碟形弹簧负刚度在低频精密隔振中的应用研究

负刚度机构可用于系统的低频隔振,本文设计了一种新型的利用碟形弹簧负刚度的低频被动垂直隔振系统。碟形弹簧具有非线性变形特性,并且在一定条件下,碟形弹簧具有负刚度的特性。将碟形弹簧在负刚度区间与正刚度弹簧并联,通过合理选择参数,使得隔振系统的刚度在平衡点附近趋向于零,隔振系统的固有频率可以达到极低,从而使其隔振频带加宽,可实现低频隔振的目的。通过计算机仿真计算,证明并联机构具有良好的低频隔振效果。     

康复机器人准零刚度隔振特性分析与实验

为了解决康复机器人低频振动对人体的影响问题,提出并设计一种具有准零刚度特性的新型被动隔振机构,它由两个对称的具有负刚度特性的拉伸弹簧并联一个线性正刚度弹簧实现。首先,通过静力学特性,建立此隔振机构的力-位移和刚度-位移关系式,得出机构在静态平衡位置处具有准零刚度特性的参数条件;其次,通过动力学特性,建立其分别在简谐力和简谐位移激励下的非线性微分动力学方程,采用谐波平衡法分析机构参数与激励对系统力传递率、位移传递率的影响;最后,通过实验验证在有、无负刚度情况下,输入与输出的曲线。结果表明,在有负刚度机构的情况下,隔振系统具有一定范围的准零刚度特性,且低频隔振性能较好,达到了高静态、低动态刚度的效果。本研究对机器人低频隔振具有创新性和指导意义。     

负刚度结构的座椅悬架优化及隔振分析

为进一步提升车辆座椅悬架的隔振性能,利用连杆弹簧负刚度结构与正刚度弹性元件并联的方式,设计了 一种具有准零刚度的座椅悬架系统.基于多 目标参数协调优化原理,进行了结构参数优化,获得了使座椅悬架刚度动刚度趋于准零刚度的最佳值.通过对座椅悬架隔振系统的动力学响应分析,以及仿真实验,验证了座椅悬架隔振系统优化的有效性.研究结果表明,采用连杆弹簧负刚度结构的座椅悬架系统能有效提升座椅的隔振效果,并可降低系统本身的固有频率,实现低频和超低频隔振.     

新型准零刚度系统的设计、分析与仿真

采用拉伸弹簧组成的负刚度机构与正刚度线性弹簧并联,设计出一种新型的拉伸式准零刚度隔振系统,可用于隔离低频或超低频振动。建立该系统的静力学模型,得到系统具有准零刚度特性时所需满足的条件;与一种压缩式隔振系统的力-位移曲线进行对比;分析垂向弹簧的调节对系统的影响;建立该系统在简谐位移激励下的非线性动力学方程,利用谐波平衡法求得系统的近似响应;与压缩式隔振系统的位移传递率曲线进行对比;探索系统各主要参数对响应的影响;建立Adams动力学模型,通过仿真结果来证明静力学模型的正确性,并模拟基座激励振动,证明了拉伸式准零刚度系统在低频或超低频隔振中的性能远优于线性系统。     

欧拉压杆在超低频垂直隔振系统中的应用研究

研制一种新型超低频垂直隔振系统。该隔振系统采用欧拉压杆作为负载弹簧，使隔振系统的被隔振质量与负载弹簧质量之比达到最大，显著地提高隔振系统产生内共振的频率；导出欧拉压杆力学特性及以欧拉压杆为弹性元件的隔振系统固有频率表达式；在平衡位置处采用负刚度弹簧与欧拉压杆弹簧并联，使隔振系统的刚度在平衡点趋向于零，可显著降低系统固有频率，隔振性能明显提高。     

