CN107218343B - 基于非对称复合材料层合板的准零刚度隔振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非对称复合材料层合板的准零刚度隔振器，其包括悬臂刚性底座、弹簧保护筒、非对称复合材料层合板本体、输入杆、第一线性弹簧、第二线性弹簧、第一刚性连杆等，第一十字万向节、第二十字万向节、第三十字万向节、第四十字万向节都与悬臂刚性底座相连，第一十字万向节位于第二十字万向节的右边，第三十字万向节位于第二十字万向节的左边，第四十字万向节位于第三十字万向节的左边等。本发明利用非对称双稳定层合板的负刚度特性、质量轻及结构简单的优点，实现了总体设计简单、质量轻、可靠性高及传递率低的准零刚度隔振器，且适用于空间环境，可用于航天器中精密单机的被动隔振。

Description

基于非对称复合材料层合板的准零刚度隔振器

技术领域

本发明涉及一种隔振器，特别是涉及一种基于非对称复合材料层合板的准零刚度隔振器。

背景技术

当前航天技术已经对社会、军事、经济乃至政治产生重要的影响。随着我国军民项目对航天器指向精度和指向稳定度要求的不断升级，航天器姿态振荡、航天器上回转或往复运动部件对航天器平台的微振动干扰正逐渐成为制约高敏感度有效载荷使用的瓶颈。航天器上的微振动具有幅值小、频带宽、时变性等特点。航天器微振动难以由航天器自身控制系统控制，因此需要额外的控制装置抑制其对高分辨率、高精度航天器的影响。因此，研究新型的无源隔振方法，集成并结合主动和被动隔振优点，能兼顾隔振频率、高频衰减率和共振放大特性，同时适应空间环境，具有重要的理论意义和应用价值。

目前，为保证航天器的高可靠性，选用被动隔振设备进行航天器微振动控制仍然不失为一种重要途径。然而，由于有效载荷对微振动的极度敏感性以及其固有的宽频性，对于隔振设备的一个苛刻要求便是同时满足起始隔振频率低、高频衰减率高、共振放大系数小等指标，而传统的隔振设备显然无法提供这样的功能。

准零刚度隔振技术是一项新兴的非常有代表性的低频隔振技术。它的基本思想是：利用正负刚度的组合，得到高的静刚度和低的动刚度。准零刚度隔振器在平衡位置处的组合刚度趋于零，而系统的静刚度又未降低，所以在小幅振动下，系统同时具有高静刚度和低动刚度的特性，属于非线性隔振器的范畴。高静刚度使得系统的静变形量很小；低动刚度可以减小系统的固有频率，从而可以扩大隔振区间；这样就保证了系统既具有软弹簧的隔振优点，又具有较小的固有频率，权衡了静位移与隔振效果之间的矛盾。国内外已有的报道中，通常将三个线性或非线性的弹簧进行组合，通过参数优化设计，实现准零刚度隔振系统。国内的学者利用碟形弹簧的负刚度原理，设计了用于低频精密隔振的隔振器，碟形弹簧在高厚比大于2时会有负刚度现象出现，所设计的隔振器经过试验验证其固有频率在0.2Hz以下。一些学者利用滑动梁结构在载荷到达一定程度后会出现负刚度的原理设计了低频隔振器模型，并对其进行了数值仿真及试验研究。一些学者使用同极相斥的磁弹簧代替产生负刚度的弹簧，对组成的准零刚度隔振器进行了理论和实验研究。这些隔振器在低频隔振方面有良好的效果，但是存在诸如材料与几何非线性强，性能不稳定、建模困难、工程造价较高以及重量较大等问题。

非对称复合材料层合板具有负刚度特性，且可设计性较强。目前，结合非对称复合材料层合板的负刚度特性进行振动抑制及隔振的研究尚未见报道。本发明将基于非对称层合板，发展一种满足航天器隔振性能要求、适应空间环境的新型全频带隔振系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于非对称复合材料层合板的准零刚度隔振器，其能够利用非对称双稳定层合板的负刚度特性、质量轻及结构简单的优点，实现了总体设计简单、质量轻、可靠性高及传递率低的准零刚度隔振器，且适用于空间环境，可用于航天器中精密单机的被动隔振。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于非对称复合材料层合板的准零刚度隔振器，其包括悬臂刚性底座、弹簧保护筒、非对称复合材料层合板本体、输入杆、第一线性弹簧、第二线性弹簧、第一刚性连杆、第二刚性连杆、第三刚性连杆、第四刚性连杆、第一十字万向节、第二十字万向节、第三十字万向节、第四十字万向节、第五十字万向节、第六十字万向节、第七十字万向节、第八十字万向节，第一十字万向节、第二十字万向节、第三十字万向节、第四十字万向节都与悬臂刚性底座相连，第一十字万向节位于第二十字万向节的右边，第三十字万向节位于第二十字万向节的左边，第四十字万向节位于第三十字万向节的左边，第四十字万向节位于第一十字万向节的左边，弹簧保护筒安装在悬臂刚性底座的正中间相连，弹簧保护筒位于第一十字万向节和第三十字万向节之间，弹簧保护筒位于第二十字万向节和第四十字万向节之间，第五十字万向节、第六十字万向节、第七十字万向节、第八十字万向节都与非对称复合材料层合板本体相连，第五十字万向节位于第六十字万向节右边，第六十字万向节位于第七十字万向节的右边，第七十字万向节位于第八十字万向节右边，第五十字万向节位于第八十字万向节的左边，第二十字万向节通过第二刚性连杆与第六十字万向节相连，第一十字万向节通过第一刚性连杆与第五十字万向节相连，第三十字万向节通过第三刚性连杆与第七十字万向节相连，第四十字万向节通过第四刚性连杆与第八十字万向节相连，弹簧保护筒、非对称复合材料层合板本体、第一线性弹簧、第二线性弹簧都与输入杆相连，弹簧保护筒位于非对称复合材料层合板本体的下方，第一线性弹簧、第二线性弹簧都安装在弹簧保护筒的内部，第一线性弹簧与第二线性弹簧相连。

