带非线性弹簧的两自由度准零刚度隔振系统力传递率特性

基于多自由度系统中的反共振特性,分别在传统线性隔振系统的上、下两层引入非线性倾斜弹簧负刚度机构,构成两自由度准零刚度隔振器。通过静态特性分析,推导出系统满足零刚度条件时,各参数之间的关系,分析了力学参数及结构参数对系统刚度特性的影响。建立两自由度准零刚度隔振系统的非线性动力学方程,利用平均法求解,推导出力传递率表达式,结合数值分析方法,探讨系统在不同的上、下层隔振器阻尼比、竖直刚度比及质量比情况下的力传递率特性,并与单自由度准零刚度隔振系统及线性斜弹簧两自由度准零刚度隔振系统进行对比研究。结果表明：当结构参数 （即：倾斜弹簧处于静平衡位置的长度与倾斜弹簧原长的比值）较小且倾斜弹簧为软化弹簧时,可在平衡位置附近获得较小的系统刚度及较大的低刚度区间;通过选择适当的上、下层隔振器阻尼比、竖直刚度比与质量比,可减小系统的起始隔振频率,增宽隔振频带,加快系统力传递率在特定频段内的衰减速率,改善系统的低频隔振性能。     

新型准零刚度隔振器设计及动力学研究

针对传统被动隔振器低频隔振性能不足的问题,提出了一种连杆-倾斜弹簧负刚度机构,并将其与线性弹簧并联构成一种新型准零刚度(quasi-zero stiffness, QZS)隔振器。首先,对该隔振器进行静力学分析,建立无量纲力-位移和无量纲刚度-位移关系式,并讨论设计参数对隔振器刚度的影响,进一步得出隔振器在平衡位置处具有零刚度特性的参数条件;其次,通过动力学研究,建立隔振器在位移激励下的非线性动力学方程,并应用谐波平衡法推导出位移传递率;最后,采用四阶龙格库塔法对准零刚度隔振器在不同激励频率下进行数值仿真,并与不含负刚度机构的线性隔振器进行对比分析。结果表明,准零刚度隔振器在低频激励下的隔振效果明显优于线性隔振器,而在高频激励下具备与线性隔振器相当的隔振性能。     

基于混杂双稳定层合板的准零刚度隔振装置

准零刚度隔振装置(quasi-zero stiffness,QZS)在其平衡位置处的刚度接近于零,能够有效地隔离加速度幅值较低的微振动.因此,准零刚度隔振装置在卫星等航天器结构的微振动抑制领域有较好的应用前景.准零刚度隔振装置通常由正刚度部件及负刚度部件并联而成.在众多准零刚度隔振装置概念中,负刚度部件通常需要多个弹性部件及特定约束边界形成负刚度特性,导致准零刚度隔振装置的整体质量及体积相对较大.然而,航天器结构对隔振装置的质量特性及安装空间提出较高要求,因此需开发新型准零刚度隔振装置,降低隔振装置的质量及体积以满足航天器结构的使用要求.本文提出了一种基于混杂双稳定复合材料层合板的准零刚度隔振装置.通过利用混杂双稳定复合材料层合板自身的负刚度特性,降低了准零刚度隔振装置的结构复杂程度.本文对提出的准零刚度隔振装置的力学原理进行说明,对其隔振效果进行了仿真分析,并进行了隔振效果验证试验.隔振试验表明,准零刚度隔振装置的振动传递率曲线不再具有峰值,其实际振动传递率低于具有相同正刚度的线性隔振系统.基于试验及仿真分析结果,本文对隔振装置隔振性能的影响因素进行了分析讨论.分析结果显示,隔震装置中线性弹簧刚度与双稳定层合板负刚度之间的差异以及微小装配误差将导致隔振装置的隔振效果出现降低.     