新型非线性超低频水平隔振系统的研制

通过对正负刚度并联隔振机理的分析,研制了新型正倒摆并联非线性超低频水平隔振系统。其正摆具有正刚度特性,倒摆具有负刚度特性。通过分析,得出了系统在平衡位置处的零刚度条件,系统水平刚度随两个摆长之比和下端弹簧刚度而变化的关系。试验研究表明：该隔振系统的固有频率由单一正摆时的1．75Hz降为0．5Hz,从而使其隔振频带加宽,隔振能力显著提高,而系统的结构保持较小尺寸。     

欧拉压杆超低频水平隔振系统

研制一种新型超低频水平隔振系统，该系统采用细长压杆作为水平隔振弹簧。通过对一端固定，一端自由的细长压杆在纵横载荷联合作用下的力学特性进行分析，得出当压杆承受的纵向载荷达到临界载荷时，其横向刚度趋于零，从而可以获得极低的固有频率，实现水平方向的超低频宽频带隔振。     

橡胶空气弹簧隔振设计及性能分析

压印光刻机是一种精密仪器,外界环境激励对压印光刻机的影响很大。橡胶空气弹簧是一种气囊减振器,用橡胶空气弹簧隔离外界环境对压印光刻机的干扰,能保护压印光刻机免受低频激励力的激励,文中阐述压印光刻机低频橡胶空气弹簧单自由度隔振系统的隔振原理,确定橡胶空气弹簧的刚度及隔振系统的固有频率,隔振系统的固有频率及隔振效率的理论结果与实际隔振系统的试验结果相吻合,表明压印光刻机的低频隔振设计是合理可行的。     

基于压电摩擦阻尼的四参数隔振系统等效建模与频变阻尼特性分析

在轨卫星搭载的高精度有效载荷对环境微振动异常敏感,从而对隔振系统的振动衰减性能提出了更高的要求。传统两参数被动隔振系统提高隔振性能时,常采用添加定常阻尼进行能量耗散的方式,但存在低频共振峰抑制与高频快速衰减不能兼顾的固有矛盾问题。为了解决这一问题,一种能够实现阻尼特性基于频率变化的四参数隔振系统被提出,采用归一化方法建立其系统传递率与等效阻尼理论模型,并与两参数和三参数隔振系统进行对比分析。基于四参数系统的频变阻尼等效理论,设计一种基于压电陶瓷致动器产生摩擦阻尼的具象化四参数隔振系统,考虑非线性摩擦阻尼的融合问题,并分析中间等效质量参数对阻尼频变特性的影响规律,最后对其频变阻尼特性和隔振性能进行了仿真与实验验证。结果表明：时域上,四参数隔振系统对随机信号的隔振率达到91.1%;频域上,相较常值小阻尼系统,四参数隔振系统在低频共振处的峰值性能提升5.46dB,且高频段保持相近的快速衰减,表现出低频大阻尼、高频小阻尼的频变阻尼特性。仿真与实验结果均表明,系统能够解决被动隔振系统中存在的高低频隔振性能之间的矛盾问题。     

空气弹簧液压悬置动特性及隔振特性研究

研究了具有可变刚度阻尼的发动机空气弹簧液压悬置的动特性和隔振特性。针对影响发动机空气弹簧液压悬置动特性的关键参数上液室等效体积刚度,采用理论和试验方法研究了上液室等效体积刚度的等效值,基于该等效值建立了空气弹簧液压悬置的理论模型,对空气腔开闭两种工况进行了空气弹簧液压悬置动特性的仿真和试验研究。搭建了发动机空气弹簧液压悬置系统试验台架,研究了台架各种激励频率下的空气弹簧液压悬置的隔振特性。结果表明:本研究采用的上液室等效体积刚度进行空气弹簧进行建模是正确、可行的,提高了空气弹簧建模效率和准确性;空气弹簧液压悬置在空气腔开启和关闭两种状态下,峰值动刚度增大幅值达78.5%,峰值阻尼角增大幅值达250%。台架试验表明:当台架激励频率小于25Hz时,悬置采用大刚度大阻尼;当台架激励频率大于等于25 Hz时,悬置采用小刚度小阻尼;悬置隔振率提升明显,不同频率下提升幅值达10%～67%。     

