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Abstract

本发明公开了一种连续变刚度混沌隔振装置，其特征在于：所述连续变刚度混沌隔振装置包括第一隔振器和第二隔振器，第一隔振器的一端面与第二隔振器的一端面相对设置且在第一隔振器和第二隔振器之间设有用于放置被隔振设备的间隔距离，第一隔振器和第二隔振器均与被隔振设备相接触，在第一隔振器的另一端面上设有与基础体连接的接触面且接触面与基础体之间设有隔空区域，在第二隔振器的另一端面上设有与基础体连接的接触面且接触面与基础体之间设有隔空区域。本发明具有在小位移振动下进入混沌，且具有很好的隔振作用，将线谱变为宽频谱的优点。

Description

一种连续变刚度混沌隔振装置
技术领域
本发明涉及一种隔振装置，特别是涉及一种连续变刚度的混沌隔振装置，属于机械隔振装置技术领域。 
背景技术
振动是生产和生活中常见的现象。随着科技的发展，机器设备的功率增大、转速加快，使得在现代工程技术中振动这一普遍存在的现象日益受到人们的关注。振动不仅影响到机器设备的使用寿命，仪表器械的使用性能，操作人们的正常工作，造成建筑结构的损坏；而且还影响到舰船、潜艇、飞机的生命力及其战斗技术性能。同时振动还不可避免地产生噪声，对人们的工作和生活环境造成很大的影响。 
机械振动中的辐射噪声一般分为两类：一类是纯频噪声，其频率为线谱；另一类是宽带噪声。目前机械设备上控制振动传递的最常用的措施是采用隔振技术，即在被隔振设备与基础之间插入弹性隔振元件，以减小两者之间的动态耦合和不良振动的传递。一般的文献都假定隔振器的动力学特性是线性的，人们对线性隔振系统做了很多的研究，因此，线性隔振理论早已成熟和完善。但是，线性隔振系统对线谱的隔离能力有限，主要表现在： 
(1)当激励频率较低时，要想取得好的隔振效果，隔振器需要选择得很柔软，此时系统的静变形很大，稳定性差，所以线性隔振器隔离低频段振动的效果差。线谱一般都处于低频段，由于其能量集中，不易衰减或被外界介质吸收。 
(2)线性系统具有频率保持性，所以线性隔振系统不能改变传递至外面的振动的频谱结构，即不能改变辐射噪声的频谱结构。 
由于现有的隔振系统均按线性理论设计，且线性隔振系统存在诸多不尽人意之处，人们开始考虑非线性隔振装置。非线性隔振系统存在着很多异于线性隔振系统的特性，如共振曲线的偏移与突跳、在一定参数条件下可呈现混沌运动特征、内共振、吸引子共存等，这些特 性可用来线性隔振系统所无法实现的某些功能。因此，采用非线性隔振装置成为人们关注的焦点。 
更重要的是，当非线性隔振系统的参数处于一定的参数范围时，系统能产生混沌运动。混沌最重要的特征是具有很宽的功率谱，即对于一些单频输入，系统可能产生宽频输出，线谱上集中的能量分布在一个叫宽频带上，从而降低或消除动力机械对艇体的线谱激励，进而降低辐射水声中线谱的能级。理论和试验研究表明，当非线性隔振系统处于混沌运动状态时，对线谱激励的相应是宽频谱的，对线谱具有很强的隔离能力。 
然而，不论是在实际的日常生活还是生产中，一些大型机械设备往往还需要限制其工作时的振幅，例如，机床电机、大功率发动机等等。这些设备在正常工作状态下，其振幅较被隔振设备主尺寸小3到4个数量级，比隔振元件自身尺寸也小了2到3个数量级，在如此小的振幅下，隔振元件的非线性特性体现得并不显著，而混沌是强非线性的产物。因此，如何在小振幅下使得非线性隔振系统呈现混沌运动特征。 
基于上述问题的背景，我们研究发明了本项专利：连续变刚度混沌隔振装置，用于在小振幅下产生强非线性，使得隔振系统进入混沌运动状态，从而实现对机械振动噪声的隔离，特别是对其中的线谱成分进行隔离。该装置的优点是能够在很小的振幅下产生强非线性，且其隔振装置的非线性与隔振装置的几何尺寸相对应，从而产生研究需要的特定的非线性。而且还有原理简单，易于调节，装置稳定性好，操作安装方便等优点。 
发明内容
本发明的目的是提供一种连续变刚度混沌隔振装置，可克服小位移条件，且将分段线性转化为连续线性，解决因为碰撞而产生的危害，从根本上解决小位移和碰撞问题，通过连续线性结构实现变刚度，该装置能够在小位移下产生强非线性，易于进入混沌区域，能够对隔振设备隔振，将其线谱变为宽频谱，大大降低线谱辐射强度，保护机械设备并延长其工作寿命，结构精简，易于实现，装置稳定性好，操作安装方便。 
本发明的目的通过以下技术方案来实现。 
一种连续变刚度混沌隔振装置，其特征在于：所述连续变刚度混沌隔振装置包括第一隔振器和第二隔振器，第一隔振器的一端面与第二隔振器的一端面相对设置且在第一隔振器和第二隔振器之间设有用于放置被隔振设备的间隔距离，第一隔振器和第二隔振器均与被隔振设备相接触，在第一隔振器的另一端面上设有与基础体连接的接触面且接触面与基础体之间设有隔空区域，在第二隔振器的另一端面上设有与基础体连接的接触面且接触面与基础体之间设有隔空区域。 
所述与基础体连接的第一隔振器的接触面端上设有自接触面向内凹的承凹，承凹构成所述的第一隔振器的接触面与基础体之间设有的隔空区域，所述与基础体连接的第二隔振器的接触面端上设有自接触面向内凹的承凹，承凹构成所述的第二隔振器的接触面与基础体之间设有的隔空区域。 
所述第一隔振器、第二隔振器均呈柱体状，第一隔振器的下端面构成与被隔振设备连接的接触面，承凹设置在第一隔振器的上端面部，第二隔振器的上端面构成与被隔振设备连接的接触面，承凹设置在第二隔振器的下端面，所述第一隔振器与第二隔振器上的承凹均为球形凹面体。 
所述第一隔振器为一隔振体，第二隔振器为一隔振体。 
本发明与现有技术相比具有以下优点： 