基于混杂双稳定层合板的准零刚度隔振装置

准零刚度隔振装置(quasi-zero stiffness,QZS)在其平衡位置处的刚度接近于零,能够有效地隔离加速度幅值较低的微振动.因此,准零刚度隔振装置在卫星等航天器结构的微振动抑制领域有较好的应用前景.准零刚度隔振装置通常由正刚度部件及负刚度部件并联而成.在众多准零刚度隔振装置概念中,负刚度部件通常需要多个弹性部件及特定约束边界形成负刚度特性,导致准零刚度隔振装置的整体质量及体积相对较大.然而,航天器结构对隔振装置的质量特性及安装空间提出较高要求,因此需开发新型准零刚度隔振装置,降低隔振装置的质量及体积以满足航天器结构的使用要求.本文提出了一种基于混杂双稳定复合材料层合板的准零刚度隔振装置.通过利用混杂双稳定复合材料层合板自身的负刚度特性,降低了准零刚度隔振装置的结构复杂程度.本文对提出的准零刚度隔振装置的力学原理进行说明,对其隔振效果进行了仿真分析,并进行了隔振效果验证试验.隔振试验表明,准零刚度隔振装置的振动传递率曲线不再具有峰值,其实际振动传递率低于具有相同正刚度的线性隔振系统.基于试验及仿真分析结果,本文对隔振装置隔振性能的影响因素进行了分析讨论.分析结果显示,隔震装置中线性弹簧刚度与双稳定层合板负刚度之间的差异以及微小装配误差将导致隔振装置的隔振效果出现降低.      

含水平非线性弹簧的准零刚度隔振系统的力传递率研究

提出了一种含凸轮-滚轮-非线性弹簧机构作为负刚度结构的准零刚度隔振器,负刚度结构中对称设计了两个水平阻尼器。通过静力学分析,确定了系统的零刚度条件;建立了系统的动力学方程,利用谐波平衡法进行了幅频响应分析,数值分析了水平弹簧的非线性、激励幅值、竖直阻尼比和水平阻尼比对力传递率特性的影响规律,并与等效的线性系统进行了比较。结果表明:系统引入刚度渐减型弹簧比引入刚度渐增型弹簧所获得的低频隔振性能更好;增大竖直阻尼比和水平阻尼比都可进一步降低传递率峰值,但竖直阻尼比越大,整个高频区的力传递率越大,而较大的水平阻尼比只增大较窄频域内的力传递率,且对高频区的隔振性能无影响。此外,准零刚度系统的隔振性能还与激励幅值有关。与线性系统相比,该准零刚度系统具有较低的起始隔振频率,有效隔振频带宽更宽;在线性系统共振频率附近区域内,准零刚度系统隔振效果比线性系统更加优越;在高频区,两系统的隔振效果趋于一致。     

基于并联机构的车辆座椅参数优化及性能分析

为进一步提升车辆座椅悬架的隔振性能,利用连杆弹簧并联机构,设计了一种具有准零刚度的非线性座椅;在对座椅参数进行加速粒子群算法优化后,建立了"人-座椅-车"七自由度集中参数耦合模型,完成了汽车在不同路面激励下的人体动力学响应仿真实验,对比分析了相同激励下线性座椅人体动力学响应。研究结果表明:参数经过加速粒子群优化算法处理的并联机构座椅满足汽车座椅设计国标GB 15083—2006和行标QC/T 740—2005要求;该座椅具有准零刚度特性,在各种路面激励下均能保持较好的隔振效果,在随机路面激励下并联机构非线性座椅悬架系统的人体各部位加速度均方根值下降了86%,位移均方根值下降了38%。     

含机械调频式动力吸振器的准零刚度隔振系统隔振性能分析

基于动力吸振器原理,在单自由度准零刚度隔振器基础上耦合可调频动力吸振器构成两自由度隔振系统。首先,对动力吸振器工作原理进行理论分析并提出其力学模型;其次,通过静力学分析,推导出系统满足零刚度条件时,各参数间的关系并分析其对系统刚度特性的影响;然后,建立两自由度隔振系统非线性动力学方程,利用谐波平衡法进行幅频响应解析分析,得到力传递率表达式;最后,数值分析动力吸振器阻尼、刚度、质量、激励力幅值和弹簧片有效长度对力传递率的影响规律,并与单自由度准零刚度隔振系统及两自由度线性隔振系统对比分析。结果表明：通过选择适当的动力吸振器参数不仅可以减小系统的起始隔振频率,增宽隔振频带,且还能加快系统力传递率在特定频段内的衰减速率,改善系统的低频隔振性能,实现激励频率的可适应性。     

