CN108240415B - 复合屈曲梁/板负刚度动力吸振器的大载荷高阻尼减振器 - Google Patents

复合屈曲梁/板负刚度动力吸振器的大载荷高阻尼减振器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种复合屈曲梁/板负刚度动力吸振器的大载荷高阻尼减振器，减振器内嵌有动力吸振器，其中，减振器包括上连接件、弹性元件、下连接件，弹性元件连接在上连接件和下连接件之间；所述动力吸振器包括依次设置的弹性体、质量块和复合屈曲梁/板结构，所述弹性体与所述上连接件连接；所述复合屈曲梁/板结构包括负刚度元件，所述负刚度元件与所述质量块连接；当所述减振器在额定载荷作用下，会同时压缩所述弹性元件和所述动力吸振器，使得所述复合屈曲梁/板结构处于负刚度工作点。本发明在减振器内嵌有动力吸振器，并采用负刚度元件来提供等效的惯性力，通过该技术措施使提出的减振器满足宽频带隔振、以较小的质量实现在峰值处的高阻尼。

Description

复合屈曲梁/板负刚度动力吸振器的大载荷高阻尼减振器
技术领域
本发明涉及一种减振器，特别涉及一种复合屈曲梁/板负刚度动力吸振器的大载荷高阻尼减振器。
背景技术
在精密仪器加工设备、船用机械设备等场合，为了减小地基的振动向加工平台传递、减小设备的激励力向船体基座结构传递，通常采用隔振技术，进行消极隔振和积极隔振。在目前的隔振技术中，为了满足稳定性的要求，隔振系统的隔振频率通常无法设计得较低，造成部分激励的频率成分位于隔振系统的隔振频率之前，无法起到隔振作用，或激励的频率成分虽然高于隔振频率，但是靠的较近，隔振对于抑制该线谱的振动传递效果非常有限。
随着机械设备向着大载荷的方向发展，同时隔振器的安装空间受限(特别是针对船用设备减振器)，因此发展出了许多大载荷的隔振器。针对大载荷的隔振器，由于在固有频率一定的情况下，大载荷意味着大刚度。对于这类大载荷大刚度隔振器，为了承受大的载荷，通常其阻尼比小载荷小刚度的隔振器小(比如说对于橡胶隔振器通常由橡胶的材料阻尼以及剪切型橡胶波型转换产生的阻尼构成)，在隔振频率处的共振峰响应较大。为了达到高静低动的目的，通常需要并联负刚度结构，由于本身的刚度较大，为了抵消一定比例的刚度，所需的负刚度也较大，在有限空间中实现大的负刚度很难，对于大载荷减振器实现高静低动非常困难。由于动力吸振器的质量块质量与设备质量有一个最佳的质量比(通常需做到0.1～0.2左右)，在有限空间中针对大载荷隔振器配套的动力吸振器也非常困难。
为了改善上述矛盾，一种方法是采用高静低动隔振器，但是高静低动隔振器仍然存在工作点较窄、在工作点附近动态激励下的响应幅值较大等问题；另一种方法是采用动力吸振器，采用动力吸振器对于低频激励频率成分非常困难，最主要的问题是为满足低频吸振频率所需的质量块非常大。
发明内容
为实现宽频带的振动隔离的同时以较小的质量代价实现动力吸振，利用吸振和阻尼来实现高阻尼，本发明的目的在于提供一种复合屈曲梁/板负刚度动力吸振器的大载荷高阻尼减振器，在减振器内嵌有动力吸振器，并采用负刚度元件来提供等效的惯性力，通过该技术措施使提出的减振器满足宽频带隔振、以较小的质量实现在峰值处的高阻尼。
为了解决上述问题，本发明提供了一种复合屈曲梁/板负刚度动力吸振器的大载荷高阻尼减振器，所述减振器内嵌有动力吸振器，其中：
所述减振器包括上连接件、弹性元件、下连接件，所述弹性元件连接在所述上连接件和下连接件之间；
