CN106742091B - 一种具有零频隔振特征的零重力或微重力悬浮方法及装置 - Google Patents

一种具有零频隔振特征的零重力或微重力悬浮方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种具有零频隔振特征的零重力或微重力悬浮方法及装置，涉及太空中零重力或微重力环境模拟技术领域，解决了空间地面模拟与低频、超低频隔振等问题。该装置本质上可视为由一个提供重力支撑的竖直弹簧与水平弹簧通过连杆与被悬浮物连接而成。其基本原理为通过弹簧连杆机构的几何非线性配置提供与重力大小相等、方向相反的支撑力，以实现在装置设计范围内作用在被悬浮物的合力为零，进而使被悬浮物体处于悬浮状态。该装置可以用于空间零重力或微重力环境包括空间飞行器对接、大型空间柔性结构动力学性能测试与航天员训练等在内的地面模拟实验。利用该装置的悬浮特点可有效地解决低频、超低频的隔振问题，克服传统隔振理论难以避开系统共振的难题。

Description

一种具有零频隔振特征的零重力或微重力悬浮方法及装置
技术领域
本发明提供一种零重力或微重力悬浮装置，涉及包括空间航天器对接、大型柔性结构动力学性能测试及航天员训练等在内的一系列零重力或微重力环境地面模拟实验以及低频、超低频(低至零频)隔振等领域。
背景技术
国际上零重力或微重力地面模拟实验方法主要有水浮、气浮和悬吊等。水浮法虽然可以模拟空间零重力或微重力环境，但航天员必须穿着航天服，其设备需进行防水处理，因而造价昂贵。气浮法只能实现二维平动及一维转动，不能满足空间零重力或微重力环境的要求。悬吊法具有结构复杂、占地空间大以及设备与悬吊系统存在耦合振动，同样无法实现零重力或微重力环境。
上述方法均可归结为一种本质为(其中为竖直方向加速度，为系统的固有频率，m与k分别为被悬浮物体质量与系统支撑刚度)的无量纲振动系统，无论固有频率ω0多么小，均难以实现空间零重力或微重力环境的地面模拟。
空间零重力或微重力环境的地面模拟实验，实质上是将被模拟试件与基础环境的振动隔离问题，而传统方法仅当基础环境频率时才实现隔振，因而传统方法不能模拟空间零重力或微重力环境；
为减小线性系统固有频率ω0，近年来出现了一种准零刚度系统，其无量纲动力学方程可以归结为该系统仅当基础环境频率时才具有隔振性能，因而同样无法精确模拟零重力或微重力环境。
发明内容
本发明的目的是构建一种基于几何非线性特征的一种具有零频隔振特征的零重力或微重力悬浮方法及装置，以解决低频、超低频(低至0频)隔振与空间零重力或微重力环境的地面模拟等一种技术难题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种具有零频隔振特征的零重力或微重力悬浮方法，所述方法是构建一种具有零固有频率满足或的悬浮系统，基于该系统的低频、超低频低至零频的隔振性能，用以实现空间零重力或微重力环境的地面模拟；其中|ε|＞0为一足够小可调常量，为竖直方向加速度；
悬浮系统是通过对结构系统中的几何参数b和c的调节获得的；
悬浮系统是通过对结构系统中的几何参数b和的调节获得的。
一种基于上述方法的具有全频段隔振特征的零重力或微重力悬浮装置，所述装置包括竖直弹簧、连杆机构以及至少一个水平拉簧，被悬浮物体与竖直弹簧的上端连接，在连杆机构和至少一个水平拉簧的作用下，被悬浮物体沿竖直弹簧在垂直方向运动；
利用所述装置几何非线性的负刚度特征与所述装置几何参数的可调性，经几何非线性参数配置实现在所述装置设计范围内使被悬浮物体处于悬浮状态；
被悬浮物体在垂直方向处于某一位置时，所述装置将始终为被悬浮物体提供一支持力，该支持力能抵消或者接近质量块的重力，使得质量块处处受力平衡或接近平衡，呈现出一种“悬浮”或微重力状态，用于模拟太空中零重力或微重力环境。
