基于负刚度机构的高刚度-超阻尼隔振器设计与研究EI北大核心CSCD

为能够隔离作用在负载上的直接扰动并提高系统的阻尼特性以避免产生共振,提出一种采用磁性负刚度机构设计的超阻尼隔振系统,其由磁性负刚度机构和两对相互对压的机械弹簧并联构成;磁性负刚度机构由五块沿轴向磁化的环形永磁体构成,倾斜环形永磁体被对称地固定在基础上,运动的环形永磁体由对压的机械弹簧约束,并沿轴向发生相对运动;根据电流模型,推导了磁性负刚度机构的磁性恢复力以及磁性负刚度解析表达式;通过将隔振系统中的刚度单元和阻尼单元重新布置并引入一个内部隐性自由度,该系统被设计成与线性参考系统具有相同静刚度、相同质量以及相同阻尼的超阻尼装置;分析了该装置中刚度单元、阻尼单元以及永磁体附加质量对所设计系统阻尼、固有频率和主系统振动响应的影响。研究结果表明,所提出的隔振系统具有高刚度和超阻尼特性,能够有效抑制主系统的振动;在高频段,主系统的响应将收敛于线性参考系统。     

双环永磁体型高静低动刚度隔振器设计、建模与试验研究

为了改善机械设备的低频隔振效果,设计了一种具有高静低动刚度(HSLDS)特性的隔振器。该隔振器由提供正刚度的机械弹簧与提供负刚度的双环永磁体(DRPMS)结构并联而成,其中,双环永磁体结构由两个径向磁化的磁环同轴嵌套组成。首先利用等效磁荷法推导了双环永磁体结构的轴向磁力解析计算模型,然后利用Ansoft软件对双环永磁体结构进行有限元分析,验证了解析计算模型的正确性,进一步讨论了结构参数对负刚度特性的影响规律并对磁环参数设计流程进行了分析,在此基础上,设计了隔振器原理样机,并开展了试验研究。试验结果表明:与无双环永磁体结构的等效线性隔振器相比,所设计隔振器能有效降低隔振系统固有频率,拓宽隔振频带,具有更优越的低频隔振性能。     

基于正负刚度并联的新型隔振系统研究

分析了正负刚度的概念，提出了通过正负刚度弹簧并联实现超低频隔振的新方法．并联负刚度弹簧不但显著降低了隔振系统的固有频率，同时也改善了系统的阻尼特性，提高了隔振系统产生高频内共振的频率．对所研制的正负刚度并联隔振系统进行的大量试验研究表明：由于并联了负刚度弹簧，隔振系统固有频率从6Hz降低到0．75Hz。隔振能力明显提高．     

一种悬臂梁组合几何非线性结构准零刚度隔振器研究

为拓宽被动隔振器的隔振频率范围,实现低频甚至超低频隔振,研究了一种由负刚度机构与线性弹簧并联构成的准零刚度隔振器,其中负刚度机构由悬臂梁组合几何非线性结构构成。建立隔振器的静、动力学模型,得出了隔振器的恢复力-位移、刚度-位移曲线;分析隔振器在力激励下的幅频响应特性和稳定性,得出了阻尼及激励幅值对其隔振性能的影响规律。设计搭建机械式振动实验装置,对隔振器进行试验研究。理论分析及实验结果表明,在相同静态承载力下,所设计隔振器较对应线性隔振器,隔振频带更宽、隔振性能更优。本研究为准零刚度隔振器的设计提供了新的思路。     

非线性刚度非线性阻尼隔振系统功率流研究

针对非线性阻尼、非线性刚度隔振系统效果评价问题,引入功率流作为评价非线性隔振系统的关键参数。水平弹簧提供负刚度使得隔振系统具有高静态低动态刚度特性,水平阻尼提供系统的非线性阻尼。运用谐波平衡法分析系统强非线性振动的功率流,探讨非线性刚度和非线性阻尼对隔振系统功率流的影响。研究表明,非线性刚度能够拓宽系统隔振频带,非线性阻尼能够保持较优高频隔振性能。最后,在单层隔振基础上,展开双层非线性隔振系统功率流特性研究。结果表明:系统中每一层非线性刚度的加入均可以有效拓宽隔振频带,降低高频处功率流传递率。系统中每一层非线性阻尼的引入均可以降低第一阶共振峰峰值,得到更好的隔振效果。     

