天棚半主动惯容隔振器动态特性研究

基于"惯容-弹簧-阻尼"的三元件并联式被动惯容隔振器能进一步拓宽传统线性隔振器的隔振频带,但高频隔振性能显著恶化,为此提出基于天棚惯容控制的半主动惯容隔振器以改善高频隔振性能。天棚惯容控制策略采用基于绝对-相对加速度切换控制来调整半主动惯容器的惯质系数在最大与最小值之间切换,以近似模拟理想天棚惯容器的力学特性。研究天棚半主动惯容隔振器在基础简谐位移激励下的动态特性,通过平均法求解系统的近似解析解,并用数值解进行验证。结果表明与被动惯容隔振器相比,天棚半主动惯容隔振器的绝对位移峰值和传递率峰值更低,隔振频带更宽,高频绝对位移传递率明显降低,具有显著优势。     

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。     

含凸轮-滚轮机构的准零刚度系统隔振特性实验研究

提出了一类含凸轮-滚轮机构的准零刚度隔振器,进行了静力学分析,给出了具有分段非线性的回复力;建立了隔振系统的运动方程,并利用谐波平衡法得到了主共振响应的一次近似解析解,给出了凸轮-滚轮保持接触的参数条件,并分析了保持接触情况下的力传递率;最后,对准零刚度隔振系统进行了激振实验分析,测定了不同工况下的力传递率,并与相应的线性系统进行了对比。结果表明：通过引入凸轮-滚轮负刚度机构,有效降低了起始隔振频率,抑制了共振,提高了隔振效果,因此,该准零刚度隔振器具有良好的低频隔振性能;凸轮-滚轮保持接触的前提下,激励幅值越大,负刚度机构越易发挥作用,隔振效果更显著。     

三磁体型隔振器的性能分析和实验研究

针对潜艇机械设备的低频隔振难题,提出了一种三磁体型隔振器。通过等效磁荷法建立了矩形磁铁的磁力和刚度解析模型,并对矩形磁铁的结构参数进行了优化设计;利用矩形永磁铁提出了一种三磁体型隔振器,通过曲线拟合得到了刚度的近似表达式,建立了隔振系统的动力学方程,利用谐波平衡法得到了主共振响应的一次近似解析解,探究了激励幅值和阻尼比对系统力传递率的影响;搭建了三磁体型隔振器试验台,对三磁体型隔振器进行了激振实验分析,测定了不同工况下的力传递率,并与相应线性系统进行对比。结果表明,三磁体型隔振器具有高静低动的刚度特性,有效降低了共振区域的共振峰值,为提高潜艇机械设备振动的低频隔离效果提供了一种新的思路。     

松弛型阻尼隔振模型的动刚度试验研究

针对松弛型阻尼隔振模型,从动刚度角度分析其与传统隔振模型的区别。通过求解松弛型阻尼隔振模型的传递率,说明系统最优传递率和动刚度的联系。使用波纹管提供刚度及密封,采用小孔阻尼结构形式,设计松弛型阻尼隔振器并对系统的阻尼系数求解。对所设计的松弛型阻尼隔振器进行了动刚度的测试,实验结果和理论预测吻合较好。研究对松弛型阻尼隔振器的优化设计具有很强的指导作用。     

适应负载变化的准零刚度扭转隔振器设计与分析

针对现有准零刚度扭转隔振器仅适用于恒定负载的问题,设计了一种通过调节正刚度来适应负载变化,同步调节负刚度使隔振器始终工作在准零刚度状态的新型准零刚度扭转隔振器。该隔振器由提供负刚度的扭转磁弹簧和提供正刚度的弹簧片组成,其中扭转磁弹簧由径向磁化的内、外环磁铁组成,通过调节内、外环的轴向相对位置改变负刚度,利用等效磁荷法得到了磁弹簧的扭矩计算模型,分析了弹簧片参数对正、负刚度匹配后刚度特性的影响。建立了系统的动力学模型,采用谐波平衡法求解了隔振器的动态响应,分析了激励幅值和阻尼比对隔振器隔振性能的影响,结果表明,扭转隔振器在不同载荷状态下均具有良好的低频隔振效果。设计制造了隔振器样机,并进行了不同静载荷状态下的静力学试验,试验得到的扭矩-角位移曲线与理论计算结果吻合良好,试验结果表明,该隔振器可以通过调节磁弹簧的轴向相对位置和弹簧片的有效作用长度,实现正、负刚度的同步调节。     