具体地，所述悬浮装置为弹簧-连杆-导轨机构零重力或微重力悬浮装置，所述悬浮装置包括两个水平拉簧、两个连杆、竖直弹簧和竖直光杆，被悬浮物体(中间质量块、中间浮子)与竖直弹簧的上端连接，中间质量块在两侧连杆的作用下沿竖直光杆上下滑动；每个连杆的一端与水平拉簧的一端铰接，每个连杆的另一端与被悬浮物体铰接；
每个水平拉簧的所述一端能沿相应端的水平导轨运动，水平拉簧的另一端固定；竖直弹簧的下端固定，两个水平导轨处于同一水平线上；被悬浮物体的质量为m，每个连杆的长度为l，水平拉簧1与竖直弹簧的刚度分别为k1、k2，每个水平拉簧原长时其自由端距竖直光杆的距离为B；
初始状态时，压缩竖直弹簧至某一距离δ0，使得被悬浮物体与两个杆件处于同一水平面；当中间质量块向上运动到某一距离Y时，被悬浮物体受力为：
当B＝0，k2＝2k1时，有
F＝k2δ0-mg
从上式看出，调节初始状态时竖直弹簧的压缩量δ0，可以使得或
其中为竖直方向加速度，|ε|＞0为一足够小常量；
即水平拉簧原长时其自由端距竖直光杆的距离为0，且竖直弹簧刚度是水平弹簧刚度的2倍时，中间质量块所受重力与系统所给其提供的支持力恰好互相抵消或为一微小恒力；质量块在处于–l＜Y＜l时，系统将始终为中间质量块提供一支持力，该支持力能抵消或者接近质量块的重力，使得质量块处处受力平衡或接近平衡，呈现出一种悬浮或微重力状态，从而实现模拟太空中零重力或微重力环境。
具体地，所述悬浮装置为弹簧-滚子-导轨机构零重力或微重力悬浮装置，所述悬浮装置包括水平拉簧、两个滚轮、竖直弹簧和两个支架，
被悬浮物体(中间质量块、中间浮子)与竖直弹簧的上端连接，在位于被悬浮物体两侧的滚轮的作用下沿竖直方向运动；每个滚轮铰接在对应的一个支架的上端，支架的下端与导轨构成滑动副，
两个滚轮的中心由水平拉簧相连，支架能在水平方向沿导轨左右滑动，从而改变两个滚轮之间的距离；
被悬浮物体的质量为m，其两端边缘为半径为R的半圆弧，半圆弧圆心距离为L′；每个半径为r的滚轮与相应端的半圆弧无滑动的滚动，竖直弹簧的刚度为k2，水平拉簧刚度为k1、原长为L；
初始状态时，压缩竖直弹簧至某一距离δ0，使得中间质量块与滚轮处于同一水平面(中间质量块由两个半圆形板和位于二者之间的矩形板构成，每个半圆形板和矩形板平滑过渡，中间质量块与滚轮处于同一水平面是指中间质量块的中心与两个半圆形板的圆心处于同一水平面上)；当中间质量块向上运动到某一距离Y时，中间质量块受到的力可表示为：
由此式可以看出，当L-L′＝0，k2＝4k1时，有
F＝k2δ0-mg
调节初始状态时竖直弹簧的压缩量δ0，可使得或
其中为竖直方向加速度，|ε|＞0为一足够小常量；
即当质量块两侧铰链的距离L′等于水平拉簧的原长L，竖直弹簧刚度是水平弹簧刚度的4倍时，中间质量块所受重力与系统所给其提供的支持力恰好互相抵消或其差值为一微小恒力；由此可见，中间质量块位移处于–(R+r)＜Y＜(R+r)时，系统将始终为质量块提供一支持力，该支持力能抵消或者接近质量块的重力，使得质量块处处受力平衡或接近平衡，呈现出一种悬浮或微重力状态，从而实现模拟太空中零重力或微重力环境。
具体地，所述悬浮装置为弹簧-六连杆机构零重力或微重力悬浮装置，所述悬浮装置包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆、水平拉簧和竖直弹簧，
第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆顺次铰接形成六边形，第六连杆位于第三连杆的上方且二者均水平设置，第三连杆固定设置，被悬浮物体(中间质量块、中间浮子)与第六连杆连接；
水平拉簧的一端与第一连杆、第二连杆铰接点铰接，水平拉簧的另一端与第四连杆、第五连杆铰接点铰接；竖直弹簧的上端连接第六连杆，竖直弹簧的下端固定；
竖直弹簧在其两侧的第一连杆和第五连杆的作用下竖直运动；其中第一连杆、第二连杆、第四连杆、第五连杆的长度均为a，第三连杆、第六连杆的长度均为L′，水平拉簧刚度为k1，原长为L；竖直弹簧的刚度为k2；