一种准零刚度系统隔振性能的几何参数优化分析

提出了一种采用菱形连杆组件作为负刚度机构的准零刚度隔振器(下文简称菱形准零刚度隔振器).通过静力学分析方法,建立了菱形准零刚度隔振器数学模型,并与其他调节变量较少的隔振器模型进行了对比;以被测量曲线在隔振器平衡位置处的曲率作为评价参数,研究了负刚度机构几何参数对系统刚度、阻尼非线性的影响,推导了利用几何参数进行隔振优化...     

复合干摩擦的准零刚度隔振系统的亚谐共振

利用增量平均法研究了复合干摩擦阻尼器的准零刚度非线性隔振系统在外部简谐激励作用下的1/3次亚谐共振. 首先利用平均法得到了复合干摩擦的准零刚度隔振系统的主共振近似解析解, 然后在系统主共振近似解析解的基础上将系统的亚谐共振响应看作增量, 并利用平均法得到了准零刚度隔振系统的亚谐共振近似解析解. 利用李雅普诺夫方法得到了准零刚度隔振系统主共振和亚谐共振稳态解的稳定性条件, 并推导了系统1/3次亚谐共振的存在条件. 根据近似解析解分别得到了复合干摩擦的准零刚度隔振系统的主共振和亚谐共振力传递率. 利用数值解验证了准零刚度隔振系统主共振和亚谐共振近似解析解的准确性. 利用系统的近似解析解详细分析了准零刚度参数和干摩擦力对系统主共振和亚谐共振的幅频响应以及力传递特性的影响. 分析结果表明, 通过选取合适的干摩擦力参数, 可以消除准零刚度隔振系统在主共振区域的亚谐共振. 通过复合干摩擦阻尼器不但可以提高准零刚度隔振系统在低频区域的振幅抑制效果, 而且可以降低准零刚度隔振系统的起始隔振频率, 但是会增大系统在有效隔振频带内的力传递率.      

基于静电悬浮的零刚度隔振减振控制方法

基于静电悬浮的双级无拖曳天基超静平台是一种新型的隔振减振平台,但由于静电负刚度的耦合效应,会残留微振动传递路径,从而难以达到理想的隔振效果。首先,建立了基于静电悬浮的双级无拖曳天基超静平台的系统模型,分析了静电负刚度的产生机制。然后,提出基于反馈电压反函数调制、非对称调制的两种绝对零刚度构造方法,并将其与基于刚度并联的准零刚度构造方法进行了比较。接着,给出了基于反馈电压调制的绝对零刚度隔振控制与主动减振控制的一体化兼容设计流程。最后,基于Matlab/Simulink建立了系统仿真模型,对所提方法进行了隔振性能和鲁棒性方面的仿真实验。实验结果表明,基于反馈电压调制的绝对零刚度隔振方法能完全隔绝卫星微振动对载荷平台的扰动;在系统参数误差达10%的条件下,所提方法仍可获得比无刚度补偿系统优1～2个量级的隔振性能。     

一类新型多方向准零刚度隔振平台

本文提出了一种新的多自由度非线性隔振平台．利用一组预压的三角机构和曲面边界同时实现了竖直-旋转多自由度上的负刚度特性,结合正刚度原件,实现竖直-旋转多自由度准零刚度特性．首先,文章基于平面问题建立竖直-旋转两自由度隔振平台的力学模型,确定结构参数与非线性刚度之间的关系．可以看到,通过设计预压弹性元件的结构参数可以同时实现两自由度的准零刚度特性．然后,利用谐波平衡法建立振动响应与频率之间的关系,确定有效的振动带隙的宽度,由此确定结构参数的最优取值．本文提出的隔振平台可以用于大型装备的隔振,也适用于微振动的工况,还可以作为教学的演示实验．     

