准零刚度低频隔振技术的研究进展

在低频隔振研究领域,准零刚度的提出给人们提供了新的解决思路.系统总结了各式准零刚度隔振器的结构和特点;具体描述准零刚度隔振器的控制方法和工程应用实例;对比分析准零刚度隔振器国内外研究发展现状;总结和展望了准零刚度隔振器未来的发展趋势.最后阐述了准零刚度隔振器现存的问题及相应的解决方案.     

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。     

惯容准零刚度隔振器动态特性研究

将惯容器运用于准零刚度（quasi?zero stiffness,简称QZS）隔振器中,根据惯容器、弹簧与阻尼器的布置形式,提出并联式与串联式惯容准零刚度隔振器。研究两种惯容准零刚度隔振器在简谐力激励下的动态特性,运用谐波平衡法求解系统的动态响应,揭示两个主要的结构参数（惯质比与刚度比）对系统动态特性的影响规律,定义动态位移峰值、力传递率峰值、隔振频带以及高频带的力传递率4个性能评价指标来评价系统的隔振性能。研究表明,相较准零刚度隔振器,并联式惯容准零刚度隔振器的力传递率峰值较小,隔振频带较宽,但动态位移峰值与高频带的力传递率较大;串联式惯容准零刚度隔振器能拓宽准零刚度隔振器的隔振频带,高频带的力传递率都趋于零,但动态位移峰值与力传递率峰值较大。研究内容为将惯容器运用于准零刚度低频隔振领域具有理论指导意义。     

等效非线性阻尼控制的准零刚度振动传感系统

为准确测量移动平台的绝对振动位移并进一步扩展测量频带,采用等效非线性阻尼控制方法设计了一种准零刚度（QZS）传感器。为使QZS传感器具有准零刚度特性,建立了传感器的动力学模型,并对其结构和静态特性进行分析;讨论了在不同预压缩量下传感器的幅频特性和相频特性,分析了不同等效非线性阻尼和激励对测量信号的精度影响。结果表明,等效非线性阻尼控制有效拓宽了准零刚度传感器系统的测量频带范围,该系统能够精确测量移动平台的绝对位移,满足工程实践要求。     

基于H∞状态反馈的商用车准零刚度空气悬架系统半主动控制

为进一步提升复杂行驶工况下配备空气悬架商用车的综合隔振性能,提出一种基于准零刚度空气悬架新构型的阻尼控制方法。首先,结合气体热力学、悬架动力学理论建立准零刚度空气悬架系统非线性模型,将悬架非线性恢复力表达式通过Taylor级数展开,把1/4车辆准零刚度空气悬架半主动控制模型归纳为考虑刚度参数不确定的线性系统。其次,引入Lyapunov稳定性理论,构建考虑悬架簧载质量加速度、动行程及轮胎动载荷的多目标性能输出指标并考虑受限约束,采用线性分式变换设计H_∞状态反馈控制策略,同时设计基于车身高度传感器为输入的Luenberger状态观测器,并将控制律设计问题转化为线性矩阵不等式的凸优化问题。最后,仿真和硬件在环实验结果表明,所提出的准零刚度空气悬架结构及半主动控制方法行之有效,能在不牺牲悬架动行程和少牺牲轮胎动载荷的前提下大幅降低簧载质量加速度,提升商用车悬架多目标综合性能。     

考虑载荷变化的准零刚度隔振器动态特性

为了研究载荷变化对准零刚度隔振器动态特性及隔振性能的影响,首先,分析具有分段非线性特性的准零刚度隔振器静力学特性;其次,引入光滑函数,应用增量谐波平衡法得到准零刚度隔振器的周期解,分析载荷与激励幅值对隔振器动态特性的影响;最后,定义准零刚度隔振器的力传递率,分析载荷与激励幅值对其隔振性能的影响。研究结果表明:当激励幅值较大时,载荷变化会导致响应的常数项在共振区附近出现交叉折叠的现象;载荷与激励幅值的变化会改变隔振系统的共振频率、传递率峰值以及有效隔振频带,但该准零刚度隔振器的隔振性能仍优于线性隔振器。     

仿足弓准零刚度隔振器特性分析与实验

为满足光学精密仪器更高的精度及动态特性要求,解决其安装空间逼仄与宽频域隔振的矛盾,提出了一种由屈曲梁与黏弹性材料并联构成的仿生准零刚度隔振装置,并建立了该仿生隔振装置的非线性动力学模型,结合谐波平衡法对其振动传递特性进行了分析。仿真与实验结果表明：当频率比大于15时,振动幅值传递率小于0.2,系统共振区振动幅值传递率低于0.75,隔振效果良好。该结论验证了仿足弓准零刚度隔振器的有效性,为光学精密仪器复杂隔振系统设计提供了参考。     

准零刚度隔振器及其弹性特性设计

结合电子行业军用标准《准零刚度隔振器设计与应用技术导则》的编制工作，介绍了准零刚度隔振器的定义、分类及其设计方法，并有线性准零刚度隔振器及非线性准零刚度隔振器的设计示例。     

准零刚度绝对位移传感器设计及运用

设计了一种准零刚度（QZS）绝对位移传感器。分析了QZS传感器的结构参数,得到了保证QZS传感器特性的参数要求。给定不同激励,对QZS传感器测量精度及响应速度进行了检测,并分析总结QZS传感器的一些不足及其使用范围。将QZS 传感器运用于Stewart平台的速度反馈,通过谐波平衡法得到平台z轴、绕x轴、绕y轴方向的幅频特性曲线。仿真结果表明,QZS传感器能够有效地测量平台z轴、绕x轴、绕y轴方向的绝对位移。     