初始状态时，压缩竖直弹簧至某一距离δ0，使得第六连杆与第三连杆位于同一水平面；当被悬浮物体向上运动到Y距离时，中间质量块受到的力为：
由此式可以看出，当L-L′＝0，k1＝k2时，有
F＝k2δ0-mg
调节初始状态时竖直弹簧的压缩量δ0，可使得或
其中为竖直方向加速度，|ε|＞0为一足够小常量；
即当水平拉簧的原长与第三连杆、第六连杆长度相等，竖直弹簧与水平拉簧刚度相等时，被悬浮物体所受重力与系统所给其提供的支持力恰好互相抵消或其差值为一微小恒力；当中间质量块位移处于0＜Y＜2a时，系统将始终为被悬浮物体提供一支持力，该支持力能抵消或者接近质量块的重力，使得质量块处处受力平衡或接近平衡，呈现悬浮或微重力状态，从而实现模拟太空中零重力或微重力环境。
针对弹簧-连杆-导轨机构零重力或微重力悬浮装置，结构系统 或结构系统中的几何参数b和c为：
b为无量纲参数，表示为
c为无量纲参数，表示为
无量纲参数
针对弹簧-滚子-导轨机构零重力或微重力悬浮装置，结构系统 或结构系统中的几何参数b和c为：
b为无量纲参数，表示为
c为无量纲参数，表示为
无量纲参数
针对弹簧-六连杆机构零重力或微重力悬浮装置，结构系统或结构系统中的几何参数b和c为：
b为无量纲参数，表示为
c为无量纲参数，表示为
无量纲参数
本发明的有益效果是：
本发明建立了低频、超低频(低至0频)隔振理论，提出地面零重力或微重力悬浮的具体实施方案，构建一种基于几何非线性特征的具有零频隔振特征的零重力或微重力悬浮装置。解决了低频、超低频(低至0频)隔振与空间零重力或微重力环境的地面模拟等一系列技术难题。该类悬浮装置主要是利用线性弹性元件的非线性几何配置，借助其几何非线性的负刚度特征与几何参数的可调节性，进而实现低频、超低频(低频至零频)隔振与空间零重力或微重力环境的地面模拟。
本发明还提供系列机械式悬浮装置，以解决空间零重力或微重力地面模拟与低频、超低频隔振等技术难题。该系列悬浮装置本质上均可视为由一个提供重力支撑的竖直弹簧和水平弹簧通过连杆与被悬浮物连接而成。其基本原理为通过弹簧连杆机构的几何非线性配置提供与重力大小相等、方向相反的支撑力，以实现在装置设计范围(连杆长度两倍)内作用在被悬浮物的合力为零，进而使被悬浮物体处于悬浮状态。该装置可以用于空间零重力或微重力环境包括空间飞行器对接、大型空间柔性结构动力学性能测试与航天员训练等在内的地面模拟实验。同时，利用该装置的悬浮特点可以有效地解决低频、超低频(低至零频)的隔振问题，克服了传统隔振理论难以避开系统共振的难题。
本发明适于航天工程对空间零重力或微重力地面模拟实验提出越来越高的要求，解决了现有低频、超低频隔振面临的技术难题，基于几何非线性的负刚度特性与几何参数可调的特点，提出一种具有零频隔振特征的零重力或微重力悬浮装置。该装置实现被悬浮体对振动环境的全频段免疫，进而解决传统隔振系统、准零刚度系统难以避开共振难题，真正实现低频、超低频(低至零频)隔振与空间零重力或微重力环境的地面模拟。
本发明的工作原理为：利用几何非线性的负刚度特征与几何参数可调的性质，通过竖直弹簧、横向弹簧与连杆机构的几何非线性配置提供给被悬浮体与重力大小相等、方向相反的支撑，以实现在设计范围(连杆长度两倍)内作用在被悬浮体的合力为零，进而使被悬浮体处于悬浮状态。
本质上，本发明旨在建立低频、超低频(低至零频)的隔振理论，提出地面零重力或微重力悬浮的方法及相应的地面零重力或微重力悬浮的装置，构建一种具有零固有频率满足(其中|ε|＞0为一可调常量)的悬浮系统。该系统具有低频、超低频(低至零频)的隔振性能，因而可以实现空间零重力或微重力环境的地面模拟。
附图说明
图1是本发明的弹簧-连杆-导轨机构零重力或微重力悬浮装置的原理示意图，其中：11-水平拉簧Ⅰ、12-连杆Ⅰ、13-中间质量块Ⅰ、14-竖直弹簧Ⅰ、15-竖直光杆Ⅰ；
图2是本发明的弹簧-滚子-导轨机构零重力或微重力悬浮装置的原理示意图，其中：21-中间质量块Ⅱ、22-水平拉簧Ⅱ、23-滚轮Ⅱ、24-竖直拉簧Ⅱ、25-支架Ⅱ、26-导轨Ⅱ；