新型准零刚度非线性悬置座椅特性分析与参数匹配

为有效解决车辆传统线性座椅振动舒适性差、非线性座椅成本高且可靠性差的问题,提出了一种基于连杆-剪式隔振机构的新型非线性悬置座椅。利用准零刚度理论建立座椅数学模型,探明座椅可变承载特性、低频隔振特性及其影响规律和关键参数可行设计域,进而提出悬置刚度解析匹配方法和建立减振器非线性阻尼匹配数学模型。通过样机试验对比,验证所建模型和所提方法的正确性及座椅能效。结果表明,新型座椅振动舒适性比传统线性座椅提高了35%且与传统非线性座椅相当;新型座椅成本是传统非线性座椅的一半,且失效条件下舒适性比传统非线性座椅提高14%以上。     

卫星载荷隔振装置特性的微振动试验及分析

载荷隔振装置是为适应高分辨率卫星光学有效载荷高精度、高稳定度工作环境要求而设计的一种高精高稳结构,如何对其特性进行有效的地面试验验证,并量化评估其减隔振效果,成为亟待解决的问题。基于此,通过设计并搭建了一套微振动试验系统,实现了载荷隔振装置的模态特性和传递率特性的测试,获得了有效测试数据,并通过对比分析,量化得到了载荷隔振装置的减隔振效果。试验结果为载荷隔振装置研制提供了重要的基础数据和工程经验,对卫星减隔振系统设计具有广泛的参考价值。     

可变负载的准零刚度隔振器特性

由于载荷变化会削弱准零刚度隔振器的隔振特性，设计了一种可变负载的准零刚度隔振器。首先，阐述了该隔振器的隔振原理，建立了数学模型，分析了隔振器的静力学特性；其次，采用平均法研究了振动的主共振响应，得到了相对位移的幅频特性及振动的位移传递率，并分析了隔振参数对振动特性的影响。研究结果表明：该隔振器可以通过改变准零刚度弹簧的夹角，来适应负载的变化，而且角度增加能削弱共振，降低起始隔振频率；隔振器同时还具有渐硬-渐软特性，能压缩共振频段，降低向下跳跃频率，可变负载的准零刚度隔振器低频隔振性能优于普通准零刚度隔振器。     

可变负载的准零刚度隔振器特性

针对风机滚动轴承微弱故障信号所具有的非线性和非平稳特征及易被强背景噪声掩盖的特点，提出了一种变分模态分解(variational modal decomposition, 简称VMD)和最大相关峭度解卷积(maximum correlated kurtosis deconvolution, 简称MCKD)相结合的滚动轴承微弱故障诊断方法。为实现VMD和MCKD的参数自适应选择，采用粒子群优化算法(particle swarm optimization, 简称PSO)，对两种算法中的参数进行优化。首先，利用PSO优化VMD算法中的α和K，再基于VMD对微弱故障信号分解后的结果，选取最优模态分量；其次，利用PSO优化MCKD算法中的L和T，再基于MCKD算法加强最优分量信号中的故障冲击成分；最后，通过包络谱提取出轴承微弱故障特征。仿真和试验均表明，此方法能够自适应增强轴承微弱故障中的冲击成分，有效提取出被强噪声淹没的轴承微弱故障特征。     

用于原子干涉重力仪的隔振平台模型辨识及验证

负刚度隔振平台广泛应用于原子干涉重力仪等量子精密测量设备,其低频性能和环境自适应能力对设备性能影响较 大,为此本文对典型商用负刚度隔振平台进行了半主动改造,以进一步增强隔振平台综合性能。 首先从理论上对力-位移关系 做了简要分析,着重探讨了负刚度特性和承载能力的决定因素;然后建立并分析了系统运动模型,分别在时域和频域对模型参 数做了精准辨识,根据测试结果对半主动隔振做了仿真分析,并采用贝叶斯优化算法快速找到最优控制参数;最后在真实系统 上进一步验证了该方案,结果表明半主动隔振可将系统的低频共振峰衰减 357 倍,系统在低于 0. 3 Hz 和高于 8 Hz 的频段能起 到良好的隔振效果,超低频隔振性能有显著提升,文中所提方案可广泛应用于量子精密测量相关隔振设备。     

