精密仪器用超低频非线性并联隔振系统研究

在分析了负刚度的形成机理基础上，设计研制了一种正负刚度并联的新型隔振系统。隔振系统采用负刚度机构在平衡点某一领域内抵消了弹性元件的部分正刚度，使隔振系统刚度呈现非线性，从而使得隔振系统总刚度趋向于零。经过设计，隔振系统具有高的支撑刚度和很低的运动刚度。在隔振系统中，可通过调节负刚度机构两端的受力情况来降低其固有频率。大量实验结果表明，该隔振系统的固有频率从10Hz降到1Hz，从而使得其隔振频带加宽，隔振能力显著提高，达到了较好的设计效果。     

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。     

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。     

卫星遥感器微振动隔离用液体阻尼隔振器

针对卫星平台的微振动,提出了具有良好高频衰减及共振峰控制性能的松驰型液体阻尼隔振器。建立了松弛型液体阻尼隔振模型,从传递率的角度分析了提出的松驰型液体阻尼隔振器与传统隔振模型的区别。使用波纹管提供刚度及密封,基于小孔阻尼结构形式,设计了松弛型液体阻尼隔振器并求解了系统的阻尼因子。对所设计的隔振器进行了传递率测试,结果表明,松弛型液体阻尼隔振器在共振频率处能够提供大阻尼,将共振放大倍数控制在2倍以内;在高频隔振区能提供小阻尼,100Hz衰减率超过95%,隔振性能优于传统隔振器。得到的结果和理论预测吻合较好。该项研究对松弛型液体阻尼隔振器的设计以及其在遥感器微振动隔离的应用上具有很强的指导作用。     

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。     

On the characteristics of an ultra-low frequency nonlinear isolator using sliding beam as negative stiffness

A novel structured ultra-low frequency nonlinear passive isolator is presented. The isolator is composed of a knife-edge supported sliding beam which offers negative stiffness and a vertical mechanical spring in parallel to get quasi-zero dynamic stiffness. The static characteristics of the isolator are studied. Assuming light viscous damping, the dynamic behavior is investigated and the response under harmonic excitation is derived using a simple approximation. Frequency response curves (FRCs), which exhibit complex double jump phenomenon, are obtained by harmonic balance method (HBM). The limitation of the excitation force level is obtained. The force transmissibility is derived and compared with an equivalent linear system with the same damping ratio. The isolation performance of the nonlinear isolator is shown to outperform the linear system for providing a wider isolation region. The influence of system parameters on the transmissibility is examined and some useful guidelines are given.     

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。     

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。     

Performance limit of a passive vertical isolator using a negative stiffness mechanism

A passive vibration isolator using a negative stiffness mechanism (NSM) is being considered for small precision instruments since it does not need any outer power supply and pressurized air, and its fundamental frequency can be lowered down to 0.5 Hz. Although the working principle of the NSM and its patents are well known, neither the isolation performance limit related to the lowest fundamental frequency nor its nonlinear behavior have been studied. This paper discusses the performance limit of the passive vertical isolator using the NSM and presents the design guidelines for the isolator based on that performance limit. First, a nonlinear dynamic model of the passive isolator is derived through solid approximations, and the fundamental frequency or performance limit is obtained using nonlinear analysis, which entirely explains the nonlinear behavior of the isolator. In addition, the approximate design equations of the isolator are derived to analyze its performance limit. Finally, an approximate expression of the lowest fundamental frequency of the isolator is derived using nonlinear analysis and design equations, which provide substantial design guidelines to improve isolator performance. This paper was recommended for publication in revised form by Associate Editor Seong-Wook Hong Dr. Ahn received B. S., M. S. and Ph. D. degrees from Seoul national university in 1995, 1997 and 2001, respectively. Dr. Ahn was a research associate of University of Virginia, USA and worked as a BK21 assistant professor at Seoul national university. Dr. Ahn is currently an assistant professor at department of mechanical engineering at Soongsil University. He is currently serving as an editor of the International Journal of Rotating Machinery. Dr. Ahn’s research interests are in the area of rotordynamics, control and mechatronics.     

磁流变弹性体变刚度隔振系统的设计与仿真分析

磁流变弹性体兼有磁流变液和弹性体的优点,其剪切模量可由外加磁场控制,在振动控制等方面具有广阔的应用前景。现有的隔振系统中隔振器刚度一般都是固定值,这使系统的隔振效果有局限性,对较低频率振动,尤其是共振时的隔离效果很差。提出了将可调刚度的磁流变弹性体隔振器用于隔振系统中．通过改变隔振器的线圈电流大小来控制磁流变弹性体的剪切模量,进而调整隔振系统的刚度,使系统获得更宽的隔振频率范围。设计了隔振器的结构,基于SimuLink软件对系统的隔振效果进行仿真分析．表明了设计的有效性．     

微纳型空间相机被动式隔振系统设计

为了改善某型号微纳型空间相机在发射阶段的振动环境并避免相机发生破坏,针对微纳型空间相机的任务需求设计了一种被动式隔振系统.首先,对相机隔振系统进行了建模,研究了隔振系统的响应特性.然后,通过对隔振系统振动的耦合模型进行分析计算,实现了振动解耦并与传统分布形式进行了对比分析.根据相机结构参数和隔振系统模型,对被动式隔振器...     

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。     

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。     

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。     

车辆动力装置变刚度隔振新方法

常规的车辆动力装置隔振系统无法兼顾低频隔振性能和高承载稳定性,迫切需要新方法、新技术实现两者统一.在分析不同行程区间刚度特性对隔振率和稳定性影响的基础上,提出了预压定刚度弹簧与变刚度弹簧并联的变刚度隔振新构型,阐述了依据隔振率和负载匹配定刚度及预压参数、依据稳定性优化变刚度参数的设计方法.新型隔振器不仅支承能力强,而且...     

超精密机床垂向有源隔振系统的实验研究

分析了有源和无源两种隔振方式理论,建立了超精密机床垂直方向有源隔振系统。通过实验证明引入有源控制后,隔振台对环境干扰主振动的隔离有所增强;隔振台低频振动情况得到一定程度的改善,有效隔振范围3～5Hz;工件加工表面质量有所提高。     

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。     

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。     

汽车用环形金属橡胶弹性元件的性能研究

研制出汽车用金属橡胶特种隔振环，对其基本性能进行了实验研究。并分析了改变金属橡胶元件的相对密度、振幅及工作载荷时，对特种金属橡胶隔振环性能的影响。通过实验获得了力与变形、固有频率与振幅、刚度与振幅、相对密度与刚度、相对密度与固有频率的关系曲线，并对实验结果进行了理论分析，为金属橡胶构件在汽车领域的广泛应用，提供了理论和实验依据。     

Fuzzy sliding mode controller of a pneumatic active isolating system using negative stiffness structure

A novel active vibration isolation system using negative stiffness structure (active system with NSS) for low excitation frequency ranges (< 5 Hz) is developed successfully. Here, the negative stiffness structure (NSS) is used to minimize the attraction of vibration. Then, the fuzzy sliding mode controller (FSMC) is designed to improve the vibration isolation performance of the active system with NSS. Based on Lyapunov stability theorem, the fuzzy control rules are constructed. Next, the experimental apparatus is built for evaluating the isolation efficiency of the proposed system controlled by the FSMC corresponding to various excitation conditions. In addition, the isolation performance of the active system with NSS, the active system without NSS and the passive the system with NSS is compared. The experimental results confirmed that the active system with NSS gives better isolation efficiency than the active system without NSS and the passive system with NSS in low excitation frequency areas.