自调谐式可调谐质量阻尼器的制作方法

本公开的实施例大体涉及航空航天结构中的动态谐振的阻尼的领域，并且更具体地涉及调谐的质量阻尼器(TMD)，所述TMD采用既作为致动器也作为有耗元件的音圈/磁体结合，用于测量且调节所述TMD和TMD被附接至的航空航天结构中的结构响应且然后调节有耗元件以自调谐所述TMD，从而使所述航空航天结构和TMD结合的动态响应的减少最大化。

背景技术：

调谐的质量阻尼器(TMD)是高阻尼谐振设备，其通过动态地耦合进小阻尼模式中来增加结构的小阻尼振动模式的阻尼。在实践中，TMD是阻尼弹簧/质量谐振器，其可被调谐以便其频率接近在主结构上的小阻尼模式。所述TMD在成问题的模式中的大振幅运动的部位处被附接至主结构并且所述TMD的运动被耦合进所述主结构的运动中。如果所述TMD被正确地调谐，那么两种阻尼振动模式的结果是，其将代替主结构的原始小阻尼模式和所述TMD的高阻尼模式。由于航空航天结构在动态干扰环境存在的情况下易于在小阻尼模式下响应较差，一个或若干TMD的引入通过抑制有问题的模式而能够大大地减少结构的动态响应。

与TMD的安装相关的挑战中的一个是调谐。调谐涉及针对在耦接的设备中产生最佳性能的设备确定未耦合的固有频率和阻尼的正确值。有限元模型在预测主结构动力学中是有帮助的，有限元模型然后能够用于确定取得最佳性能的所述TMD的频率、阻尼和质量，但是有限元模型必须非常精确才能有用。不带有TMD的结构的测量的模态振型(mode shape)也能够用于确定取得最佳性能的TMD的频率、阻尼和质量。典型安装涉及使用有限元模型来确定在TMD中的移动质量和所要求的阻尼和频率的范围。然后，实验数据用于将频率、阻尼和质量“调谐”至引起主结构响应中的最大响应减少的值。这个过程通常是冗长的且要求若干迭代。

因此，期望提供自调谐式TMD以针对阻尼消除调谐步骤、节省时间并且产生更好的整体性能，从而通过抑制有问题的模式来减少结构的动态响应。

技术实现要素：

本文所公开的实施例提供了一种可调谐质量阻尼器，其具有框架和被支撑在框架中的音圈。与音圈同心的磁体经由音圈相对于壳体可移动。具有从磁体延伸的第一端和可释放地耦合至框架的臂的多个弯曲部，所述弯曲部可调节，以用于磁体的期望频率的往复运动。

用于操作可调谐质量阻尼器的方法包括将具有作为移动质量的音圈和同心磁体的TMD附接至主结构的具有预期的大的动态响应的部位处。弯曲部夹具被释放，并且通过使用音圈调节在所述TMD上的弯曲部长度，以促使磁体和相关联的斜坡(ramp)与轴承导轨接触，从而旋转磁体和弯曲部以获得所述TMD的期望频率。然后，弯曲部被再次夹合，用于所述TMD的操作。

已经论述的特征、功能和优势能够在本公开的各种实施例中独立地实现，或者可以在另一些其他实施例中结合，参照以下的描述和附图能够了解另一些其他实施例的进一步细节。

附图说明

图1A为TMD的示例性实施例的透视图示；

图1B为图1A的实施例的侧视图；

图1C为图1A的实施例的顶部局部剖视图；

图2A为TMD的侧视图，其中音圈被提供动力以接合较低的调节斜坡，用于减小弯曲部长度；

图2B为TMD的侧视图，其中音圈被提供动力以接合较高的调节斜坡，用于增加弯曲部长度；

图3A为TMD的顶部局部剖视图，其中弯曲部被旋转至大体上最大的长度；

图3B为TMD的顶部局部剖视图，其中弯曲部被旋转至大体上最小的长度；

图4为用于TMD的控制系统的方框图；以及，

图5为描绘用于TMD的调节和操作的示例性方法的流程图。

具体实施方式

本文所公开的实施例提供了一种TMD，该TMD具有弹性元件(诸如，弹簧)、移动质量体和有耗元件，以引入阻尼。弹簧被设计成针对在通过TMD的期望的轴线上的往复运动来引导TMD的运动。如果与磁体结合的缩短的音圈被用作有耗元件，那么通过改变线圈两端的电阻来改变阻尼能够实现增加的益处。带有音圈损耗机构的TMD可从CSA/Moog(http://www.csaengineering.com/products-services/tuned-mass-dampers-absorbers/tmd-products/)商购获得。在本实施例中所公开的自调谐式TMD使用既作为致动器也作为有耗元件的音圈/磁体结合，这能够实现创新的刚度调节机构。