非接触多磁环负刚度机构非线性刚度行为特性研究

工程车辆行驶和作业速度低、载荷大,驾驶员和乘员常全身暴露于低频大幅振动,导致作业效率低,甚至引发严重的振动职业病。准零刚度隔振系统具有高静-低动刚度特性,可有效过滤低频振动能量。接触式负刚度机构可带来摩擦损耗等问题,导致负刚度机构力学形态的不稳定。开发了基于非接触多磁环负刚度(non-contact negative stiffness, NCNS)机构和气动人工肌肉(pneumatic artificial muscle, PAM)正刚度机构并联的准零刚度隔振系统。为探明系统刚度行为机理,以多磁环负刚度机构为研究对象,基于比奥-萨伐尔定律和安培定律建立了负刚度解析模型;分析了不同参数(充磁强度、几何参数和磁场强度)下负刚度机构的刚度行为特性,并开展了验证实验。结果表明,轴向充磁比径向充磁可获得显著的负刚度特性;增加磁环外径、厚度及磁场强度均可提高负刚度机构的承载性能,但不改变其负刚度区间;增加上下磁环间距可扩展负刚度区间,但不改变其承载性能;计算模型与实验结果之间的校正决定系数为0.999 75,计算模型满足精度要求。为下一步准零刚度隔振系统建模、参数优化及其工程应用提供了理论基础。     

随机振动下偏心隔振系统仿真分析

针对存在严重偏心的机载设备,通过载荷解耦计算各点支撑承受质量载荷,确定隔振系统固有频率,计算系统的刚度和阻尼;将系统中隔振器简化为线性弹簧阻尼单元,建立隔振系统的有限元模型,采用基础运动法分析隔振系统在随机振动下的加速度响应,最后根据试验结果优化隔振器的刚度和阻尼,使隔振系统的Y向在随机振动下的加速度响应误差从44.95%降到7.47%,固有频率误差从37.43%降到-0.25%,其他两个方向的仿真误差也都显著降低,获得较精确的隔振系统动力学模型,为偏心机载设备隔振设计提供指导依据。     

新型准零刚度果蔬运输隔振系统设计

目的 为避免果蔬在运输过程中因振动造成损伤,导致价值下降,基于准零刚度隔振技术,提出一种采用紧凑、高效的弹簧–滚轮–滚珠负刚度机构的新型果蔬运输隔振箱装置。方法 首先,基于弹簧–滚轮–滚珠负刚度机构与垂向正刚度弹簧并联的方式设计准零刚度果蔬运输隔振系统结构;其次,分析其静力学特性,推导该非线性隔振装置的刚度特性;最后,在果蔬运输系统模型运动微分方程基础上建立Simulink仿真模型,研究在C级路面激励下,该新型运输隔振系统的动态隔振特性。结果 研究结果表明,通过合理的结构参数设计,该隔振装置在平衡点附近将具有高静态刚度、低动态刚度的准零刚度特性。在C级路面激励下,该新型运输隔振系统的振动位移峰的峰值相较于对应线性系统的衰减约29.3%,加速度均方根值衰减约97.3%。结论 设计合理的新型果蔬运输系统的隔振效率优于对应的线性隔振系统的。     

具有非线性刚度动力吸振器的隔振系统半主动控制

研究带有非线性刚度吸振器的隔振系统振动稳态响应的半主动控制。动力吸振器和隔振系统（主系统）的刚度均为Duffing类型的非线性刚度。对吸振器的阻尼采用了两种半主动控制策略以减少主系统的振动，并讨论了吸振器刚度的非线性程度，吸振器质量与主系统质量之比及主系统刚度的非线性程度对主系统稳态响应的影响。数值分析结果表明，采用适当的系统参数和控制策略可以有效地改善主系统的稳态响应。     