图3是本发明的弹簧-六连杆机构零重力或微重力悬浮装置的原理示意图，其中：31-第一连杆Ⅲ、32-第二连杆Ⅲ、33-第三连杆Ⅲ、38-第四连杆Ⅲ、36-第五连杆Ⅲ、35-第六连杆Ⅲ、34-中间质量块Ⅲ、37-水平拉簧Ⅲ、39竖直拉簧Ⅲ。
图4为不同阻尼比时，线性隔振系统与零重力或微重力隔振系统传递率的比较图。
图5为实验验证所使用的试验设备的图片，图6为实验结果图。
具体实施方式
实现本发明的悬浮装置，先给出一种具有零频隔振特征的零重力或微重力悬浮方法，所述方法是构建一种具有零固有频率满足或的悬浮系统，基于该系统的低频、超低频低至零频的隔振性能，用以实现空间零重力或微重力环境的地面模拟；其中|ε|＞0为一足够小可调常量，为竖直方向加速度；所述方法建立了低频、超低频(低至0频)隔振理论；
悬浮系统是通过对结构系统中的几何参数b和c的调节获得的；
悬浮系统是通过对结构系统中的几何参数b和的调节获得的。
基于上述方法的具有全频段隔振特征的零重力或微重力悬浮装置，所述装置包括竖直弹簧、连杆机构以及至少一个水平拉簧，被悬浮物体与竖直弹簧的上端连接，在连杆机构和至少一个水平拉簧的作用下，被悬浮物体沿竖直弹簧在垂直方向运动；
利用所述装置几何非线性的负刚度特征与所述装置几何参数的可调性，经几何非线性参数配置实现在所述装置设计范围内使被悬浮物体处于悬浮状态；
被悬浮物体在垂直方向处于某一位置时，所述装置将始终为被悬浮物体提供一支持力，该支持力能抵消或者接近质量块的重力，使得质量块处处受力平衡或接近平衡，呈现出一种“悬浮”或微重力状态，用于模拟太空中零重力或微重力环境。
现以如下三种具体悬浮装置为例，提供空间零重力或微重力环境的地面模拟的具体实施方案：
具体实施方式一：如图1所示，本实施方式所述的悬浮装置为弹簧-连杆-导轨机构零重力或微重力悬浮装置，
所述悬浮装置包括两个水平拉簧Ⅰ11、两个连杆Ⅰ12、中间质量块Ⅰ13、竖直弹簧Ⅰ14和竖直光杆Ⅰ15，中间质量块Ⅰ13与竖直弹簧Ⅰ14的上端固连，中间质量块Ⅰ13在两侧连杆Ⅰ12的作用下沿竖直光杆Ⅰ15上下滑动；每个连杆Ⅰ12的一端与水平拉簧Ⅰ11的一端铰接，每个连杆Ⅰ12的另一端与中间质量块Ⅲ13铰接；
每个水平拉簧Ⅰ11的所述一端能沿相应端的水平导轨运动，水平拉簧Ⅰ11的另一端固定；竖直弹簧Ⅰ14的下端固定，两个水平导轨处于同一水平线上；中间质量块Ⅰ13(中间浮子)的质量为m，每个连杆Ⅰ12的长度为l，水平拉簧Ⅰ11与竖直弹簧Ⅰ14的刚度分别为k1、k2，每个水平拉簧Ⅰ11原长时其自由端距竖直光杆Ⅰ15的距离为B；
初始状态时，压缩竖直弹簧Ⅰ14至某一距离δ0，使得中间质量块Ⅰ13与两个连杆Ⅰ12处于同一水平面；当中间质量块向上运动到某一距离y时，中间质量块受力为：
当B＝0，k2＝2k1时，有
F＝k2δ0-mg
由此看出，调节初始状态时竖直弹簧的压缩量δ0，可以使得或
其中为竖直方向加速度，|ε|＞0为一足够小常量；
即水平拉簧Ⅰ11处于未拉状态时，其自由端距竖直光杆Ⅰ15的距离为0，当竖直弹簧刚度是水平弹簧刚度的2倍时，中间质量块所受重力与系统所给其提供的支持力恰好互相抵消或为一微小恒力；质量块在处于-l＜Y＜l时，系统将始终为中间质量块Ⅰ13提供一支持力，该支持力能抵消或者接近质量块的重力，使得质量块受到的合力为零或为一固定常力，因而质量块处于零重力的“悬浮”或微重力状态，从而实现空间零重力或微重力环境的地面模拟。
具体实施方式二：如图2所示，本实施方式所述的悬浮装置为弹簧-滚子-导轨机构零重力或微重力悬浮装置，
所述悬浮装置包括中间质量块Ⅱ21、水平拉簧Ⅱ22、两个滚轮Ⅱ23、竖直弹簧Ⅱ24、两个支架Ⅱ25和导轨Ⅱ26，
中间质量块Ⅱ21与竖直弹簧Ⅱ24的上端固连，在位于中间质量块Ⅱ21两侧的滚轮Ⅱ23的作用下沿竖直方向运动；每个滚轮Ⅱ23铰接在对应的一个支架Ⅱ25的上端，支架Ⅱ25的下端与导轨Ⅱ26构成滑动副，
