智能外壳结构制造技术

可管理和操控振动能的智能外壳结构。这种外壳可以用来控制一系统的、部件的、装置或结构的外壳或蒙皮中的振动。此外壳具有与之耦合的传感器以获得对振动的响应。与外壳成整体连接的致动器可以有选择地起动给此外壳加力，以使振动能限制于或转向到外壳的一个或多个预定区。由致动器施加的力可控制来形成限制性功率流。还可以用振动力的空间导数控制外壳致动器。此种结构可以用于但不限于船舶、飞行器、宇宙飞船、汽车、水上装置、工业机器、机库、家用器具、建筑物、桥梁与海上石油平台。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般地涉及具有振动能量的管理和操控本领的智能外壳结构，具体涉及到管理系统、组件、装置或结构的蒙皮或外壳中的振动。
技术介绍
当前的无源式振动抑制方法分组成三个主要领域能量隔离、能量吸收与通过阻及材料和/或阻尼装置的能量消耗。正如这种名称所表示的，吸收件是添加的设计用来吸收振动能的单自由度或多自由度系统，而隔离件则截止振动能的流动并阻止其相对于所考虑的系统送入或传出。注意到在吸收件的情形，能量是从主系统取出而引向吸收件的；而在隔离件的情形，能量则是被阻挡于隔离件的任一侧。但在附加阻尼的情形，能量便会以噪声和/或热的形式消耗。采用这样一些无源方法是有许多优点的。振动的隔离件、吸收件与附加的阻尼件属周知的，同时有较简单的数据模型能辅助它们用于设计阶段，且已由设计师与工程师等用了一个多世纪。它们易于制造，应用的费用也低。不过这类无源式方法都存在若干重大的性能缺点。隔离件与吸收件通常调谐到一个或几个选择的谐振频率，因而它们在选定的谐振频率附近的窄的频带范围内最为有效。它们的性能在所设计的频率范围之外会下降。在某些情形下，它们甚至有可能将不希望有的振动放大。当出现剧烈的震荡或振动荷载时，振动隔离件就无效。在结构中附加阻尼的主要作用在于以较快的速率取出较多的能量。因此，它们的性能取决于有多少能量以及能量怎样通过此结构输送到此阻尼机构。由于结构振动在谐振时最大，在谐振频率或其附近，阻尼处理方法最为有效。当应用吸收件或附加阻尼件来减少低频振动时，则将涉及到重量上的损失。此外，绝大多数阻尼材料具有有限的温度范围且在较高的频率下有较好的性能。因此，对于更广的频率范围就需要有更有效的振动抑制方法。近年来引入了各式各样的AVC(有源式振动消除)法来有源地抑制振动。绝大多数这类AVC技术是根据这样的振动原理，这类振动原理已经与微电子学、信号处理、材料科学与控制策略的进展相结合，以构成更适用和更有效的振动抑制系统。在当前实用的具有反馈控制器的AVC系统中，对振动进行测量并将结果反馈给控制器，然后采取相应的起动操作。在此情形下，致动器施加力或力矩来抵消已有的振动。在具有前馈控制器的AVC系统中，对源进行测量并正向传送给此控制器，然后进行相应的起动操作。这时是用致动器将在此源或其附近相对于该测量信号具有适当相移的相同扰动注入。尽管上述两种AVC法在原理上是不同的，但它们至少有两个共同特点它们都是把能量注入系统中以消除已有的不希望有的振动或噪声，同时它们都以反应方式(即传感、处理与响应)工作。现行的AVC法不能改变结构内的振动能量流。2000年9月12日发布的题名为“Apparatus and Method forConfinement and Damping of Vibration Energy”的美国专利No.6116389以及2000年3月7日发布的题名为“Vibration Controlby Confinement of Vibration Energy”的美国专利No.6032552，提出了这样的振动问题，即注意到未必能或在实际上不能完全抑制一个系统所有部分的振动。但这两件专利认识到实际上可以将振动改向或限制到低于临界状态下或是较易控制的区域中。在这两件专利中，所述限制是通过无源式或半有源式的装置实现的，这种装置控制着结构部件或机械部件的位置和/或刚性。复合的金属外层，例如围绕汽车的板件、建筑用的墙壁与墙纸以及装计算机的包装箱，都是一个系统非常重要的整体部分。