基于双稳定层合板的准零刚度隔振系统EI北大核心CSCD

根据并联负刚度机构来降低系统总体刚度的原理,利用双稳定复合材料层合板自身的负刚度特性与线性弹簧串联组成新的负刚度机构,提出了一种具有静刚度可调节性的准零刚度(QZS)隔振系统。对提出的准零刚度隔振系统的力学原理进行了说明,利用Hamilton原理推导了系统的静力学与动力学理论模型。采用理论和有限元方法分析了隔振系统的刚度特性,结果显示提出的隔振系统在保证准零刚度特性的基础上,能够通过串、并联线性弹簧的刚度匹配实现不同的静刚度特性。对制备出的原理样机进行了刚度特性和隔振性能验证实验。刚度实验测得的力-位移曲线与仿真结果吻合良好。隔振实验表明,设计出的准零刚度隔振系统能够有效拓宽具有相同正刚度的线性隔振系统的隔振频带。基于实验结果,结合理论模型对隔振性能的影响因素进行了分析和讨论。     

随机振动下偏心隔振系统仿真分析

针对存在严重偏心的机载设备，通过载荷解耦计算各点支撑承受质量载荷，确定隔振系统固有频率，计算系统的刚度和阻尼；将系统中隔振器简化为线性弹簧阻尼单元，建立隔振系统的有限元模型，采用基础运动法分析隔振系统在随机振动下的加速度响应，最后根据试验结果优化隔振器的刚度和阻尼，使隔振系统的Y向在随机振动下的加速度响应误差从44.95%降到7.47%，固有频率误差从37.43%降到-0.25%，其他两个方向的仿真误差也都显著降低，获得较精确的隔振系统动力学模型，为偏心机载设备隔振设计提供指导依据。     

一种新型磁致负刚度机构的研究

为提高精密仪器设备低频及超低频隔振性能,研究一种新型三磁体负刚度机构,分析该机构产生负刚度的原理以及初始间隙对刚度的影响;开展隔振系统的位移传递率分析,分析表明该负刚度机构能降低隔振系统的固有频率。对三磁体负刚度机构进行静力学实验和采用随机激励法的固有频率测试验证理论分析的正确性。结果表明三磁体负刚度机构能在不影响载荷性能的情况下降低隔振系统的固有频率,提高隔振能力。&{T梑     

一类双层高静低动刚度隔振系统动力学特性和应用局限性研究

高静低动刚度隔振系统低频隔振性能优越,双层隔振系统对高频振动衰减迅速。将二者结合,提出基于欧拉屈曲梁负刚度调节器的一类双层高静低动刚度隔振系统,该类双层高静低动刚度隔振系统的特点是上下层的负刚度调节器安装于同一基础。对该系统进行了静力学分析,给出了此类隔振系统的负刚度适用范围;采用积极隔振模型,建立了双层高静低动刚度隔振系统的动力学方程,并使用谐波平衡法求解了系统动力学响应,根据上下层刚度之间存在的约束关系,且上下层刚度不能同时达到准零刚度等限制条件,给出了上下层线性刚度系数的有效取值范围,围绕有效取值范围的边界讨论上下层刚度系数对系统隔振性能的影响,并将其与普通的双层线性隔振系统的隔振性能进行比较。此外,还定义了双层非线性隔振系统的力传递率,研究了外激励幅值和阻尼比的大小对动力学响应和隔振性能的影响。结果表明,上下层分别使用负刚度来获取准零刚度隔振系统带来的性能迥异,上层刚度完全线性,下层为准零刚度时系统的隔振性能最好。     

非线性阻尼非线性刚度隔振系统参数识别

针对同时含有非线性刚度、非线性阻尼的振动系统,提出了两类参数识别方法。第一类方法是基于非线性振动系统中的振幅跳跃现象,通过跳跃点的测量得出振幅跳跃点的激励频率和幅值,用谐波平衡法识别出非线性振动系统的非线性刚度、非线性阻尼参数。第二类方法是涉及时域响应,通过希尔伯特变换获得非线性系统自由振动的响应幅值和相角,结合双非线性振动系统在瞬态激励下的解析解,获得系统的非线性刚度和阻尼。以非线性刚度非线性阻尼隔振系统为例,通过数值模拟对给出的两类参数识别方法加以验证,并对结果进行较比,识别参数相吻合。可以为实验条件下,含非线性刚度、非线性阻尼隔振系统的参数识别提供理论指导。     