两个滚轮Ⅱ23的中心由水平拉簧Ⅱ22相连，支架Ⅱ25能在水平方向沿导轨Ⅱ26左右滑动从而改变两个滚轮Ⅱ23之间的距离；
中间质量块Ⅱ21的质量为m，其两端边缘为半径为R的半圆弧，半圆弧圆心距离为L′；每个半径为r的滚轮Ⅱ23与相应端的半圆弧无滑动的滚动，竖直弹簧Ⅱ24的刚度为k2，水平拉簧Ⅱ22刚度为k1、原长为L；
初始状态时，压缩竖直弹簧Ⅱ24至某一距离δ0，使得中间质量块Ⅱ21与滚子Ⅱ23处于同一水平面(中间质量块Ⅱ21由两个半圆形板和位于二者之间的矩形板构成，每个半圆形板和矩形板平滑过渡，中间质量块Ⅱ21与滚轮Ⅱ23处于同一水平面是指中间质量块Ⅱ21的中心与两个半圆形板的圆心处于同一水平面上)；当中间质量块Ⅱ21向上运动到某一距离时，中间质量块Ⅱ21受到的力可表示为：
由此看出，当L-L′＝0，k2＝4k1时，有
F＝k2δ0-mg
同弹簧-连杆-导轨机构一样，调节初始状态时竖直弹簧Ⅱ24的压缩量δ0，可以使得或(其中为竖直方向加速度，|ε|＞0为一足够小常量)；即当质量块两侧铰链的距离L′等于水平拉簧的原长L，竖直弹簧刚度是水平弹簧刚度的4倍时，中间质量块所受重力与系统所给其提供的支持力恰好互相抵消或其差值为一微小恒力；由此可见，中间质量块位移处于-(R+r)＜Y＜(R+r)时，系统将始终为中间质量块Ⅱ21提供一支持力，该支持力能抵消或者接近质量块的重力，使得质量块受到的合力为零或为一固定常力，因而质量块处于零重力的“悬浮”或微重力状态，从而实现空间零重力或微重力环境的地面模拟。
具体实施方式三：如图3所示，本实施方式所述的悬浮装置为弹簧-六连杆机构零重力或微重力悬浮装置，
所述悬浮装置包括第一连杆Ⅲ31、第二连杆Ⅲ32、第三连杆Ⅲ33、第四连杆Ⅲ38、第五连杆Ⅲ36、第六连杆Ⅲ35、中间质量块Ⅲ34、水平拉簧Ⅲ37和竖直弹簧Ⅲ39，
第一连杆Ⅲ31、第二连杆Ⅲ32、第三连杆Ⅲ33、第四连杆Ⅲ38、第五连杆Ⅲ36、第六连杆Ⅲ35顺次铰接形成六边形，第六连杆Ⅲ35位于第三连杆Ⅲ33的上方且二者均水平设置，第三连杆Ⅲ33固定设置，中间质量块Ⅲ34与第六连杆Ⅲ35相固连；
水平拉簧Ⅲ37的一端与第一连杆Ⅲ31、第二连杆Ⅲ32铰接点铰接，水平拉簧Ⅲ37的另一端与第四连杆Ⅲ38、第五连杆Ⅲ36铰接点铰接；竖直弹簧Ⅲ39的上端连接第六连杆Ⅲ35，竖直弹簧Ⅲ39的下端固定；
在竖直弹簧Ⅲ39在其两侧的第一连杆Ⅲ31和第五连杆Ⅲ36的作用下竖直运动；其第一连杆Ⅲ31、第二连杆Ⅲ32、第四连杆Ⅲ38、第五连杆Ⅲ36的长度均为a，第三连杆Ⅲ33、第六连杆Ⅲ35的长度均为L′，水平拉簧Ⅲ37刚度为k1，原长为L；竖直弹簧Ⅲ39的刚度为k2；
初始状态时，压缩竖直弹簧Ⅲ39至某一距离δ0，使得第六连杆Ⅲ35与第三连杆Ⅲ33位于同一水平面；当中间质量块Ⅲ34向上运动到Y距离时，中间质量块受到的力为：
由此看出，当L-L′＝0，k1＝k2时，有
F＝k2δ0-mg
同上述弹簧-连杆-导轨机构和弹簧-滚子-导轨机构一样，调节初始状态时竖直弹簧Ⅲ39的压缩量δ0，可以使得或(其中为竖直方向加速度，|ε|＞0为一足够小常量)。即当水平拉簧Ⅲ37的原长与连杆3、5长度相等，竖直弹簧Ⅲ39与水平弹簧刚度相等时，中间质量块Ⅲ34所受重力与系统所给其提供的支持力恰好互相抵消或其差值为一微小恒力；由此可见，中间质量块位移处于0＜Y＜2a时，系统将始终为中间质量块Ⅲ34提供一支持力，该支持力能抵消或者接近质量块的重力，使得质量块受到的合力为零或为一固定常力，因而质量块处于零重力的“悬浮”或微重力状态，从而实现空间零重力或微重力环境的地面模拟。
当进行地面模拟时，对于某一质量体(如航天员、航空航天器)，可以视其为等效中间质量块。
为了实现零重力目的，我们首先要满足其初始状态，即在重力作用下，竖直弹簧压缩一定距离，使得中间质量块与两侧水平轨道处于同一水平面(图1)(或中间质量块与两侧滚子圆心位于同一水平面(图2)、中间质量块与连杆Ⅲ33位于同一水平面(图3))。然后再根据具体的结构型式，按照其弹簧的原长条件和刚度之间的关系进行配置。最终，中间质量块在竖直运动时，其重力完全有系统提供的“浮力”来平衡，达到实现零重力的目的。