图1A-1C中示出了自调谐式TMD的基本部件。带有芯子12的音圈10被支撑在框架14中。对于所示出的实施例，框架采用分隔开且通过立柱15c连接的顶部凸缘15a和底部凸缘15b。虽然针对该实施例在附图中被示出为开放式框架，但是可以在替代实施例中采用封闭的壳体。通过由半螺旋弯曲部18a和弯曲部18b形成的弹性元件支撑的磁体16同心地围绕线圈10并且经由音圈10相对于壳体可移动。磁体16提供用于在轴线20上同心地往复运动的TMD的移动质量体。弯曲部18a和弯曲部18b由从框架14延伸的柱子20支撑。多个弯曲部具有从磁体16延伸的第一端和可释放地耦合至框架14的臂19。对于所示出的实施例，弯曲部18a和弯曲部18b每个具有三个对称的臂19。在替代实施例中，弯曲部可以由在替代柱子20的立柱15c上的各种附接物来支撑，并且可以采用用于弯曲部的替代数量的臂和相关联的柱子来支撑磁体16。

音圈10能够被主动地提供动力并且用于从图1B所示的中间位置向上或向下移动磁体16。通过控制系统(随后将详细描述)施加至音圈的大电压推动磁体16轴向地接合轴承座圈斜坡22a或轴承座圈斜坡22b从而抵靠轴承导轨24a或轴承导轨24b，其中轴承座圈斜坡22a和轴承座圈斜坡22b附接至磁体16，轴承导轨24a和轴承导轨24b附接至框架14。斜坡和导轨的轴向接合引起磁体16的旋转。磁体16的旋转引起所附接的弯曲部18a和弯曲部18b的旋转。如果磁体16在如图2A中示出的附图中的描绘中被向下推动，那么轴承座圈斜坡22b和轴承导轨24b之间的接触迫使磁体以逆时针方向转动。如果磁体16在如图2B中示出的附图中的描绘中被向上推动，那么轴承座圈斜坡22a和轴承导轨24a之间的接触迫使磁体以顺时针方向转动。相对于框架14弹性地支撑磁体16的弯曲部18a和弯曲部18b包含弧形槽26和接合销28，该弧形槽26大体上同心地环绕轴线20，该接合销28从柱子20延伸。销28被容纳在槽26内，并且每个销在槽26中可定位，用于所述弯曲部18的有效长度的调节。通常封闭的螺线圈30在没有施加电压时锁定夹具31以固定弯曲部，并且在施加电压时释放夹具。当螺线圈被锁定时，弯曲部18a和弯曲部18b被锁定在沿槽26的选定的位置处，槽26以磁体为中心并且允许磁体相对于音圈10振动。在TMD中的磁体质量的振动的固有频率或谐振频率能够通过借由相对于槽26定位销28和夹具31改变弯曲部18a和弯曲部18b的有效长度而被改变。磁体16的顺时针运动使弯曲部沿终止于如图3A所示的远端32处的槽26的范围延长，其中磁体16的逆时针运动使弯曲部沿终止于如图3B所示的近端34处的槽26的范围缩短。经由附接至磁体16的第一斜坡22a可以实现顺时针旋转，当第一斜坡22a在第一方向中被移动时，第一斜坡22a接合第一导轨元件24a从而使磁体16和弯曲构件18a、弯曲构件18b以顺时针方向旋转。经由附接至磁体16的第二斜坡22b可以实现逆时针旋转，当第二斜坡22b在第二方向中被移动时，第二斜坡22b接合第二导轨元件24b从而使磁体16和弯曲构件18a、弯曲构件18b以顺时针方向旋转。夹具31通过螺线圈30致动以夹合至少一个弯曲构件，并且被构造成在螺线圈处于第一状态时允许磁体16和弯曲构件18a、弯曲构件18b旋转，并且在螺线圈处于第二状态时将弯曲构件夹合在固定位置。螺线圈30可以被提供动力用于激活处于第一状态，并且通过夹具被接合处于螺线圈的故障状况而使螺线圈30被停用处于第二状态。因此，在第一方向的旋转延长弯曲构件的有效长度，并且在第二方向的旋转缩短弯曲构件的有效长度，使得通过改变弯曲构件的有效长度，使调谐的质量阻尼器频率可调节。频率基于夹具31和在槽26中的销28的位置在一定范围内可调节。当施加大电压至致动器以定时(clock)磁体16时，也通过控制系统施加电压至释放夹具31的螺线圈30从而允许弯曲部相对于由柱子20支撑的销28滑动。