准零刚度扭转隔振器振动传递特性研究

针对一种应用连杆弹簧负刚度结构所设计的正负刚度并联扭转隔振器,通过分析其设计参数,得到了其在静平衡位置达到准零刚度的条件。针对所述系统,建立二自由度非线性动力学微分方程,应用谐波平衡法求解了准零刚度隔振器的振动响应。考虑激励幅值、系统阻尼和转动惯量等因素,从扭转振动力矩传递和扭转振动功率流传递两个角度分析了准零刚度隔振系统的非线性振动传递特性。结果表明,此隔振系统具有良好的低频隔振效果,且表现为振动传递的硬特性;从功率流角度的分析还表明,系统的瞬时传递功率流峰值与输入功率流和耗散功率流的变化趋势保持一致。在低于共振区域的低频区间内,隔振系统前后两端的转动惯量对系统振动具有较大影响。最后,对扭转隔振器的振动隔离特性进行了试验验证,试验结果表明,隔振器具有良好的低频振动隔离特性。     

气动准零非线性隔振器的刚度特性与参数调控

针对大载荷、低动态频率的机械装备的隔振需求,提出了气动准零刚度非线性隔振技术方案,利用气体负压为静载、波纹管结构提供动刚度,实现了隔振装置的高静态低动态刚度特性。阐述了光滑型气动准零隔振器的结构及工作原理,根据气体状态方程推导了隔振装置的非线性刚度理论模型。为了得到符合设计要求的刚度特性,分别研究了气体占比与初始压强等参数对隔振装置刚度特性的调控规律,发现了合理的气/液比例,既可以实现较低的动态刚度,同时起到大幅振动下位移限位的效果。探讨了过载加速度对隔振系统固有特性的影响,研究发现,过载的存在使得隔振静平衡位置偏离设计的平衡点,因此其线化系统固有频率会发生较明显的变化,这是工程设计根据实际情况需要考量的一点。     

温度对橡胶隔振器刚度阻尼特性的影响

在不同温度( 20~80 ℃ )下对橡胶材料进行了单轴静态拉伸试验与动态频率扫描试验,分析了应力应变关系、储能模量及损耗模量随温度的变化规律,拟合获得了不同温度下表征橡胶力学性能的超弹性和粘弹性本构模型参数。对某倒 V 形橡胶隔振器进行了不同温度本构参数下的静态与动态仿真,结果表明,温度对橡胶隔振器力学性能有较大影响,研究结果可为橡胶隔振器的工程应用提供参考。     

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。     

基于谐波平衡法的非线性低频隔振系统振动特性研究

针对非线性低频隔振系统振动响应和振动传递率进行理论研究。基于非线性弹性元件的载荷－位移试验数据建立了非线性低频隔振系统的动力学模型和动力学方程。借助谐波平衡法对该非线性动力学方程进行近似求解,得到该非线性低频振动系统的一次谐波位移响应和振动传递率的近似表达式。分析了不同系统参数对振动传递率和曲线族骨架形状的影响,并对这种影响产生的原因进行了解释。理论结果与试验结果对比显示,当该非线性低频隔振系统工作在有效隔振频段内时,两者吻合良好。     

局域共振型隔振系统的低频振动特性分析

为有效降低基体低频振动对精密仪器测量精度的影响,提出了周期布置吸振器的减振方式.建立了基体-隔振设备-吸振器系统的动力学模型,利用模态叠加法导出了系统耦合振动方程的解析解,并用有限元法进行了验证.获得了吸振器数量、参数对系统低频振动特性的影响规律,在吸振器总数一定的情况下,将其划分为包含不同数量振子的周期元胞.以低频段...     

变质量-负刚度动力吸振器试验研究

针对传统动力吸振器“窄带”缺陷,设计了一种新型的变质量-负刚度动力吸振器,从而可以使吸振器具有较好的低频有效性。建立变质量-负刚度动力吸振器的动力学方程并分析了吸振器的工作原理;搭建了变质量-负刚度动力吸振器试验台,编制了PID控制程序;对吸振器减振性能进行了动力学仿真和试验研究。研究结果表明,所设计的吸振器连续可调,有效频带比传统吸振器频带宽了17.3%。     

囊式负压空气隔振器力学建模与性能研究

以低频隔振器为研究对象,利用负压空气独有的特性,结合橡胶良好的弹性性能,提出了囊式负压空气隔振器的全新概念,对负压隔振原理进行了定性分析。力学建模分析、理论仿真分析以及实验验证结果表明,所建立起来的隔振系统具有理想的非线性弹性曲线。同时研究了负压大小和有效面积对性能的影响。最后得出,囊式负压空气隔振器可以获得理想的低频隔振效果,有很强的实用性。     

轮胎刚度和阻尼非线性模型的解析研究

根据轮胎的静态和动态试验结果,建立了轮胎刚度和阻尼的非线性解析模型.该模型分析了轮胎刚度与轮胎变形量、充气压力和振动频率之间的数值解析关系;同时还分析了轮胎阻尼与振动速度、轮胎变形速度和充气压力之间的关系.