为了实现微重力目的，与上述实现零重力不同的是，需要控制初始状态时竖直弹簧的压缩量，只需使竖直弹簧压缩后，中间质量块与两侧轨道不在同一水平面(图1)(或中间质量块与两侧滚子圆心不在同一水平面(图2)、中间质量块与连杆Ⅲ33不在同一水平面(图3))，而其他条件都与零重力情形相同，即可实现微重力环境。
所述机构中的弹簧并不局限于机械弹簧标准件，也可以是弹簧非标件，或者其它能产生等效线性弹力的零件，如气体弹簧、电磁铁等等。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
针本发明再进行如下阐述：
该类具有几何非线性特征的零重力或微重力悬浮装置，利用几何非线性的负刚度特征与其几何参数的可调性，通过竖直弹簧、水平放置弹簧-连杆与被悬浮物体连接，经几何非线性参数配置实现在装置设计范围内使被悬浮物体处于悬浮状态。因该类零重力或微重力悬浮装置的系统固有频率为零，因而实现被悬浮物体的对于振动环境的全频段免疫，进而彻底解决了传统隔振系统、准零刚度系统难以避开共振峰的难题，真正实现低频、超低频(低至零频)隔振与空间零重力或微重力环境的地面模拟。
传统线性系统受激振动方程为：
其中：ξ为阻尼比，f0为外激励，ω为外激励频率。
准零刚度系统受激振动方程为：
其中：ξ为阻尼比，f0为外激励，ω为外激励频率。
零重力或微重力系统受激振动方程为：
其中：ξ为阻尼比，f0为外激励，ω为外激励频率。
传递率定义为：整个系统传递给地面的力的幅值和激振力的幅值之比。由此可得上述线性隔振系统和零重力或微重力隔振系统的传递率T1、T2、T3分别为：
由图4可知，线性隔振系统只有时具有隔振性能；准零刚度隔振系统只有时具有隔振性能；本发明提供的零重力或微重力悬浮装置，不仅具有低至零频的全频段良好隔振性能，同时具有远优于重传统线性系统与准零刚度系统的隔振性能。本发明彻底解决了传统隔振系统、准零刚度系统难以避开共振峰的难题，真正实现低频、超低频(低至零频)隔振与空间零重力或微重力环境的地面模拟。
由上可知，本发明借助对几何参数的调节建立了零重力或微重力模型，进一步地，通过对微重力系统几何参数ε的调节以及主动控制，使ε不局限于一微小常量限制，即可使系统实现超重力及时变重力环境的模拟效果。
另一方面，通过对系统(其中：无量纲参数b在具体实施方案一、二和三中分别表示和无量纲参数c在技术方案一、二和三中分别表示和无量纲参数ε在具体实施方案一、二和三中分别表示和)几何参数b和c的调节，使系统刚度特性由全局零刚度向准零刚度连续变化，进而实现零刚度区间可调的准零刚度结构。
本发明借助弹簧-连杆-导轨机构、弹簧-滚子-导轨机构和弹簧-六连杆机构，实现了一种零重力或微重力悬浮装置。该类装置具有结构简单、载荷可调、便于加工等优点，同时还具备零重力环境模拟精度高、重力环境可调、运行稳定性好等非线性动力学特性，能满足隔振频率低至零频、零重力或微重力模拟环境的永久性及零重力或微重力悬浮空间可调、运行成本低等基本要求。可以完美实现低频、超低频(低至零频)隔振以及包括航天员舱内生活环境模拟、太空行走及航天器对接等在内的空间零重力或微重力环境地面模拟实验。
试验验证：
针对具体实施方式二(技术方案二)进行了试验验证，试验设备如图5所示。对此试验设备利用LMS系统进行了竖向加速度a＝7.1g≈69.651m/s2的冲击试验，实验结果如图6所示。其中通道一(浅色曲线表示)接入激振台控制信号，即为激振台的冲击信号；通道二(深色曲线表示)为悬浮试验装置平台的加速度传感器测的响应信号。
试验结果图中曲线上的微小波动为试验设备噪声，除去噪声对试验结果分析的影响，从次装置的加速度响应效果可以得出试验装置对基础的冲击实现了高于97.7％的隔离效果，由于此试验装置的加工工艺问题仍存在较大摩擦使试验响应增大，因而更加证明了该悬浮系统对基础振动具有极强的免疫作用，系统平台相对基础处于悬浮状态。