所述动力吸振器包括依次设置的弹性体、质量块和复合屈曲梁/板结构，所述弹性体与所述上连接件连接；所述复合屈曲梁/板结构包括负刚度元件，所述负刚度元件与所述质量块连接；
当所述减振器在额定载荷作用下，会同时压缩所述弹性元件和所述动力吸振器，使得所述复合屈曲梁/板结构处于负刚度工作点。
依照本申请较佳实施例所述的复合屈曲梁/板负刚度动力吸振器的大载荷高阻尼减振器，所述质量块采用大密度材料。
依照本申请较佳实施例所述的复合屈曲梁/板负刚度动力吸振器的大载荷高阻尼减振器，所述弹性体为橡胶块。
依照本申请较佳实施例所述的复合屈曲梁/板负刚度动力吸振器的大载荷高阻尼减振器，所述弹性元件为橡胶材料，所述弹性元件具有横向刚度可以补偿所述上连接件产生的横向变形，使得所述负刚度元件保持沿着梁/板的弯曲方向运动。
依照本申请较佳实施例所述的复合屈曲梁/板负刚度动力吸振器的大载荷高阻尼减振器，所述复合屈曲梁/板结构的负刚度元件的初始位置为其刚刚失稳位置，并通过所述弹性元件的刚度、所述动力吸振器的静刚度与所述负刚度元件的静刚度相互匹配来确定；
所述复合屈曲梁/板结构在吸振时的运动最大位置由所述动力吸振器的质量块的振幅决定，并且所述复合屈曲梁/板结构的几何参数可保证其负刚度与所述动力吸振器的弹性体的刚度串联刚度的绝对值始终小于所述弹性元件的刚度。
依照本申请较佳实施例所述的复合屈曲梁/板负刚度动力吸振器的大载荷高阻尼减振器，所述复合屈曲梁/板结构的负刚度元件为刀口滑动梁结构，所述刀口滑动梁结构的顶部中心通过连接件与所述质量块连接，所述刀口滑动梁结构的两端通过所述复合屈曲梁/板结构的支撑刀口支撑。
依照本申请较佳实施例所述的复合屈曲梁/板负刚度动力吸振器的大载荷高阻尼减振器，所述刀口滑动梁结构包括若干刀口滑动梁，若干所述刀口滑动梁通过所述连接件构成一体。
依照本申请较佳实施例所述的复合屈曲梁/板负刚度动力吸振器的大载荷高阻尼减振器，所述复合屈曲梁/板结构的负刚度元件包括若干倒置的屈曲梁，若干倒置的屈曲梁交叉连接为一体，在各个所述屈曲梁的交叉位置设有一伸出结构，所述伸出结构卡在所述质量块中，所述屈曲梁的底部为一公共基座。
依照本申请较佳实施例所述的复合屈曲梁/板负刚度动力吸振器的大载荷高阻尼减振器，所述复合屈曲梁/板结构的负刚度元件为屈曲板，所述屈曲板的中心设有一伸出结构，所述伸出结构卡在所述质量块中，所述屈曲板的四个角点位置与所述减振器的底座连接。
依照本申请较佳实施例所述的复合屈曲梁/板负刚度动力吸振器的大载荷高阻尼减振器，所述屈曲板采用非对称复合材料层合板非对称铺层。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：
本发明提供一种复合屈曲梁/板负刚度动力吸振器的大载荷高阻尼减振器，内嵌有阻尼动力吸振器、该有阻尼动力吸振器采用负刚度元件来提供等效的惯性力，通过该技术措施使提出的减振器满足宽频带隔振、以较小的质量实现在峰值处的高阻尼。当该隔振装置应用于机械设备的振动隔离时，弹性元件提供隔振，质量块和弹性块作为垂向动力吸振器吸振，屈曲梁/板结构负刚度在振动时提供惯性力可减少动力吸振器对质量块质量的要求。该隔振装置结构紧凑、原理简单、安装方便。
附图说明
图1为本发明复合屈曲梁/板负刚度动力吸振器的大载荷高阻尼减振器的实施例一的结构示意图；
图2为本发明复合屈曲梁/板负刚度动力吸振器的大载荷高阻尼减振器的实施例二的结构示意图；
图3为本发明复合屈曲梁/板负刚度动力吸振器的大载荷高阻尼减振器的实施例三的结构示意图；