基于应力刚化效应的动态特性可调微动平台设计新方法

针对现有基于柔性铰链的微动平台动态特性受材料特性、设计制造等误差影响,难以满足精密微动平台对动态响应（特别是可变频率操作）的高要求,基于应力刚化效应,提出了动态特性可调的微动平台设计新方法,推导预应力作用下一端固定一端导向梁的等效刚度和质量公式;基于对称布置假设,建立含有弹片式柔性铰链(下面简称弹片)组数(离散变量)和截面尺寸(连续变量)的离散连续变量复合优化模型,释放承载刚度约束,获得截面尺寸含有弹片组数变量的精确解系列,分析了给定预应力下不同弹片组数微动平台的承载刚度和频率调节范围,从而通过承载刚度约束和频率调节范围要求确定弹片组数。通过数值算例,验证了推导计算模型求解精度和所提设计方法的应用有效性。计算结果表明,与有限元分析结果相比,本模型的计算结果相对误差小于2%,实现了给定工作刚度、频率和承载刚度约束的微动平台最优结构设计。所提方法实现了刚度和频率大范围的调整,不但降低了加工精度要求,还为动态特性自适应匹配的智能微动平台提供一种实现途径。     

特种车辆油气弹簧漏气故障的识别与预测

针对特种车辆实现基于状态的维修和自主保障需求,首次对特种车辆悬挂系统的核心部件油气弹簧进行了基于数据驱动方法的状态识别和故障预测研究。对油气弹簧的主要故障模式和机理进行了分析,针对发生频率最高的漏气故障,提出了一种适用于不同工况下的基于相同位移下气压变化的特征提取方法。提出了一种基于支持向量分类机和回归机的故障识别和预测框架,采用该框架能适应实车应用环境的要求,无需增加额外传感器,只利用车辆现有的测试环境就能实现油气弹簧漏气故障的实时监测和预防性维护,与其他基于振动信号的方法相比更具有实用性。在试验室内进行了模拟状态退化试验,利用采集的数据验证了方法的可行性,可用于特种车辆油气悬架的在线状态监控和预测。     

Influence of train length on the lateral vibration of a high-speed train equipped with articulated bogies

The influences of train length on vehicle dynamics and train stability were investigated using different vehicle models of various lengths. First, a reliable vehicle model was constructed to determine the cause of unstable lateral vibration. This model reflects the tendencies observed in the high-speed test line investigations. Analysis results show that the secondary lateral stiffness of the air spring is the most significant cause of lateral vibration in car bodies. Vibrations were stable in the analysis of short train formations, which had either 7 or 10 cars, even though lateral stiffness was high. However, long train formations that contained either 16 or 20 cars vibrated unstably. Mode analysis results suggested that an increase in wheel conicity can reduce the unstable, low-frequency vibration of long trains.     

囊式空气弹簧平衡性分析

空气弹簧是一种低频、高效隔振零件,目前已广泛应用于舰船以降低主要动力设备的振动与噪声传递。空气弹簧的平衡性严重影响了隔振系统的安全与可靠性,而帘线缠绕角是决定空气弹簧平衡性的关键。为定量分析帘线缠绕角对空气弹簧平衡性的影响,针对舰用JYQN囊式空气弹簧,对其囊体几何模型进行简化,进而依据弹性薄壳无矩理论,建立囊体平衡方程和边界条件,推导出囊体经向和纬向薄膜内力公式。结合囊体复合材料分析,给出囊体帘线平衡角计算公式,提出空气弹簧囊体的平衡性分析方法。当骨架帘线铺设角度接近平衡角时,此时得到的空气弹簧囊体在内压和承载作用下的变形最小,具有较好平衡性。建立帘线平衡角与空气弹簧设计有效面积之间的函数关系,为空气弹簧设计与研制提供了理论依据。