Claims (8)

1.一种具有零频隔振特征的零重力或微重力悬浮方法，其特征在于：
步骤一：构建一种具有零固有频率满足或的悬浮系统，悬浮系统是通过对结构系统中的几何参数b和c的调节获得的；悬浮系统是通过对结构系统中的几何参数b和c的调节获得的，其中|ε|>0为一足够小可调常量，为竖直方向加速度；
步骤二：基于该系统的低频、超低频低至零频的隔振性能，用以实现空间零重力或微重力环境的地面模拟。
2.一种基于权利要求1所述方法的具有零频段隔振特征的零重力或微重力悬浮装置，其特征在于：所述装置包括竖直弹簧、连杆机构以及至少一个水平拉簧，被悬浮物体与竖直弹簧的上端连接，在连杆机构和至少一个水平拉簧的作用下，被悬浮物体沿竖直弹簧在垂直方向运动；
利用所述装置几何非线性的负刚度特征与所述装置几何参数的可调性，经几何非线性参数配置实现在所述装置设计范围内使被悬浮物体处于悬浮状态；
被悬浮物体在垂直方向处于某一位置时，所述装置将始终为被悬浮物体提供一支持力，该支持力能抵消或者接近质量块的重力，使得质量块处处受力平衡或接近平衡，呈现出一种“悬浮”或微重力状态，用于模拟太空中零重力或微重力环境。
3.根据权利要求2所述的具有零频隔振特征的零重力或微重力悬浮装置，其特征在于：
所述悬浮装置为弹簧-连杆-导轨机构零重力或微重力悬浮装置，所述悬浮装置包括两个水平拉簧Ⅰ(11)、连杆Ⅰ(12)、竖直拉簧Ⅰ(14)和竖直光杆Ⅰ(15)，中间质量块Ⅰ(13)与竖直弹簧Ⅰ(14)的上端连接中间质量块Ⅰ(13)在两侧连杆Ⅰ(12)的作用下沿竖直光杆Ⅰ(15)上下滑动；每个连杆Ⅰ(12)的一端与水平拉簧Ⅰ(11)的一端铰接，每个连杆Ⅰ(12)的另一端与中间质量块Ⅰ(13)铰接；
每个水平拉簧Ⅰ(11)的所述一端能沿相应端的水平导轨运动，水平拉簧Ⅰ(11)的另一端固定；竖直拉簧Ⅰ(14)的下端固定，两个水平导轨处于同一水平线上；中间质量块Ⅰ(13)的质量为m，每个连杆Ⅰ(12)的长度为l，水平拉簧Ⅰ(11)与竖直弹簧Ⅰ(14的刚度分别为k1、k2，每个水平拉簧(1)原长时其自由端距竖直光杆Ⅰ(15)的距离为B；
初始状态时，压缩竖直弹簧Ⅰ(14)至某一距离δ0，使得中间质量块Ⅰ(13)与两个连杆Ⅰ(12)处于同一水平面；当中间质量块向上运动到某一距离Y时，被悬浮物体受力为：
当B＝0,k2＝2k1时，有
F＝k2δ0-mg
从上式看出，调节初始状态时竖直弹簧的压缩量δ0，可以使得或
其中为竖直方向加速度，|ε|>0为一足够小常量；
即水平拉簧Ⅰ(11)原长时其自由端距竖直光杆Ⅰ(15)的距离为0，且竖直弹簧刚度是水平弹簧刚度的2倍时，中间质量块所受重力与系统所给其提供的支持力恰好互相抵消或为一微小恒力；质量块在处于–l<Y<l时，系统将始终为中间质量块Ⅰ(13)提供一支持力，该支持力能抵消或者接近质量块的重力，使得质量块处处受力平衡或接近平衡，呈现出一种悬浮或微重力状态，从而实现模拟太空中零重力或微重力环境。
4.根据权利要求2所述的具有零频隔振特征的零重力或微重力悬浮装置，其特征在于：
所述悬浮装置为弹簧-滚子-导轨机构零重力或微重力悬浮装置，所述悬浮装置包括水平拉簧Ⅱ(22)、两个滚轮Ⅱ(23)、竖直弹簧Ⅱ(24)和两个支架Ⅱ(25)，
中间质量块Ⅱ(21)与竖直弹簧Ⅱ(24)的上端连接，在位于中间质量块Ⅱ(21)两侧的滚轮Ⅱ(23)的作用下沿竖直方向运动；每个滚轮Ⅱ(23)铰接在对应的一个支架Ⅱ(25)的上端，支架Ⅱ(25)的下端与导轨Ⅱ(26)构成滑动副，
两个滚轮Ⅱ(23)的中心由水平拉簧Ⅱ(22)相连，支架Ⅱ(25)能在水平方向沿导轨Ⅱ(26)左右滑动，从而改变两个滚轮Ⅱ(23)之间的距离；
中间质量块Ⅱ(21)的质量为m，其两端边缘为半径为R的半圆弧，半圆弧圆心距离为L′；每个半径为r的滚轮Ⅱ(23)与相应端的半圆弧无滑动的滚动，竖直弹簧Ⅱ(24)的刚度为k2，水平拉簧Ⅱ(22)刚度为k1、原长为L；