图4为本发明复合屈曲梁/板负刚度动力吸振器的大载荷高阻尼减振器的结构原理图。
具体实施方式
以下结合附图，举一具体实施例加以详细说明。
请参考图1—图3，一种复合屈曲梁/板负刚度动力吸振器的大载荷高阻尼减振器，所述减振器内嵌有动力吸振器，其中
所述减振器包括上连接件1、弹性元件2、下连接件3，所述弹性元件2连接在所述上连接件1和下连接件3之间；
所述动力吸振器包括依次设置的弹性体4、质量块5和复合屈曲梁/板结构，所述弹性体4与所述上连接件1连接；所述复合屈曲梁/板结构包括负刚度元件7，所述负刚度元件7与所述质量块5连接；
当所述减振器在额定载荷作用下，会同时压缩所述弹性元件2和所述动力吸振器，使得所述复合屈曲梁/板结构处于负刚度工作点(动刚度)。弹性元件2提供隔振，质量块5和弹性体4构成动力吸振器实现吸振，屈曲梁/板结构负刚度在振动时可提供等效的惯性力，以减少动力吸振器对质量块5质量的要求，橡胶块提供的阻尼能够有效抑制由于吸振所产生的两个峰值。
在初始设计时，内嵌屈曲梁/板结构的负刚度元件7的动力吸振器构成的吸振频率为所需控制的隔振频率。
为了与内嵌屈曲梁/板结构负刚度元件7相匹配，所述质量块5采用大密度材料；所述弹性体4为橡胶块；所述弹性元件2采用橡胶材料，橡胶弹性元件2具有垂向刚度较易设计、横向刚度可以补偿所述上连接件1发生倾斜等原因产生的横向变形等优点，使得所述负刚度元件7保持沿着梁/板的弯曲方向运动。
在本实施例中，为了扩大隔振装置允许使用的变形范围，所述复合屈曲梁/板结构的负刚度元件7的初始位置为其刚刚失稳位置，并通过所述弹性元件2的刚度、所述动力吸振器的静刚度与所述负刚度元件7的静刚度相互匹配来确定；
所述复合屈曲梁/板结构在吸振时的运动最大位置由所述动力吸振器的质量块5的振幅决定，并且所述复合屈曲梁/板结构的几何参数可保证其负刚度与所述动力吸振器的弹性体4的刚度串联刚度的绝对值始终小于所述弹性元件2的刚度。
请参考图1，作为实施例一，所述复合屈曲梁/板结构的负刚度元件7为刀口滑动梁结构，所述刀口滑动梁结构的顶部通过连接件6与所述质量块5连接，所述刀口滑动梁结构的两端通过所述复合屈曲梁/板结构的支撑刀口8支撑。
在本实施例中，优选刀口滑动梁结构的中心通过连接件6与质量块5连接。
进一步的，所述刀口滑动梁结构包括若干刀口滑动梁，刀口滑动梁的个数根据所需的负刚度来设计，若干所述刀口滑动梁通过所述连接件6构成一体。
为了实现刀口滑动梁与质量块5的可靠连接，并且保证屈曲梁/板结构的负刚度位于要求刚度范围之内，设计负刚度元件7与质量块5的连接件6使屈曲梁/板结构与质量块5的接触点始终位于屈曲梁/板结构的中心、屈曲梁/板结构的支撑刀口8对滑动梁的最大滑动距离进行限位。
请参考图2，作为实施例二，将实施例一中的刀口滑动梁结构倒置，刀口滑动梁结构的中心与质量块5连接，当梁中心受压时，发生弯曲变形，弯曲变形达到一定变形量后，发生屈曲，屈曲梁提供负刚度。倒置的屈曲梁结构较为简单，屈曲梁、连接结构采用一体结构，即本实施例的所述复合屈曲梁/板结构的负刚度元件7包括若干倒置的屈曲梁，若干倒置的屈曲梁交叉连接为一体，在各个所述屈曲梁的交叉位置设有一伸出结构10，所述伸出结构10卡在所述质量块5中，保证屈曲梁随着质量块5一起运动，所述屈曲梁的底部为一公共基座9。
在本实施例中，若干倒置的屈曲梁均以某一中心点交叉，本实施例中的伸出结构10便设置在此中心点上。
