立方速度反馈控制的准零刚度隔振器动力学特性分析

针对传统线性被动隔振系统中存在降低固有频率及提高承载力、抑制共振峰值及改善高频传递特性这两对矛盾,本文采用斜置弹簧作为负刚度调节机构与正刚度弹性元件并联组成准零刚度隔振器,并将立方速度反馈控制策略引入到准零刚度隔振器的主动控制中。采用多尺度法求得受控系统的主共振、亚谐共振响应,利用Sylvester结式法获得系统不发生跳跃现象的临界激励幅值和跳跃频率并研究系统的传递特性。与线性隔振系统相比,准零刚度隔振器具有高静低动刚度特性,能提高系统的承载力并降低固有频率。与被动隔振系统相比,采用立方速度反馈控制的准零刚度隔振器主共振峰处的幅值及亚谐共振存在区域逐渐减小,力传递率共振峰处的幅值降低且高频传递特性得到有效改善,对提高准零刚度隔振器的隔振性能具有理论指导意义。     

新型准零刚度隔振系统的设计与研究

通过并联具有负刚度特性的碟形弹簧与线性正刚度弹簧,设计了一种新型准零刚度隔振系统。通过静力学特性研究,建立了系统的力-位移和刚度-位移关系表达式,获取了系统在平衡位置具有准零刚度的参数条件;通过动力学特性研究,建立了系统分别在简谐力和简谐位移激励下的非线性动力学方程,应用平均法分析了系统参数和激励幅值对系统力传递率和位移传递率的影响,并与其等效线性系统进行了比较,证明了该系统在隔离低频和超低频振动时具有优异的隔振性能,为该新型准零刚度隔振系统的设计应用提供了理论指导。     

一种拉伸式准零刚度隔振系统的设计和特性分析

针对低频隔振,采用正负刚度并联的原理构造一种拉伸式准零刚度隔振器。通过静力学分析,确定系统在平衡位置实现准零刚度的参数条件;采用谐波平衡法求解系统在简谐力作用下的幅频响应和多稳态区域;利用马蒂厄方程进行稳定性判别,并与数值结果进行对比;利用胞映射验证多态共存,分析系统参数对幅频响应和力传递率的影响。研究表明,在满足准零刚度条件下,准零刚度隔振系统起始隔振频率比为0.73左右,相对于线性系统,起始隔振频率比降低50%左右,隔振性能更好,实现了低频隔振。     

准零刚度微振动隔振器的原理和性能研究

使用屈曲欧拉梁负刚度调节机构和线性隔振器并联,设计了一种准零刚度隔振器。该隔振器的特点是加载后,系统在平衡点位置的动态刚度为零,同时保留原线性隔振器的承载能力。使用更高阶的泰勒展开来简化系统的回复力,在激励幅值较大时提高了谐波平衡法的响应求解精度。通过求解零刚度隔振器和线性隔振器的力传递率,比较了两种隔振器的性能。结果显示,准零刚度隔振器具有比线性隔振器更宽的隔振频带以及更小的共振放大系数。随着激励幅值的减小,准零刚度隔振器性能变得更好,甚至出现无共振峰的全频段振动衰减。本文所设计的准零刚度隔振器为小幅值振动甚至微振动的隔离提供了新的思路。     

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。     

基于准零刚度隔振器的车-座椅-人耦合模型动态特性研究

准零刚度隔振器能克服线性被动隔振器中存在的降低固有频率与提高承载力之间的矛盾,将准零刚度隔振器运用到汽车座椅的隔振中,建立了考虑准零刚度隔振器的8自由度车-座椅-人耦合动力学模型,采用数值法分析了此耦合动力学模型在受到路面冲击激励及随机激励下的动态特性。结果表明,当采用准零刚度隔振器作为汽车座椅悬架时,整车乘坐舒适性得到有效改善,汽车悬架行程及座椅行程在允许的行程取值范围内。研究内容对将准零刚度隔振器设计成汽车座椅悬架具有理论指导意义。     

超低频非线性隔振器的对比分析

简要介绍两种典型的基于正负刚度并联的超低频非线性隔振器(纯弹簧机构隔振器和凸轮-滚轮-弹簧组合机构隔振器)的机理,深入研究两种隔振器的非线性刚度参数对隔振器的准零刚度特性的影响,以及外部激励幅值对隔振器的隔振效率的影响。通过参数配置基本相同的两种非线性隔振器和相应的线性隔振器的性能对比研究,验证凸轮-滚轮-弹簧组合的非线性隔振器在准零刚度特性范围和外部激励幅值范围上均有明显优势。研究结果对于超低频非线性隔振器的工程应用开发具有一定的指导意义。     