本发明为基于混沌隔振理论的隔振装置，该隔振装置克服了小位移条件，且将分段线性转化为连续线性，解决了因为碰撞而产生的危害，因此，从根本上解决了小位移和碰撞问题。该隔振器通过连续线性结构实现变刚度，能够在小位移下产生强非线性，易于进入混沌区域，因此能够对隔振设备隔振，将其线谱变为宽频谱，大大降低线谱辐射强度，保护机械设备并延长其工作寿命，结构精简，易于实现，装置稳定性好，操作安装方便。总之，在小位移振动下进入混沌，且具有很好的隔振作用，将线谱变为宽频谱。 
附图说明
图1为本发明连续变刚度混沌隔振装置立体图； 
图2为本发明连续变刚度混沌隔振装置对中剖切结构示意图； 
图3为本发明连续变刚度混沌隔振装置建立相应的有限元模型立体图； 
图4为本发明连续变刚度混沌隔振装置建立相应的有限元模型的主视图； 
图5为本发明连续变刚度混沌隔振装置建立相应的有限元模型的位移加载曲线图； 
图6为本发明连续变刚度混沌隔振装置建立相应的有限元模型的力-位移曲线图； 
图7为本发明连续变刚度混沌隔振装置建立相应的有限元模型的动力加载时程图； 
图8为本发明连续变刚度混沌隔振装置建立相应的有限元模型的位移时程图； 
图9为本发明连续变刚度混沌隔振装置建立相应的有限元模型的速度时程图； 
图10为本发明连续变刚度混沌隔振装置建立相应的有限元模型的相图； 
图11为本发明连续变刚度混沌隔振装置建立相应的有限元模型的输入功率谱图； 
图12为本发明连续变刚度混沌隔振装置建立相应的有限元模型的输出力(反力)功率谱图； 
图13为本发明连续变刚度混沌隔振装置建立相应的有限元模型的位移功率谱； 
图14为本发明连续变刚度混沌隔振装置建立相应的有限元模型的速度功率谱图； 
图15为本发明连续变刚度混沌隔振装置建立相应的有限元模型的加速度功率谱图。 
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明连续变刚度混沌隔振装置实施例作进一步详细描述。
如图1-2所示，本发明连续变刚度混沌隔振装置，包括第一隔振器和第二隔振器，第一隔振器的一端面与第二隔振器的一端面相对设置且在第一隔振器和第二隔振器之间设有用于放置被隔振设备的间隔距离，第一隔振器和第二隔振器均与被隔振设备相接触，在第一隔振器的另一端面上设有与基础体连接的接触面且接触面与基础体之间设有隔空区域，在第二隔振器的另一端面上设有与基础体连接的接触面且接触面与基础体之间设有隔空区域。图中第一隔振器为一隔振体即第一隔振体1，第二隔振器为一隔振体即第二隔振体2，第一隔振体1、第二隔振体2均呈柱体状，与基础体连接的第一隔振体1的接触面端上设有自接触面向内凹的承凹11，承凹11构成第一隔振体1的接触面与基础体之间设有的隔空区域，与基础体连接的第二隔振体2的接触面端上设有自接触面向内凹的承凹21，承凹21构成第二隔振体2的接触面与基础体之间设有的隔空区域。第一隔振体1的下端面13构成与被隔振设备3连接的接触面，承凹11设置在第一隔振器的上端面12的端部，第二隔振体2的上端面23构成与被隔振设备3连接的接触面，承凹设置在第二隔振体2的下端面22的端部，承凹11、承凹21均为球形凹面体。 
下面对本发明进行数值模拟。并建立相应的有限元模型，选择质量块尺寸：质量块长度为1.00m，高度为0.02m，厚度为0.01m的长方体。隔振器模型尺寸：长度l1为0.01m，长度l2为1.00m，高度为0.10m，厚度为0.01m的长方体，挖去部分的曲线方程为：y＝αxβ，其中α为方程系数，β为指数，均为常数，其中的参数α＝0.01(下述设计的最大间隙为0.01m)， 
Figure DEST_PATH_GSB00000560263600011
(对于实际应用，不同的结构其参数需要进行计算，下述所用的参数只是作为一个参考，说明此结构确实能够小位移振动下进入混沌，且具有很好的隔振作用，将线谱变为宽频谱。)，如图3和图4，为建立的有限元模型，1、刚性基础；2、质量块；3、隔振器；4、设计的凹槽。 
1、静力加载数值模拟 
对质量块进行静力加载(使用位移加载)，其加载曲线如图5所不， 
在静力加载下的数值模拟结果可以看出，其数值模拟的力-位移曲线与理论计算出的结果吻合的较好，如图6所示，将图6的数据进行拟合，则其刚度为k5＝3.858e12，k1＝3.167e3，则可以看出，两个刚度相对比值相当大。 
2、动力加载数值模拟 
动力加载时程曲线如图7所示，加载频率为15Hz，利用数值模拟得到被隔振设备：位移时程曲线如图8所示，速度时程曲线如图9所示，相图如图10所示。根据数值模拟结果，计算出相应的功率谱曲线如图11、12、13、14、15所示，功率谱图表单位：x：Hz，y：dB。 
从相图10可以看出，系统在该隔振装置下出现混沌。从功率谱图11-15对比分析可以看出，线谱在上述设计的隔振装置下变为宽频谱，线谱的峰值也得到了降低(降低幅度在25dB以上)，而且被隔振设备振动幅值限制在0.01m范围内。因此，上述设计的隔振装置能够很好的解决在小位移下实现混沌隔振问题。结论： 
(1)上述设计出基于混沌隔振理论的隔振装置，该隔振装置克服了小位移条件，且将分段线性转化为连续线性，解决了因为碰撞而产生的危害，因此，从根本上解决了小位移和碰撞问题。 
(2)该隔振器通过连续线性结构，能够在小位移下产生强非线性，易于进入混沌区域，因此能够对隔振设备隔振，将其线谱变为宽频谱，大大降低线谱辐射强度，提高机械设备的工作寿命。 
(3)模型设计精简，且模型材料在工作过程中变形小，因此工程中的设计、加工和应用都将易于实现。 
通过理论推导、数值仿真和数值模拟三种方法相结合，均证明该隔振装置的有效性。 