TMD的阻尼能够通过使用例如数字化可编程模拟电阻器改变音圈10两端的电阻而被改变。增加电阻使得音圈10和磁体16之间的感应相互作用损耗更多，而减小电阻使得相互作用损耗更少。如图4所示的控制系统可以被采用以主动地控制用于定时磁体16从而改变TMD的谐振频率或引起磁体的激励的音圈10，从而允许TMD表现的像振动器(shaker)或振荡型锤子(modal hammer)一样。控制计算机402采用控制算法以作用于通过控制接口403所接收的输入，并且通过音圈放大器406提供控制输出以如先前所描述的那样来主动定位或驱动音圈10，其中所述控制接口403可以包括模数转换(A/D)和数模转换(D/A)接口404。控制系统可以包括在其中的编码指令，用于基于来自至少一个加速计的输入来计算最佳频率范围。控制系统被构造成激活至少一个螺线圈致动的夹具31并且控制音圈12来使磁体旋转从而将弯曲构件18a、弯曲构件18b调节至对应于所计算的频率的有效长度。螺线圈放大器408被连接至控制计算机402以(如先前所描述的那样)可控制地使螺线圈30释放相关联的夹具31。也可以采用各种信号调理部件410。可移除的柔性连接件(tether)412将控制系统部件耦合至TMD 400，其中TMD 400连接至螺线圈30和音圈10，并且附加地连接至主结构416上的至少一个加速计414、与磁体16相关联的至少一个加速计418a和被安装至框架14的至少一个加速计418b。来自加速计的数据通过信号调理元件410和在A/D & D/A接口404中的A/D被处理。至可变电阻器420的柔性连接件412中的控制连接允许在控制计算机402的控制下通过在A/D & D/A接口404中的D/A调节TMD的损耗特性，其中可变电阻器420连接在音圈10的两端。

给定与主结构相关联的感兴趣的频率带，自调谐式TMD能够被调节至远低于在带中的最低频率的选定的测试频率并且自调谐式TMD能够测量进入音圈的电流和基部的加速度之间的同位传递函数(collocated transfer function)。将需要作为信号调理元件410之一的电流模式放大器。替代地，可使用在进入音圈的电压和基部的加速度之间的传递函数，然而，该传递函数将受到增加通过反电动势(EMF)的一些阻尼的影响。所选定的传递函数将提供对主结构的未耦合行为的深入理解并且可以用作用于调谐TMD的算法的起始点。所测量的传递函数将示出小阻尼模式，所述小阻尼模式对于用于抑制以减少主结构响应来说是良好的候选。控制系统被构造成分析包括超过一个小阻尼谐振频率的频率带，并且确定最佳频率和阻尼以使振动的影响最小化。也可以在多个TMD(如与图4中的接口403相关联的元件400所示出的)被安装至结构的情况下应用该技术，其中所连接的至少一个TMD用于驱动作为致动器的音圈。在所有的TMD被调谐至选定的测试频率的情况下，然后采样在所有TMD中的加速计以收集响应数据，并且可以通过控制系统做出用于使所有的TMD最佳的决定，从而减少对在TMD处或在TMD附近的干扰的响应，其中TMD被驱动作为致动器。然后，可以使用音圈来调节每个TMD，以如上所述定时在每个TMD中的磁体，并且控制计算机可以针对每个TMD调节可编程的电阻以提供期望的响应。

