены с известными и проиллюстрированы численными расчетами.
ru
Інститут прикладної математики і механіки НАН України
Механика твердого тела
О выборе параметров динамического поглотителя колебаний
Article
published earlier
spellingShingle О выборе параметров динамического поглотителя колебаний
Позднякович, А.Е.
Пузырев, В.Е.
title О выборе параметров динамического поглотителя колебаний
title_full О выборе параметров динамического поглотителя колебаний
title_fullStr О выборе параметров динамического поглотителя колебаний
title_full_unstemmed О выборе параметров динамического поглотителя колебаний
title_short О выборе параметров динамического поглотителя колебаний
title_sort о выборе параметров динамического поглотителя колебаний
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28014
work_keys_str_mv AT pozdnâkovičae ovyboreparametrovdinamičeskogopoglotitelâkolebanii
AT puzyrevve ovyboreparametrovdinamičeskogopoglotitelâkolebanii