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。     

电磁变刚度半主动动力吸振结构的振动控制研究

分析特殊结构变刚度动力吸振系统的移频和减振特性。提出一种电磁式变刚度结构,作用于传统动力吸振器以进一步改变主系统共振频率,实现振动宽频半主动控制。设计一种新型电磁变刚度结构的功能及支撑部件,在其内部形成闭合磁路,使转子在磁场作用下具有回复到平衡位置的特性。通过改变电流大小改变电磁力作用下结构刚度。基于结构设计,建立电磁变刚度结构磁路数学模型,并利用麦克斯韦应力张量理论,对磁场及输出转矩进行数学求解。利用Ansoft进行有限元模拟分析,计算输出力矩。加工实验样机并测量输出转矩,对比模拟值、数值求解值,发现结果具有良好的一致性。仿真和试验结果验证了所提出电磁变刚度半主动吸振控制的可行性。     

一种准零刚度隔振器的特性分析与实验研究

将五个线性弹簧并联组合,设计出一种具有高静态刚度、低动态刚度的非线性低频隔振器。分析了系统的刚度特性,给出了系统的准零刚度(QZS)条件。利用谐波平衡法分析了系统的动力学特性,得出了系统的力传递率,并分析了阻尼及激励力对系统传递率的影响。为了验证QZS系统的隔振性能,进行了一系列的实验研究。实验结果表明,QZS隔振器的低频隔振性能明显优于相应的线性系统。     

基于精细传递矩阵法的气囊隔振器横向刚度特性分析

构建并求解了预载条件下气囊隔振器的囊体力学模型,提出了一种气囊隔振器横向刚度特性的参数化计算方法。在考虑囊体预应力的条件下构建了囊体力学模型,引入位移中间向量并采用精细积分法推导了囊体状态向量间的传递矩阵,利用迭代法解析了囊体状态向量、内部压力以及结构参数之间的耦合变化关系,基于边界条件完成了囊体刚度的参数化求解,结合理想气体刚度模型完成了气囊隔振器横向刚度特性的计算分析。对比试验结果,验证了横向刚度特性计算方法的正确性,探究了主要设计参数对刚度特性的影响规律。     

一种双连杆-弹簧-曲面机构的QZS隔振器设计和研究

基于正负刚度并联原理,运用双连杆-弹簧-曲面作为负刚度机构、竖直弹簧作为正刚度机构,提出了一种准零刚度(quasi-zero stiffness,QZS)隔振器的新构型。针对上述构型,通过静力分析,研究了系统的位移-刚度特性和位移-回复力特性,得到了系统静平衡下的QZS条件。此外,建立QZS系统的非线性动力学方程,应用谐波平衡法和龙格库塔法求解。针对不同的激励幅值、阻尼系数和QZS参数等因素,研究了系统动力学响应和传递率特性。理论研究表明,该QZS构型可以有效降低模型的共振频率与最大传递率幅值。基于隔振器的三维模型进行数值仿真和实验研究,发现提出的QZS构型拥有较好的低频隔振性能,并具备与线性系统相当的高频隔振性能。     

矩形永磁铁的磁力计算及其应用

负刚度结构可用于系统的低频隔振,依据等效磁荷法建立矩形永磁铁的磁力和刚度解析模型,得到实现负刚度的最优磁铁布置和充磁方向,并设计三磁体型准零刚度隔振系统。仿真结果表明,矩形磁铁磁力和刚度计算模型准确,三磁体型准零刚度隔振器在不影响载荷性能的前提下具有优越的低频隔振性能。     

基于相对加速度-相对速度控制的半主动惯容隔振器动态特性研究

将惯质系数可调的半主动惯容器应用到隔振器中,根据其力学特性,提出相对加速度-相对速度控制策略调节半主动惯容器的惯质系数在最大与最小惯质系数间切换。研究三元件并联式与串联式半主动惯容隔振器在基础简谐激励下的动态特性,运用平均法求解系统的动态响应,并与数值解进行对比。定义动态位移峰值、绝对位移传递率峰值、隔振频带以及高频带的绝对位移传递率四个性能评价指标来评价系统的隔振性能,并与被动惯容隔振器进行对比分析。研究表明相较被动惯容隔振器,半主动惯容隔振器有更好的隔振性能。     

反共振双层隔振系统分析

提出以反共振隔振方法进行双层隔振系统设计,在不降低隔振区传递率衰减速率的条件下,抑制共振峰值改善双层隔振性能。针对三型单惯容反共振隔振器(anti-resonant vibration isolator, AVI),进行了结构选型分析,优选了二级串联型三元件反共振隔振器用于双层隔振系统;基于传递曲线存在与阻尼无关的固定点性质,建立了反共振双层隔振系统的调谐优化方法;考虑了反共振隔振器作为上层和下层隔振装置两种情形,根据所建立的优化方法分别得到了两种情形下刚度比和阻尼比的优化数值解,分析了调谐状态下共振峰值关于质量比的变化规律,最后讨论了传统隔振器(conventional vibration isolator, CVI)阻尼的影响。结果表明：反共振隔振器在共振区有效抑制共振峰值,在隔振区保持双层隔振传递率衰减速率;共振峰值与质量比成负相关性;传统隔振器阻尼对反共振隔振效果不产生实质影响,但改变隔振区传递率衰减速率。     