隔震结构基于阻尼负刚度装置的地震响应研究

基于负刚度原理设计了一种利用预压弹簧和斜向转动提供与位移变形方向一致荷载,实现负刚度效应的阻尼负刚度装置,并对其进行了参数影响分析;对负刚度装置进行力学模型验证试验,试验结果表明理论力学模型与试验力学模型吻合较好;通过双线性与负刚度模型得到附带阻尼负刚度装置隔震系统力学模型;对阻尼负刚度隔震结构进行长短周期地震响应分析,结果表明该装置不仅能够减小长短周期地震作用下上部结构的加速度响应,而且可控制隔震层的位移响应,提升了隔震效率。     

新型超低频非线性被动隔振系统的设计

通过分析正负刚度并联隔振机理,设计了一种新型超低频被动隔振系统。该系统采用负刚度机构与正刚度弹簧并联,具有较高的支撑刚度和极低的运动刚度,且系统刚度呈现非线性,解决了传统被动隔振系统存在的超低频隔振难题。通过对该系统力学特性进行分析,给出了系统刚度表达式及在平衡位置处的零刚度条件,为新型超低频非线性隔振器的设计提供了理论指导。     

基座刚度对主被动隔振系统控制效果的影响分析

为了研究基于弹性基座的主被动隔振系统的隔振性能,将弹性基座简化为一个大刚度弹簧连接的质量单元,建立主被动隔振系统的三自由度模型和运动方程,推导主通道传递函数和次级通道传递函数的频域表达式。结合Fx LMS自适应控制算法,在Matlab/Simulink中建立该隔振系统模型,对上层机械设备施加含白噪声的多频正弦激励力,进行主动隔振研究。分析基座刚度对主通道、次级通道传递函数的幅频特性,振动线谱控制效果以及主动控制力的影响。结果发现较大的基座刚度有利于提高振动线谱控制效果,也有利于降低主动控制力需求。     

双腔液固混合介质隔振器刚度阻尼特性分析

双腔液固混合介质隔振器由波纹管式液固混合介质隔振器和附加腔室通过管道联通构成。建立了联通管道内部液柱的运动方程,推导了隔振器非线性动力学模型。为分析隔振器刚度和阻尼特性,将平方阻尼简化成线性阻尼,得到了简谐激励下隔振系统线性简化模型,并求得了隔振系统刚度和损耗因子的表达式。分析了阀门节流开度、振动幅值、激励频率、主腔室刚度对于系统刚度和损耗因子的影响。结果表明,虽然隔振系统刚度和损耗因子受多种因素影响,但是二者上下限只由两个腔室的等效刚度决定。为检验理论模型,进行了动态特性试验,试验结果和理论结果基本一致,证明了动力学模型的可靠性,试验结果还表明液柱共振会造成刚度特性曲线出现峰值,恶化系统的隔振特性。     

滚球型准零刚度隔振器的特性分析

针对工程实践中的低频隔振难题,提出一种紧凑的、带滚球装置的准零刚度隔振器。首先,对隔振器进行了静力学分析,得到了实现准零刚度的参数条件;其次,建立了隔振系统动力学模型,利用谐波平衡法分析了系统频响特性及隔振性能,讨论了激励幅值和阻尼对响应的影响;最后,利用ADAMS对系统动力学特性进行仿真及隔振效果评估。结果表明,与相应的线性隔振系统相比,准零刚度隔振器的起始隔振频率显著降低,且在低频范围内力传递率比线性系统低得多。因此,滚球装置提供的负刚度明显降低了系统竖向总刚度,使系统具有优异的低频隔振性能,更重要的是紧凑的设计使其更易工程化。     

列车垂向振动的半主动随机隔振研究

依据拉格郎日方程,建立了六自由度铁路客车半主动隔振系统的垂向振动模型;应用MATLAB软件编制了“铁路客车被动、半主动随机隔振分析”仿真系统,对铁路客车随机隔振进行计算机仿真。计算在不同的输入参数下,车辆的时域响应和位移与加速度响应方差,讨论了弹簧刚度、阻尼、车速等对隔振性能的影响。应用非线性随机振动理论对比分析了铁道客车的被动、半主动随机隔振的隔振效果,对铁道客车半主动随机隔振系统进行了参数优化。结果表明：半主动悬架的隔振性能比被动悬架有显著提高,在设计半主动悬架隔振系统时,可以在许可范围内适当增大阻尼、减小弹簧刚度,以达到最佳的隔振效果。