双稳态余弦梁非线性隔振器的动力学与隔振特性研究

为了隔离航空器上的低频振动,提出一种具有准零刚度特性的非线性隔振器,由线性正刚度弹簧并联双稳态余弦梁负刚度元件而成。首先,通过对余弦梁非线性隔振器的静力学分析,给出了隔振器在准零刚度平衡点时的结构参数需要满足的条件。其次,建立谐波力作用下的系统动力学模型,通过未扰系统的分析,得到其存在平衡点分岔行为和满足稳定准零刚度的条件。最后,通过数值方法和有限元软件动力学仿真分析扰动系统的隔振性能,得到余弦梁非线性隔振器的起始隔振频率。进一步与线性隔振系统相比可知,引入余弦梁的非线性隔振系统有效降低了起始隔振频率。因此,余弦梁非线性隔振器具有优异的低频隔振性能,这为低频非线性隔振器设计提供了理论基础。     

一种准零刚度车载隔振系统的设计与试验研究

针对车辆行驶工况环境以及振动频率,研制了一种空间占比小、安装方便的准零刚度(quasi-zero-stiffness,QZS)车载隔振系统。将垂向弹簧与两个对称的负刚度结构并联,负刚度机构用于刚度校正,通过静力学特性分析,初步确定了系统在平衡位置具有准零刚度的参数条件,在推导中引入了加工误差系数,分析了加工误差系数对系统准零刚度的影响机理。建立了系统非线性动力学方程,采用平均法求解了系统在车体简谐位移激励下的动力学响应,分析了系统参数和激励幅值对位移传递率的影响。在此基础上,设计制作了准零刚度隔振系统,进行了不同激励幅值、激励频率下的测试,得到了实测的位移传递率幅频响应曲线,并与理论计算结果进行了比较。另外,还通过TruckSim/Simulink联合仿真进行了车载随机激励工况仿真分析。研究表明,试验与理论结果吻合较好,验证了准零刚度隔振系统理论建模和分析方法的正确性。准零刚度的起始隔振频率在1.4 Hz左右,优于线性系统的起始隔振频率2.9 Hz。与车体相应相比,隔振后的位移响应均方根值降低80%以上,加速度均方根值降低90%左右,且稳态时准零刚度隔振系统的稳定性较好,具有良好的隔振性能。     

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。     

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。     

柔性基础准零刚度隔振系统全局性态分析

以具有柔性基础的准零刚度隔振系统为对象,建立非线性隔振系统的动力学模型,并在大参数范围内分析其分岔特性。利用点映射方法并选取多个分析平面研究系统吸引子及其吸引域等全局特性,分析周期吸引子共存现象。研究表明,准零刚度非线性隔振系统随激励力幅值的变化呈现出非常复杂的动力学特性,多处出现吸引子共存现象,周期3运动的出现使得系统已经对初始条件具有了一定的敏感性。     

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。     

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。     

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。     

基于主动阻尼的屈曲梁准零刚度隔振技术研究

准零刚度(QZS)隔振系统具有高静刚度-低动刚度的特性,能够对低频振动进行有效抑制,而主动阻尼能够显著降低系统的共振峰值同时保持系统高频传递特性不变。因此,将准零刚度隔振系统与主动阻尼相结合,可以有效提升系统的超低频隔振性能。以屈曲梁准零刚度隔振器为研究对象,基于系统动力学模型,引入主动阻尼控制策略,通过理论分析研究了主动阻尼对屈曲梁准零刚度隔振系统传递率的影响,并利用SIMULINK工具开展扫频、正弦和随机扰动条件下的屈曲梁准零刚度-主动阻尼隔振系统仿真研究。仿真结果表明:在超低频段(≤0.1 Hz)该系统能够产生8~32 dB的隔振效果;在高频段(≥10 Hz)隔振效率不低于36 dB,且对随机扰动响应的隔振效率为36 dB。     

新型低频隔振器的特性研究

通过并联具有负刚度特性的刀口支撑滑动梁和正刚度的线性弹簧,设计了全新型的超低频非线性隔振系统。分析了系统的静态力学特性,给出了系统的力-位移关系以及刚度曲线,系统的非线性特性明显。求取了系统具有近似动态零刚度时的参数配置并结合实际应用选定了系统工作平衡点。建立了系统的非线性动力学方程,在对方程进行简化后,采用谐波平衡法求解了Helmholtz-Duffing方程的响应,分析了系统的频响特性,得出了在激励幅值较小的激励下系统具有渐软特性,而激励幅值增大后系统会出现二次跳变,即先表现为软特性后表现为硬特性。对此种新型隔振器的设计提供了理论指导。     

基于准零刚度理论的悬挂式单轨车辆二系悬挂系统研究

二系悬挂系统是保证悬挂式单轨车辆安全、平稳运行的重要部件之一。基于准零刚度及多体动力学理论,建立了二系悬挂装置具有准零刚度特性的悬挂式单轨车辆系统垂向模型,推导了悬挂式车辆垂向振动方程。在此基础上,开展了二系悬挂准零刚度系统与传统线性刚度系统隔振特性的对比研究。结果表明:通过既有垂向弹性元件并联斜置弹簧的方式,可实现悬挂式单轨转向架二系悬挂系统的准零刚度特性;相对传统线性刚度系统,二系悬挂准零刚度系统的车辆垂向动态响应在时域内明显降低,在频域范围内的低频段隔振效果良好。     

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。     

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。