双模态自感知的电磁-摩擦电智能超结构及其设计方法

本发明涉及电磁器件，尤其涉及一种双模态自感知的电磁-摩擦电智能超结构及其设计方法。

背景技术：

1、振动控制、能量采集与健康监测是保障工程结构与装备安全的三种重要技术手段。在建筑隔震层、桥梁支座、精密设备台座或轨道交通装备悬挂部位，振动无法完全避免，通过振动控制这一技术手段过引入可控力来抵消或耗散振动能量；通过能量采集这一技术手段将多余的振动机械能转换为电能；通过健康监测这一技术手段感知并诊断结构的损伤或异常。

2、在现有技术中，通过设置线性隔振器实现振动控制功能，设置压电式或电磁式俘能器实现能量采集功能，设置单独的结构健康监测系统实现健康监测功能。

3、然而，上述线性隔振器难以兼顾低频隔振性能与静态承载能力，且振动能量最终以热能形式耗散。上述俘能器工作频带窄，需作为附加设备单独安装。上述结构健康监测系统则需额外布置大量传感器及其供电、通信线缆，系统结构复杂，且制造成本与维护成本较高。

4、因此，如何提供一种低频宽带减振、振动能量回收与结构健康自感知于一体的智能超结构，是本领域待以解决的技术难题。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供了一种双模态自感知的电磁-摩擦电智能超结构及其设计方法。旨在提供一种低频宽带减振、振动能量回收与结构健康自感知于一体的智能超结构。

2、为实现上述目的，本发明提供一种双模态自感知的电磁-摩擦电智能超结构，包括：

3、盖板；

4、底板；

5、内壁，所述内壁的顶部与所述盖板连接，所述内壁的底部与所述底板连接，所述内壁呈管状且所述内壁的中间位置设置有通孔，所述盖板、所述底板和所述内壁之间围合形成容纳腔；

6、第一永磁体，所述第一永磁体位于所述容纳腔内，且设置在所述盖板底部；

7、第二永磁体，所述第二永磁体位于所述容纳腔内，且设置在所述底板顶部；

8、第三永磁体，所述第三永磁体设置在所述第一永磁体和所述第二永磁体之间，且所述第三永磁体设置在所述容纳腔的中间位置，所述第一永磁体和所述第三永磁体同极相向设置，所述第三永磁体和所述第二永磁体同极相向设置，所述第一永磁体的竖向轴线、所述第二永磁体的竖向轴线和所述第三永磁体的竖向轴线为同一轴线；

9、感应线圈组，所述感应线圈组与所述第三永磁体相对设置；

10、第一摩擦层，所述第一摩擦层设置在所述第三永磁体相对所述感应线圈组的外表面；

11、第二摩擦层，所述第二摩擦层设置在所述内壁的内表面，且与所述第一摩擦层相对设置；

12、其中，所述第三永磁体沿所述竖向轴线往复运动，所述感应线圈组基于所述第三永磁体的往复运动产生感应电动势，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层基于所述第三永磁体的往复运动产生开路电压，所述感应电动势与所述第三永磁体在往复运动中的振动速度相关联，所述开路电压与所述第三永磁体在往复运动中的位移相关联；

13、所述第三永磁体与所述第一永磁体、所述第二永磁体之间的同极排斥力构成作用于所述第三永磁体的磁负刚度，所述内壁与所述第三永磁体之间的间隙配合构成作用于所述第三永磁体的线性正刚度，以构成准零刚度系统。