优选地，所述悬臂刚性底座上设有多个圆孔。

优选地，所述弹簧保护筒上设有多个安装孔。

优选地，所述非对称复合材料层合板本体上设有多个圆孔。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

一、本发明通过利用非对称复合材料层合板的自身负刚度特性，实现了准零刚度设计，其结构简单使用非对称复合材料层合板作为非线性部件，其重量明显降低；

二、本发明中非对称复合材料层合板本体在很小的变形范围内具有负刚度特性，对微振动隔振效果明显；

三、本发明中非对称复合材料层合板本体的可设计系强，便于针对不同应用工况的优化；

四、本发明基于非对称复合材料层合板的准零刚度隔振器，结构简单，可靠性高，具有很强的空间环境适应能力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明基于非对称复合材料层合板的准零刚度隔振器包括悬臂刚性底座1、弹簧保护筒2、非对称复合材料层合板本体3、输入杆 4、第一线性弹簧5、第二线性弹簧6、第一刚性连杆7、第二刚性连杆8、第三刚性连杆9、第四刚性连杆10、第一十字万向节11、第二十字万向节 12、第三十字万向节13、第四十字万向节14、第五十字万向节15、第六十字万向节16、第七十字万向节17、第八十字万向节18，第一十字万向节11、第二十字万向节12、第三十字万向节13、第四十字万向节14都与悬臂刚性底座1相连，第一十字万向节11位于第二十字万向节12的右边，第三十字万向节13位于第二十字万向节12的左边，第四十字万向节14位于第三十字万向节13的左边，第四十字万向节14位于第一十字万向节11的左边，弹簧保护筒2安装在悬臂刚性底座1的正中间相连，弹簧保护筒2位于第一十字万向节11和第三十字万向节13之间，弹簧保护筒2位于第二十字万向节12和第四十字万向节14之间，第五十字万向节15、第六十字万向节16、第七十字万向节17、第八十字万向节18都与非对称复合材料层合板本体3 相连，第五十字万向节15位于第六十字万向节16右边，第六十字万向节16 位于第七十字万向节17的右边，第七十字万向节17位于第八十字万向节18 右边，第五十字万向节15位于第八十字万向节18的左边，第二十字万向节 12通过第二刚性连杆8与第六十字万向节16相连，第一十字万向节11通过第一刚性连杆7与第五十字万向节15相连，第三十字万向节13通过第三刚性连杆9与第七十字万向节17相连，第四十字万向节14通过第四刚性连杆 10与第八十字万向节18相连，弹簧保护筒2、非对称复合材料层合板本体3、第一线性弹簧5、第二线性弹簧6都与输入杆4相连，弹簧保护筒2位于非对称复合材料层合板本体3的下方，第一线性弹簧5、第二线性弹簧6都安装在弹簧保护筒2的内部，第一线性弹簧5与第二线性弹簧6相连。

所述悬臂刚性底座1上设有多个圆孔，这样方便连接。

所述弹簧保护筒2上设有多个安装孔，这样方便拆卸。

所述非对称复合材料层合板本体3上设有多个圆孔，这样方便连接。

所述第一十字万向节11、第二十字万向节12、第三十字万向节13、第四十字万向节14、第五十字万向节15、第六十字万向节16、第七十字万向节17、第八十字万向节18上都设有多个圆孔，这样方便固定。