如图5所示，具有所描述的实施例的结构的自调谐式TMD被附接至主结构具有预期的大动态响应的位置处，步骤502。然后，柔性连接件被附接至至少一个TMD以提供动力至音圈和螺线管并且接收来自安装在TMD框架、磁体和主结构上的加速计的信号，步骤504。采用控制系统来释放弯曲部夹具，并且通过使用音圈调节TMD以促使磁体和斜坡接触轴承导轨从而将TMD的频率调节至低于所感兴趣的频率带并且重新夹合弯曲部，步骤506。然后，控制系统致动音圈作为振动器并且测量所得到的未耦合的主传递函数，步骤508。采用未耦合的主传递函数和预定的调谐逻辑确定优选的TMD频率和阻尼，步骤510。然后，采用控制系统再次释放弯曲部夹具，并且通过使用音圈来调节TMD以促使磁体和斜坡接触轴承导轨从而调节弯曲部长度，以获得所期望的TMD频率并且再次夹合弯曲部，步骤512。然后，控制系统改变在音圈两端的数字化可编程模拟电阻器上的电压来设定期望的阻尼，步骤514。然后，控制系统可以再次将音圈激活作为振动器并且利用加速计测量所得到的耦合的主传递函数，以与所预测的传递函数相比较，步骤516。然后，可以重复步骤506至步骤516，直到满足收敛性判别准则，步骤518。然后，柔性连接件从TMD移除，步骤520，并且TMD准备自主操作，用于动态地抑制主结构。虽然本文所描述的步骤是关于至少一个TMD，但是多个TMD作为一组可以被连接、激活、测量和调谐而被最优化用于期望的结构的阻尼，其中如先前所描述的，TMD附接至所述结构。多个TMD中的单个TMD可以被激活作为振动器，同时在多个TMD中的所有TMD可以被测量和调谐。

进一步地，本公开包括根据以下条款的实施例：

条款1.一种调谐的质量阻尼器，其包括：

框架；

被支撑在所述框架中的音圈；

磁体，所述磁体与所述音圈同心并且经由所述音圈相对于壳体可移动；

多个弯曲部，所述多个弯曲部具有从所述磁体延伸的第一端和可释放地耦接至所述框架的臂，所述弯曲部可调节，用于所述磁体的期望频率的往复运动。

条款2.如条款1中所限定的调谐的质量阻尼器，其中每个弯曲部包含所述臂中的槽，所述槽容纳从所述框架支撑的销，所述销在所述槽中可定位，用于调节所述弯曲部的有效长度。

条款3.如条款2中所限定的调谐的质量阻尼器，其还包括：

附接至所述磁体的第一斜坡，当所述第一斜坡在第一方向中被移动时，所述第一斜坡接合第一导轨元件，从而使所述磁体和弯曲构件以顺时针方向旋转；

附接至所述磁体的第二斜坡，当所述第二斜坡在第二方向中被移动时，所述第二斜坡接合第二导轨元件，从而使所述磁体和所述弯曲构件以逆时针方向旋转。

条款4.如条款3中所限定的调谐的质量阻尼器，其还包括：

至少一个夹具，所述至少一个夹具由在至少一个弯曲构件上的螺线圈致动并且被构造成当所述螺线圈处于第一状态时允许所述磁体和弯曲构件转动，并且当所述螺线圈处于第二状态时将所述弯曲构件夹合在固定位置中。

其中在所述第一方向中的旋转延长所述弯曲构件的有效长度，并且在所述第二方向中的旋转缩短所述弯曲构件的有效长度，使得通过改变所述弯曲构件的有效长度，使所述调谐的质量阻尼器频率是可调节的。

条款5.如条款1中所限定的调谐的质量阻尼器，其还包括被部署在所述磁体上的至少一个加速计。

条款6.如条款5中所限定的调谐的质量阻尼器，其还包括控制系统，所述控制系统具有在其中的编码指令，用于基于来自所述至少一个加速计的输入计算最佳频率范围，所述控制系统被构造成激活所述至少一个螺线圈致动的夹具并且控制所述音圈以使所述磁体旋转，从而将所述弯曲构件调节至对应于所计算的频率的有效长度，其中所述控制系统被构造成分析包括超过一个小阻尼谐振频率的频率带，并且确定最佳频率和阻尼以使振动的影响最小化。

条款7.如条款6的调谐的质量阻尼器，其还包括与所述音圈串联的可变电阻，所述可变电阻响应所述控制系统来调节所述调谐的质量阻尼器的阻尼。

条款8.如条款6中所限定的调谐的质量阻尼器，其还包括柔性连接件，所述柔性连接件可移除地将所述控制系统连接至所述音圈和所述至少一个加速计。

条款9.如条款4中所限定的调谐的质量阻尼器，其中所述螺线圈被提供动力用于激活处于第一状态，并且通过所述夹具被接合处于所述螺线圈的故障状况而使所述螺线圈被停用处于第二状态。