初始状态时，压缩竖直弹簧Ⅱ(24)至某一距离δ0，使得中间质量块Ⅱ(21)与滚轮Ⅱ(23)处于同一水平面；当中间质量块Ⅱ(21)向上运动到某一距离Y时，中间质量块Ⅱ(21)受到的力可表示为：
由此式可以看出，当L-L′＝0,k2＝4k1时，有
F＝k2δ0-mg
调节初始状态时竖直弹簧Ⅱ(24)的压缩量δ0，可使得或
其中为竖直方向加速度，|ε|>0为一足够小常量；
即当质量块两侧铰链的距离L′等于水平拉簧的原长L，竖直弹簧刚度是水平弹簧刚度的4倍时，中间质量块所受重力与系统所给其提供的支持力恰好互相抵消或其差值为一微小恒力；由此可见，中间质量块位移处于–(R+r)<Y<(R+r)时，系统将始终为中间质量块Ⅱ(21)提供一支持力，该支持力能抵消或者接近质量块的重力，使得质量块处处受力平衡或接近平衡，呈现出一种悬浮或微重力状态，从而实现模拟太空中零重力或微重力环境。
5.根据权利要求2所述的具有零频隔振特征的零重力或微重力悬浮装置，其特征在于：
所述悬浮装置为弹簧-六连杆机构零重力或微重力悬浮装置，所述悬浮装置包括第一连杆Ⅲ(31)、第二连杆Ⅲ(32)、第三连杆Ⅲ(33)、第四连杆Ⅲ(38)、第五连杆Ⅲ(36)、第六连杆Ⅲ(35)、水平拉簧Ⅲ(37)和竖直拉簧Ⅲ(39)，
第一连杆Ⅲ(31)、第二连杆Ⅲ(32)、第三连杆Ⅲ(33)、第四连杆Ⅲ(38)、第五连杆Ⅲ(36)、第六连杆Ⅲ(35)顺次铰接形成六边形，第六连杆Ⅲ(35)位于第三连杆Ⅲ(33)的上方且二者均水平设置，第三连杆Ⅲ(33)固定设置，中间质量块Ⅲ(34)与第六连杆Ⅲ(35)连接；
水平拉簧Ⅲ(37)的一端与第一连杆Ⅲ(31)、第二连杆Ⅲ(32)铰接点铰接，水平拉簧Ⅲ(37)的另一端与第四连杆Ⅲ(38)、第五连杆Ⅲ(36)铰接点铰接；竖直拉簧Ⅲ(39)的上端连接第六连杆Ⅲ(35)，竖直拉簧Ⅲ(39)的下端固定；
竖直拉簧Ⅲ(39)在其两侧的第一连杆Ⅲ(31)和第五连杆Ⅲ(36)的作用下竖直运动；其中第一连杆Ⅲ(31)、第二连杆Ⅲ(32)、第四连杆Ⅲ(38)、第五连杆Ⅲ(36)的长度均为a，第三连杆Ⅲ(33)、第六连杆Ⅲ(35)的长度均为L′，水平拉簧Ⅲ(37)刚度为k1，原长为L；竖直拉簧Ⅲ(39)的刚度为k2；
初始状态时，压缩竖直拉簧Ⅲ(39)至某一距离δ0，使得第六连杆Ⅲ(35)与第三连杆Ⅲ(33)位于同一水平面；当中间质量块Ⅲ(34)向上运动到Y距离时，中间质量块受到的力为：
由此式可以看出，当L-L′＝0,k1＝k2时，有
F＝k2δ0-mg
调节初始状态时竖直弹簧Ⅲ(39)的压缩量δ0，可使得或
其中为竖直方向加速度，|ε|>0为一足够小常量；
即当水平拉簧Ⅲ(37)的原长与第三连杆Ⅲ(33)、第六连杆Ⅲ(35)长度相等，竖直拉簧Ⅲ(39)与水平拉簧Ⅲ(37)刚度相等时，中间质量块Ⅲ(34)所受重力与系统所给其提供的支持力恰好互相抵消或其差值为一微小恒力；当中间质量块位移处于0<Y<2a时，系统将始终为中间质量块Ⅲ(34)提供一支持力，该支持力能抵消或者接近质量块的重力，使得质量块处处受力平衡或接近平衡，呈现悬浮或微重力状态，从而实现模拟太空中零重力或微重力环境。
6.根据权利要求3所述的具有零频隔振特征的零重力或微重力悬浮装置，其特征在于：
结构系统或结构系统中的几何参数b和c为：
b为无量纲参数，表示为
c为无量纲参数，表示为
无量纲参数
7.根据权利要求4所述的具有零频隔振特征的零重力或微重力悬浮装置，其特征在于：
结构系统或结构系统中的几何参数b和c为：
b为无量纲参数，表示为
c为无量纲参数，表示为
无量纲参数
8.根据权利要求5所述的具有零频隔振特征的零重力或微重力悬浮装置，其特征在于：
结构系统或结构系统中的几何参数b和c为：
b为无量纲参数，表示为
c为无量纲参数，表示为
无量纲参数
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