特别是宇宙飞船、飞机、船舶与潜艇，它们都有承受力的外壳或蒙皮，这种外壳或蒙皮不仅需能经受严苛的空气动力学与流体动力学的载荷(例如承重)，还必须携带一系列的光、声与雷达型的传感器。外壳的主要任务之一便是保护它的荷重与传感器阵列。当前所有的外壳(即飞机蒙皮、汽车与设备等的外壳)只是较薄的一层各向同性的金属或多层复合材料。除了通常的任务外，外壳还最好能处理和操控振动能量，以使振动荷载的阻尼效应减至最小。能够通过控制功率流与能量管理来控制噪声与振动的外壳可以很好地适用于监控它的主机系统(或部件)的健康。这就是说，外壳有可能于初期阶段探测到损伤与裂纹，确定受损的部位从而能在其传播到系统的其余部分之前快速地查出和修改。出于上述的理由以及下述的可为本领域技术人员在阅读和了解本说明书后得以弄清的理由，在本项技术中就需要有这样的智能外壳，它能用来有源地改变结构内的振动能。
技术实现思路
上述的结构振动问题以及其他问题可由本专利技术解决，并可以通过阅读和研究下述的说明而得以理解。本专利技术提供了这样的系统，它能感测干扰能量的数量、位置与类型，并将多余能量限制、转向与操控，用以保护系统本身及其承载的所有部件不会由于多余的扰动能的随机传播而被损坏。在一种实施形式中，外壳结构包括外壳、与此外壳耦合以测量外壳振动的传感器以及与外壳整体连接的致动器。这种致动器可以有选择地起动以给外壳施加力，从而将振动能限制或改向到一个或多个预定的外壳区域。然后可以用无源件来消耗限制住的振动能，所加的力可以由此振动系统的空间导数或通过所探测的振动的相位与大小加以确定。应用此探测的扰动的大小与相位，确定由此致动器所加的力的相称的相位与大小。在另一实施形式中，具有外壳材料的结构包括外层、与外层耦合的用于测量外层中的振动的传感器，与外壳成整体的致动器，以及与传感器耦合的用于给致动器提供控制信号的控制器。在又一实施形式中，提供了用于控制外壳结构中振动的方法。此方法包括探测外壳结构中的振动；对成整体地形成于外壳中的致动器施加反馈力，通过在外壳中形成能量功率流型以限制振动能或使其改向。提供了在外壳结构中控制振动的另一种方法。此方法包括探测外壳结构中的振动；处理探测出的振动以确定为限制此振动所需的相称的反馈力。将此反馈力与历史数据和基线数据相比较，以确定此外壳结构中是否存在缺陷。最后，由此外壳中整体形成的致动器施加反馈力，限制振动能或使其改向。附图说明图1A示明本专利技术一实施形式的外壳结构的俯视图；图1B示明本专利技术一实施形式的外壳结构的透视图；图1C示明本专利技术一实施形式的外壳结构的横剖图；图1D示明具有无源件的本专利技术一实施形式的扁平外壳结构的横剖图；图1E示明具有无源件的本专利技术一实施形式的弯曲外壳结构的横剖图；图2示明应用本专利技术一实施形式能感生的环流限制；图3示明应用本专利技术一实施形式能感生的涡流限制；图4A～4C示明用来处理由扰动力激发的结构中能量的三种可能的功率流型；图5A与5B示明应用空间导数限制振动的外壳结构的一种实施形式；图6A和6B示明本专利技术一实施形式的能量管理系统与当前实际应用的有源式振动限制方法之间的某些差别；图7是本专利技术一实施形式的振动限制与缺陷探测的流程图。具体实施形式在下面对最佳实施例的详细描述是参考附图进行的，这些附图构成了本专利技术的一部分，其中示明了供解释用的可由之实现本专利技术的最佳具体实施例。这些实施例描述得充分详细以使本领域的技术人员能实施本专利技术，同时应认识到可以采用其他实施形式，且在不脱离本专利技术的精神与范围的前提下是可以作出逻辑的、机械的与电气的变更。因此，下面的详细描述不带限制意义，本专利技术的范围只受权利要求书的规定。本专利技术涉及具有整体式能量基的混合振动与噪声控制系统的受力外壳结构。这种振动的本文档来自技高网...

【技术保护点】
外壳结构，其包括：外壳；与外壳耦合来测量外壳振动的传感器；以及与此外壳成为整体的致动器，该致动器可有选择地起动以对外壳加力来将振动能限制于或改向到一个或多个预定的外壳区。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：D阿莱，
申请(专利权)人：质量研究发展及顾问公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]