条款10.一种用于可调谐质量阻尼器(TMD)的操作的方法，其包括：

将至少一个TMD附接至结构，将具有由弯曲部支撑的作为移动质量的音圈和同心磁体的所述TMD附接至主结构的具有预期的大动态响应的位置处；

释放弯曲部夹具；

通过使用所述音圈调节在所述TMD上的弯曲部长度，以促使所述磁体和相关联的斜坡与轴承导轨接触，从而旋转所述磁体和弯曲部以获得所述TMD的期望频率；

重新夹合所述弯曲部，用于所述TMD的操作。

条款11.如条款10中所限定的方法，其还包括：

通过使用所述音圈调节所述弯曲部长度，以促使所述磁体和斜坡与所述轴承导轨接触，从而将所述TMD的频率调节至低于感兴趣的频率带；

重新夹合所述弯曲部；

致动所述音圈作为振动器；

测量所得到的未耦合的主传递函数；以及

采用所述未耦合的主传递函数和预定的调谐逻辑来确定优选的TMD频率和阻尼。

条款12.如条款11中所限定的方法，其还包括：

激活所述音圈作为振动器；

利用加速计测量所得到的耦合的主传递函数，以与预测的传递函数进行比较；以及

重复调节弯曲部长度、激活所述音圈作为振动器和测量所得到的耦合的主传递函数的步骤，以获得所述TMD的期望频率，直到满足收敛性判别准则。

条款13.如条款12中所限定的方法，其还包括将柔性连接件附接至所述TMD，以提供动力至所述音圈和螺线圈并且接收来自被安装在所述TMD框架、磁体和主结构上的加速计的信号。

条款14.如条款13中所限定的方法，其还包括从所述TMD移除所述柔性连接件，用于所述TMD的自主操作以便于动态地抑制所述主结构。

条款15.如条款13中所限定的方法，其还包括改变在所述音圈两端的数字化可编程模拟电阻器上的电压以设定期望的阻尼。

条款16.如条款11中所限定的方法，其中至少一个TMD包括多个TMD，并且激活所述音圈的步骤包括激活所述TMD的选定的一个的所述音圈作为振动器，测量所得到的未耦合的主传递函数的步骤包括针对所述TMD的每一个测量所得到的未耦合的主传递函数，释放所述弯曲部夹具的步骤、调节所述弯曲部长度和重新夹合所述弯曲部夹具的步骤针对每个TMD被执行。

条款17.一种包括条款1的调谐的质量阻尼器的结构阻尼系统，其还包括：

主结构，所述主结构具有预期的高动态响应的位置；

附接至所述音圈的至少一个加速计；

控制系统，所述控制系统具有在其中的编码指令，用于基于来自所述至少一个加速计的输入计算最佳频率范围，所述控制系统被构造成控制所述音圈来使所述磁体旋转从而将所述弯曲构件调节至对应于计算的频率的有效长度。

条款18.如条款17中所限定的结构阻尼系统，其中所述控制系统被构造成分析包括超过一个小阻尼谐振频率的频率带，并且确定最佳频率和阻尼以使振动的影响最小化。

条款19.如条款17中所限定的结构阻尼系统，其中每个弯曲部包含在所述臂中的槽，所述槽容纳从所述框架支撑的销，所述销在所述槽中可定位，用于调节所述弯曲部的有效长度，进一步包括：

附接至所述磁体的第一斜坡，当所述第一斜坡在第一方向中被移动时，所述第一斜坡接合第一导轨元件，从而使所述磁体和弯曲构件以顺时针方向旋转；

附接至所述磁体的第二斜坡，当所述第二斜坡在第二方向中被移动时，所述第二斜坡接合第二导轨元件，从而使所述磁体和弯曲构件以逆时针方向旋转；

至少一个夹具，所述至少一个夹具由在至少一个弯曲构件上的螺线圈致动并且被构造成当所述螺线圈处于第一状态时允许所述磁体和弯曲构件转动，并且当所述螺线圈处于第二状态时将所述弯曲部夹合在固定位置中，

其中在所述第一方向中的旋转延长所述弯曲构件的有效长度，并且在所述第二方向中的旋转缩短所述弯曲构件的有效长度，使得通过改变所述弯曲构件的有效长度，使调谐的质量阻尼器频率是可调节的。

条款20.如条款17中所限定的结构阻尼系统，其中所述至少一个TMD包括多个TMD。

现已按照专利法规的要求详细描述了本公开的各种实施例，本领域技术人员将意识到本文所公开的具体实施例的修改和替代。此类修改在如由随附的权利要求所限定的本公开的范围和意图内。