柔性基础准零刚度隔振系统动力学特性分析

为解决工程实践中的低频振动问题,提出了利用柔性基础准零刚度隔振系统对其进行隔离的方法。根据舰船装备实际情况,建立了柔性基础准零刚度隔振系统的动力学模型,利用谐波平衡法和平均法对动力学方程进行了求解,得到了谐波力激励下系统的幅频特性曲线和力传递率。研究了不同激励力幅值、质量比和阻尼比对系统隔振性能的影响。仿真结果表明,相比相应的等效线性隔振系统,通过适当地减小激励幅值和适当地增大质量比、阻尼比,柔性基础准零刚度隔振系统具有更优越的低频隔振性能,隔振起始频率较低,振动衰减率较大。     

OPCL控制方法在准零刚度隔振系统中的应用研究

为了降低船舶动力机械的振动噪声和线谱信号,解决常见线谱控制方法存在的小能量控制混沌化、变工况下持续混沌化和小振幅混沌化的难题,采用开环加闭环(OPCL)控制方法进行了两自由度准零刚度隔振系统的吸引子迁移控制和广义混沌同步化研究。首先,建立了两自由度准零刚度隔振系统的动力学模型,进行了全局性态分析;然后,利用OPCL控制方法将系统从大振幅吸引子迁移至小振幅吸引子,从而减小了系统振幅;最后,在单向耦合系统中,利用OPCL控制方法施加主动控制,实现了系统在大参数范围内的小振幅广义混沌同步化。结果表明,将OPCL控制方法应用于两自由度准零刚度隔振系统的吸引子迁移控制和广义混沌同步化,能够同时实现隔振系统的线谱控制和振动隔离,从而进一步扩大了OPCL控制方法的应用范围。     

对称扭杆弹簧系统隔振性能研究2000-04-03收稿.

对扭杆弹簧隔振系统的研究表明,扭臂的质量对系统的性能有比较大的影响。虽然系统可获得长的共振周期,但由于扭臂的质量不为零,地基振动的加速度被直接耦合进系统,从而严重地降低了系统的隔振性能。     

磁致伸缩主被动隔振装置中的磁机耦合效应研究

磁致伸缩材料和柔顺位移放大机构组成的主动驱动装置具有精度高、驱动力大等特点.将其与被动隔振装置并联,形成主被动隔振装置,可以弥补纯被动隔振在低频和微幅扰动工况下的不足.本文针对这类磁致伸缩主被动隔振装置进行磁机耦合效应研究.基于Jiles-Atherton模型,分析了磁致伸缩材料所受应力对有效磁场、磁化强度、磁致伸缩系数和材料杨氏模量的影响,表征了材料磁机耦合效应.在此基础上,建立了主被动隔振装置的动力学模型,分析了主动驱动装置与被动隔振装置间的耦合作用.在耦合作用影响下,若被动隔振装置刚度不同,即使输入磁场相同,驱动器产生的驱动位移和驱动力也不相同.磁致伸缩材料的变刚度效应使隔振装置整体等效刚度不再为定值,从而影响被动隔振效果.本文提出了通过柔顺机构参数设计减小前述两种耦合影响的方法.数值仿真结果表明,磁致伸缩主被动隔振装置在低于、接近和高于谐振频率三类扰动下,都能达到比被动隔振更好的振动抑制效果.此外,仿真结果验证了考虑磁机耦合效应的数值模型具有更高精度.     