基于频响函数综合的推进轴系动力学建模与支撑结构参数优化分析

针对船舶推进轴系提出了一种基于频响函数综合的子结构方法,考虑了轴承液膜交叉刚度的影响、螺旋桨和推进电机同时激励的工况,分析了在螺旋桨和推进电机激励下的振动响应特性。该方法将耦合系统划分为螺旋桨-轴系、轴承、高弹、推进电机、隔振器和船体子结构,通过二次频响函数综合建立了耦合系统的频响函数表达式;利用该建模方法和灵敏度分析建立了以均方传递力、传递功率流为优化目标的优化模型,针对轴承、隔振器和高弹的刚度参数进行优化。结果表明:基于频响函数综合的子结构建模和优化方法效率高,适合于对支撑结构刚度参数进行优化;对一模型的匹配优化结果表明,轴承和隔振器刚度减小、高弹性联轴器的刚度增加对减小振动传递有利。     

基于正负刚度并联永磁隔振器的隔振性能分析及实验验证

针对超精密领域小负载隔振的新需求,基于正负刚度并联原理,采用永磁弹簧和橡胶带相结合的方法,永磁弹簧提供正刚度,橡胶带提供负刚度,提出了一种正负刚度并联永磁隔振器的新构型。为了研究该隔振器的隔振性能,通过实验与理论相结合的方法,建立了橡胶带拉力和刚度的数学模型,验证了橡胶带拉力解析模型的有效性;建立了正负刚度并联永磁隔振器的动力学方程,分析了该隔振器的隔振性能;搭建了永磁弹簧和正负刚度并联永磁隔振器实验台,分别进行隔振性能测试。实验结果表明该隔振器隔振性能的理论计算和实验测试的结果比较吻合,且具有良好的隔振性能;该隔振器最大特点在于其最大承载能力时,刚度最低,固有频率最低,低频隔振性能最好。     

参考模型寻优策略在半主动隔振试验中的应用

针对一种新式的变刚度阻尼隔振器,利用NI软硬件平台,搭建半主动控制试验系统。提出一种RMBC(Reference model based control)控制策略,研究半主动隔振系统在线性扫频激励和随机组合激励下的工作特性。试验结果表明,对于扫频激励,半主动隔振系统可以有效地规避共振;对于随机组合激励,半主动系统可以根据当前工况选择最佳输出阻尼。半主动控制试验验证了RMBC控制律的有效性,同时发现一些潜在问题,可为下一步工程应用提供参考。     

永磁体型高静低动刚度隔振器试验研究

高静低动刚度隔振器是一种将正负刚度弹性元件并联在静平衡位置附近获得零刚度的组合式被动隔振装置,能有效解决低固有频率和小静态变形难以兼得的矛盾。研制并装配双环永磁体型和三磁体型两种高静低动刚度隔振器原理样机,搭建试验台架系统,开展谐波位移激励下的双环永磁体型隔振器和谐波力激励下的三磁体型隔振器的性能测试,并与相应等效线性隔振系统的传递特性进行对比,从而对永磁体型高静低动刚度隔振系统低频隔振的优越性进行验证。试验结果表明,引入磁负刚度能降低系统的固有频率,拓宽系统的隔振频带,降低系统的传递率峰值。     

一种小动静比橡胶隔振器仿真与试验

通过隔振器内部结构设计,在保证承载能力的同时降低橡胶隔振器的动态刚度。开展橡胶隔振器的静态变形、在给定静变形下的动态仿真分析,表明该隔振器在静态力-位移曲线上具有负斜率特性,对应隔振器内部结构的失稳变形;进行隔振器的静压试验、动态试验和隔振系统中的振动传递试验,结果表明,静态力-位移曲线试验结果呈现负斜率特性,在静态曲线上不同工作点处的固有频率呈现负斜率处最小的特性。     

半主动液阻型橡胶隔振器动态性能测试与计算分析

设计并制造了一种解耦膜刚度可调的半主动液阻型橡胶隔振器,对其静态、动态特性进行了实验测试.建立了半主动液阻悬置动特性计算分析的集总参数模型,利用该模型计算分析了一半主动液阻悬置在低频大振幅激励下的动刚度和滞后角,计算结果和实验值的对比结果证明了模型的正确性.给出了半主动液阻悬置在解决汽车在怠速、巡航与粗糙路面激励下的驾驶员座椅振动问题的应用实例.该分析方法和结论有助于被动式液阻悬置和半主动液阻悬置的设计与开发.