本发明中悬臂刚性底座1、弹簧保护筒2、非对称复合材料层合板本体3、输入杆4、第一线性弹簧5、第二线性弹簧6、第一刚性连杆7、第二刚性连杆8、第三刚性连杆9、第四刚性连杆10、第一十字万向节11、第二十字万向节12、第三十字万向节13、第四十字万向节14、第五十字万向节15、第六十字万向节16、第七十字万向节17、第八十字万向节18的尺寸都没有明确规则，悬臂刚性底座1、弹簧保护筒2、非对称复合材料层合板本体3、输入杆4、第一线性弹簧5、第二线性弹簧6、第一刚性连杆7、第二刚性连杆 8、第三刚性连杆9、第四刚性连杆10、第一十字万向节11、第二十字万向节12、第三十字万向节13、第四十字万向节14、第五十字万向节15、第六十字万向节16、第七十字万向节17、第八十字万向节18的尺寸都可根据需求进行设计，这样能提高实用性。

本发明的工作原理如下：悬臂刚性底座作为振动的输出端，弹簧保护筒起保护作用，非对称复合材料层合板本体具有负刚度特性，输入杆作为振动输入端，第一线性弹簧、第二线性弹簧都用于提供线性刚度第一刚性连杆、第二刚性连杆、第三刚性连杆、第四刚性连杆都起连接作用，第一十字万向节、第二十字万向节、第三十字万向节、第四十字万向节、第五十字万向节、第六十字万向节、第七十字万向节、第八十字万向节都连接作用，，悬臂刚性底座与输入杆之间通过弹簧保护筒、第一线性弹簧、第二线性弹簧与非对称复合材料层合板本体进行连接，这样形成准零刚度特性，结构简单，且能够降低重量。

本发明利用非对称复合材料层合板本体的负刚度特性，使其中心点与输出支座之间通过第一线性弹簧、第二线性弹簧进行连接，使其四角与输出支座之间通过第一刚性连杆、第二刚性连杆、第三刚性连杆、第四刚性连杆及第一十字万向节、第二十字万向节、第三十字万向节、第四十字万向节、第五十字万向节、第六十字万向节、第七十字万向节、第八十字万向节进行连接；非对称复合材料层合板本体在自由状态下具有两种稳定构型，其稳定构型的形状为圆筒形；当非对称复合材料层合板本体的中心点固定，并在其四角施加垂直于平面方形的载荷时，非对称复合材料层合板本体将能够从第一种稳定构型跳变成第二种稳定构型，并且在跳变的过程中显示出负刚度特性；通过调整第一刚性连杆、第二刚性连杆、第三刚性连杆、第四刚性连杆都的长度，使得非对称复合材料层合板本体的变形处于负刚度范围；非对称复合材料层合板本体与第一线性弹簧、第二线性弹簧整体组成准零刚度非线性隔振结构，其固有频率在0.2Hz(赫兹)以下。

以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于非对称复合材料层合板的准零刚度隔振器，其特征在于，其包括悬臂刚性底座、弹簧保护筒、非对称复合材料层合板本体、输入杆、第一线性弹簧、第二线性弹簧、第一刚性连杆、第二刚性连杆、第三刚性连杆、第四刚性连杆、第一十字万向节、第二十字万向节、第三十字万向节、第四十字万向节、第五十字万向节、第六十字万向节、第七十字万向节、第八十字万向节，第一十字万向节、第二十字万向节、第三十字万向节、第四十字万向节都与悬臂刚性底座相连，第一十字万向节位于第二十字万向节的右边，第三十字万向节位于第二十字万向节的左边，第四十字万向节位于第三十字万向节的左边，第四十字万向节位于第一十字万向节的右边，弹簧保护筒与悬臂刚性底座的正中间相连，弹簧保护筒位于第一十字万向节和第三十字万向节之间，弹簧保护筒位于第二十字万向节和第四十字万向节之间，第五十字万向节、第六十字万向节、第七十字万向节、第八十字万向节都与非对称复合材料层合板本体相连，第五十字万向节位于第六十字万向节右边，第六十字万向节位于第七十字万向节的右边，第七十字万向节位于第八十字万向节右边，第五十字万向节位于第八十字万向节的左边，第二十字万向节通过第二刚性连杆与第六十字万向节相连，第一十字万向节通过第一刚性连杆与第五十字万向节相连，第三十字万向节通过第三刚性连杆与第七十字万向节相连，第四十字万向节通过第四刚性连杆与第八十字万向节相连，弹簧保护筒、非对称复合材料层合板本体、第一线性弹簧、第二线性弹簧都与输入杆相连，弹簧保护筒位于非对称复合材料层合板本体的下方，第一线性弹簧、第二线性弹簧都安装在弹簧保护筒的内部，第一线性弹簧与第二线性弹簧相连。

2.如权利要求1所述的基于非对称复合材料层合板的准零刚度隔振器，其特征在于，所述悬臂刚性底座上设有多个圆孔。

3.如权利要求1所述的基于非对称复合材料层合板的准零刚度隔振器，其特征在于，所述弹簧保护筒上设有多个安装孔。

4.如权利要求1所述的基于非对称复合材料层合板的准零刚度隔振器，其特征在于，所述非对称复合材料层合板本体上设有多个圆孔。