14、可选地，所述电磁-摩擦电智能超结构还包括滑块；

15、所述滑块设置在所述第一永磁体和所述第二永磁体之间，设置于所述容纳腔的中间位置，且所述滑块嵌设有所述第三永磁体。

16、可选地，所述电磁-摩擦电智能超结构还包括外壁；

17、所述外壁的顶部与所述盖板连接，所述外壁的底部与所述底板连接，所述外壁呈管状且所述外壁内部嵌设有所述内壁。

18、可选地，所述感应线圈组缠绕于所述外壁的外表面。

19、可选地，所述电磁-摩擦电智能超结构还包括存储电路，所述存储电路与所述感应线圈组电连接；

20、所述存储电路，用于存储所述感应线圈组产生的感应电动势。

21、可选地，所述电磁-摩擦电智能超结构还包括健康监测模块，所述健康监测模块与所述感应线圈组、所述第一摩擦层和所述第二摩擦层电连接；

22、所述健康监测模块，用于基于所述感应线圈组产生的感应电动势生成速度传感信号，基于所述第一摩擦层和所述第二摩擦层产生的开路电压生成位移传感信号；

23、对所述速度传感信号和所述位移传感信号进行预处理；

24、从预处理后的速度传感信号中提取频谱质心偏移量、谐波畸变率和小波能量熵；

25、从预处理后的位移传感信号中提取峰值位移和接触时间占空比；

26、对所述频谱质心偏移量、所述谐波畸变率、所述小波能量熵、所述峰值位移和所述接触时间占空比进行特征向量归一化处理，得到目标特征向量；

27、将所述目标特征向量输入至预设的向量分类器，生成监测结果。

28、此外，为实现上述目的，本发明还提供一种双模态自感知的电磁-摩擦电智能超结构的设计方法，所述方法包括：

29、生成候选设计参数组合；

30、基于所述候选设计参数组合，构建有限元模型；

31、调用训练完成的代理模型对所述有限元模型进行性能预测，生成所述有限元模型对应的多目标适应度值；

32、判断是否满足收敛条件；

33、在不满足收敛条件的情况下，返回步骤：生成候选设计参数组合；

34、在满足收敛条件的情况下，将所述候选设计参数组合确定为目标候选设计参数组合，并基于所述目标候选参数组合，设计如上所述的电磁-摩擦电智能超结构；

35、其中，设计参数组合包括永磁体参数、摩擦层参数和线圈参数，所述永磁体参数包括所述第一永磁体的直径和厚度、所述第二永磁体的直径和厚度、所述第三永磁体的直径和厚度、永磁体之间的间距；所述摩擦层参数包括摩擦层材料、摩擦层厚度和摩擦层面积；所述线圈参数包括所述感应线圈组的匝数。

36、可选地，所述调用训练完成的代理模型对所述有限元模型进行性能预测，生成所述有限元模型对应的多目标适应度值，包括：

37、将所述有限元模型对应的物理场数据输入至所述训练完成的代理模型中，到振动传递率、俘能功率密度以及感应电压信噪比；

38、通过以下公式，计算所述有限元模型对应的多目标适应度函数值：

39、f = w1·(1/t_avg) + w2·p_avg+ w3·snr_avg

40、其中，f表示多目标适应度值，t_avg表示振动传递率，p_avg表示俘能功率密度，snr_avg表示感应电压信噪比，w1表示第一权重值，w2表示第二权重值，w3表示第三权重值，且w1+w2+w3=1。

41、可选地，所述方法还包括：

42、获取训练数据和标签，所述训练数据包括多个有限元模型对应的物理场数据，所述标签包括多个有限元模型对应的开路电压峰值、振动传递率、俘能功率密度、感应电压信噪比；

43、将所述训练数据和所述标签输入至预设的代理模型，对所述代理模型进行迭代训练；

44、在所述代理模型对应的预测精度大于等于预设精度的情况下，得到所述训练完成的代理模型。

45、可选地，所述判断是否满足收敛条件，包括：

46、若相邻的连续n次迭代的多目标适应度值之间的相对变化率均小于预设阈值，则确定满足收敛条件，n为大于1的正整数；

47、若相邻的连续n次迭代的多目标适应度值之间的相对变化率大于或等于预设阈值，则确定不满足收敛条件。

48、本技术提供了一种双模态自感知的电磁-摩擦电智能超结构及其设计方法，上述电磁-摩擦电智能超结构包括：盖板；底板；内壁，内壁的顶部与盖板连接，内壁的底部与底板连接，内壁呈管状且内壁的中间位置设置有通孔，盖板、底板和内壁之间围合形成容纳腔；第一永磁体，第一永磁体位于容纳腔内，且设置在盖板底部；第二永磁体，第二永磁体位于容纳腔内，且设置在底板顶部；第三永磁体，第三永磁体设置在第一永磁体和第二永磁体之间，且第三永磁体设置在容纳腔的中间位置，第一永磁体和第三永磁体同极相向设置，第三永磁体和第二永磁体同极相向设置，第一永磁体的竖向轴线、第二永磁体的竖向轴线和第三永磁体的竖向轴线为同一轴线；感应线圈组，感应线圈组与第三永磁体相对设置；第一摩擦层，第一摩擦层设置在第三永磁体相对感应线圈组的外表面；第二摩擦层，第二摩擦层设置在内壁的内表面，且与所述第一摩擦层相对设置；其中，第三永磁体沿竖向轴线往复运动，感应线圈组基于第三永磁体的往复运动产生感应电动势，第一摩擦层和第二摩擦层基于第三永磁体的往复运动产生开路电压，感应电动势与第三永磁体在往复运动中的振动速度相关联，开路电压与第三永磁体在往复运动中的位移相关联；第三永磁体与第一永磁体、第二永磁体之间的同极排斥力构成作用于第三永磁体的磁负刚度，内壁与第三永磁体之间的间隙配合构成作用于第三永磁体的线性正刚度，以构成准零刚度系统。

49、本技术提供的电磁-摩擦电智能超结构，第三永磁体与第一永磁体、第二永磁体之间的同极排斥力构成作用于第三永磁体的磁负刚度；内壁与第三永磁体之间的间隙配合构成径向弹性约束，提供线性正刚度；线性正刚度与磁负刚度并联，使第三永磁体在静平衡位置附近的总等效刚度近似为零，构成准零刚度系统，可实现振动隔离功能。当第三永磁体受激振动时，第三永磁体与感应线圈组之间的相对运动而产生的感应电动势，实现振动能到电能的转换。

50、此外，通过对感应线圈组产生的感应电动势、第一摩擦层和第二摩擦层产生的开路电压进行分析，可实现电磁-摩擦电智能超结构的自感知监测功能。

51、此外，感应电动势与第三永磁体在往复运动中的振动速度相关联，开路电压与第三永磁体在往复运动中的位移相关联，以此形成了速度-位移互补的双模态传感体系。

52、综上，本技术提供了一种低频宽带减振、振动能量回收与结构健康自感知于一体的智能超结构。