Claims (4)

1.一种连续变刚度混沌隔振装置，其特征在于：所述连续变刚度混沌隔振装置包括第一隔振器和第二隔振器，第一隔振器的一端面与第二隔振器的一端面相对设置且在第一隔振器和第二隔振器之间设有用于放置被隔振设备的间隔距离，第一隔振器和第二隔振器均与被隔振设备相接触，在第一隔振器的另一端面上设有与基础体连接的接触面且接触面与基础体之间设有隔空区域，在第二隔振器的另一端面上设有与基础体连接的接触面且接触面与基础体之间设有隔空区域。
2.根据权利要求1所述的连续变刚度混沌隔振装置，其特征在于：所述与基础体连接的第一隔振器的接触面端上设有自接触面向内凹的承凹，承凹构成所述的第一隔振器的接触面与基础体之间设有的隔空区域，所述与基础体连接的第二隔振器的接触面端上设有自接触面向内凹的承凹，承凹构成所述的第二隔振器的接触面与基础体之间设有的隔空区域。
3.根据权利要求2所述的连续变刚度混沌隔振装置，其特征在于：所述第一隔振器、第二隔振器均呈柱体状，第一隔振器的下端面构成与被隔振设备连接的接触面，承凹设置在第一隔振器的上端面部，第二隔振器的上端面构成与被隔振设备连接的接触面，承凹设置在第二隔振器的下端面，所述第一隔振器与第二隔振器上的承凹均为球形凹面体。
4.根据权利要求1或2或3所述的连续变刚度混沌隔振装置，其特征在于：所述第一隔振器为一隔振体，第二隔振器为一隔振体。
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