考虑人体耦合作用的结构竖向隔振研究

结构在环境振动或地震作用下的竖向振动不容忽略,有必要采取竖向隔振装置进行减振控制。考虑人体与结构耦合作用后不仅使隔振动力模型更加真实,还可以直接获得人体的动力响应。采用碟形弹簧支座对结构进行基础竖向隔振,并根据国际标准ISO5982规定的不同姿势下的人体动力模型,建立了考虑具有非经典阻尼的人与隔振结构耦合运动方程,利用复模态分析实现了方程的解耦,通过算例分析了竖向隔振以及人体作用对结构响应的影响。结果表明:对于一般的质量和刚度分布均匀的结构,人体对结构具有微弱的减振作用。碟形弹簧支座可以显著地降低结构的竖向振动并改善居住舒适度。     

磁致伸缩主被动隔振装置中的磁机耦合效应研究

磁致伸缩材料和柔顺位移放大机构组成的主动驱动装置具有精度高、驱动力大等特点.将其与被动隔振装置并联,形成主被动隔振装置,可以弥补纯被动隔振在低频和微幅扰动工况下的不足.本文针对这类磁致伸缩主被动隔振装置进行磁机耦合效应研究.基于Jiles-Atherton模型,分析了磁致伸缩材料所受应力对有效磁场、磁化强度、磁致伸缩系数和材料杨氏模量的影响,表征了材料磁机耦合效应.在此基础上,建立了主被动隔振装置的动力学模型,分析了主动驱动装置与被动隔振装置间的耦合作用.在耦合作用影响下,若被动隔振装置刚度不同,即使输入磁场相同,驱动器产生的驱动位移和驱动力也不相同.磁致伸缩材料的变刚度效应使隔振装置整体等效刚度不再为定值,从而影响被动隔振效果.本文提出了通过柔顺机构参数设计减小前述两种耦合影响的方法.数值仿真结果表明,磁致伸缩主被动隔振装置在低于、接近和高于谐振频率三类扰动下,都能达到比被动隔振更好的振动抑制效果.此外,仿真结果验证了考虑磁机耦合效应的数值模型具有更高精度.      

爆炸试验室基础隔振系统设计与应用

针对某爆炸试验室的基础隔振系统的改造，首先提出了一种由钢丝绳和碟形弹簧组合而成的新型隔振器，给出了相应的基础隔振方案，并对组合隔振器进行了试验研究。然后，采用两自由度、有阻尼计算模型对隔振系统的动力反应进行非线性分析，研究了隔振层刚度和阻尼对隔振系统动力反应的影响，优化选择了隔振系统的有关参数。研究结果表明,当隔振层刚度约为110 kN/mm，阻尼比为0.20~0.35时，隔振层动荷载接近最小，且其他动力反应满足设计要求。改造后的爆炸实验室的抗冲击能力比改造前提高了50％。     

液弹隔振器非线性传递特性研究

针对液弹隔振器下端空气弹簧变形特点,本研究从液弹隔振器结构模型出发,分析液弹隔振器各部分受力与位移关系,推导考虑和不考虑液弹隔振器下端非线性刚度的运动方程。获得两种条件下液弹隔振器位移传递率,分析存在非线性刚度下位移传递率特性。研究发现：考虑非线性的位移传递率表现出显著的硬化特性,最佳隔振频率随着激振位移幅值增长而增大,隔振频率设计值处的位移传递率随激振位移幅值增长而增大,即隔振效果下降;当液弹隔振器承受较大幅值振动,如激振位移幅值超过10%空气弹簧深度,应当考虑空气弹簧非线性刚度影响。     

旋转功能梯度智能结构的刚-柔耦合动力学分析

基于一次耦合模型理论建立了中心刚体-压电层-功能梯度材料智能梁系统的刚柔耦合动力学模型．研究了开环状态下将压电材料作为传感器的压电效应和质量刚度效应对系统动力学特性的影响．通过仿真算例与另两种不同建模理论（传统零次近似耦合模型、一次近似耦合模型）作了对比．随着中心刚体外驱动力矩的增大,零次近似耦合模型和一次近似耦合模型计算结果逐渐发散,而本文的一次耦合模型的计算结果始终保持收敛,较其他近似耦合模型具有一定优势．对三种不同的结构的计算结果表明,压电材料的压电效应对系统的动力学特性影响显著,压电材料的质量刚度效应也会影响智能梁的动力学行为,前者比后者的影响大得多．此外,功能梯度材料功能梯度指数对系统动力学特性的影响也较大．