请参考图3，作为实施例三，所述复合屈曲梁/板结构的负刚度元件7为屈曲板，所述屈曲板的中心设有一伸出结构10，所述伸出结构10卡在所述质量块5中，保证屈曲梁随着质量块5一起运动，所述屈曲板的四个角点位置与所述减振器的底座11连接。
在本实施例中，屈曲板在中心受压时，发生构型转变，当出现鞍形的非稳定构型时，提供负刚度。屈曲板的一种实现方式可采用非对称复合材料层合板，采用非对称铺层，层板在制造过程中是平板构型，由于预浸料在垂直纤维方向的热膨胀系数与沿纤维方向热膨胀系数不同，在层板冷却至室温的过程中，垂直纤维方向与沿纤维方向均产生残余预应力，层板在残余应力作用下产生固化变形，在其受力时在构型转变过程中可实现负刚度。为与质量块5连接，屈曲板中心有一伸出结构10，伸出结构10卡在质量块5中，保证屈曲板随着质量块5一起运动。屈曲板结构简单、占用空间少、无需复杂的机构。
在本实施例中，当质量块5与被隔振设备的质量之比为0.003时，弹性体4的刚度根据隔振频率进行设计，使吸振器的固有频率在隔振频率的5％之内，复合屈曲梁/板结构的负刚度元件7的负刚度与弹性元件2的刚度之比为-0.08～-0.1，由此可获得最优阻尼比约为0.13～0.15时，实现隔振和吸振频率处的模态阻尼比达到0.2以上，放大比小于3。
请参考图4，弹性元件2和动力吸振器设置在上连接件1和下连接件3之间，上连接件1和下连接件3等效为黑色阴影部分近似刚性，弹性元件2等效为弹簧ks，动力吸振器的弹性体4和质量块5等效为弹簧ke和阻尼c，负刚度元件7等效为负刚度kn(kn<0)。假设质量块5的自由度为x，当动力吸振器的质量块5质量m，在设备的激励下以频率ω振动时，质量块提供的惯性力为-mω2x<0，负刚度元件7提供的力为knx<0，因此质量块5的惯性力与负刚度元件7提供的力同号，因此负刚度元件7相当于提供了一部分惯性力，如需满足同样的吸振频率，增加负刚度元件7可减小对质量块5的要求。
以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种复合屈曲梁/板负刚度动力吸振器的大载荷高阻尼减振器，其特征在于，所述减振器内嵌有动力吸振器，其中：
所述减振器包括上连接件、弹性元件、下连接件，所述弹性元件连接在所述上连接件和下连接件之间；
所述动力吸振器包括依次设置的弹性体、质量块和复合屈曲梁/板结构，所述弹性体与所述上连接件连接；所述复合屈曲梁/板结构包括负刚度元件，所述负刚度元件与所述质量块连接；
当所述减振器在额定载荷作用下，会同时压缩所述弹性元件和所述动力吸振器，使得所述复合屈曲梁/板结构处于负刚度工作点。
2.如权利要求1所述的复合屈曲梁/板负刚度动力吸振器的大载荷高阻尼减振器，其特征在于，所述质量块采用大密度材料。
3.如权利要求1所述的复合屈曲梁/板负刚度动力吸振器的大载荷高阻尼减振器，其特征在于，所述弹性体为橡胶块。
4.如权利要求1所述的复合屈曲梁/板负刚度动力吸振器的大载荷高阻尼减振器，其特征在于，所述弹性元件为橡胶材料，所述弹性元件具有横向刚度可以补偿所述上连接件产生的横向变形，使得所述负刚度元件保持沿着梁/板的弯曲方向运动。
5.如权利要求1所述的复合屈曲梁/板负刚度动力吸振器的大载荷高阻尼减振器，其特征在于，所述复合屈曲梁/板结构的负刚度元件的初始位置为其刚刚失稳位置，并通过所述弹性元件的刚度、所述动力吸振器的静刚度与所述负刚度元件的静刚度相互匹配来确定；
所述复合屈曲梁/板结构在吸振时的运动最大位置由所述动力吸振器的质量块的振幅决定，并且所述复合屈曲梁/板结构的几何参数可保证其负刚度与所述动力吸振器的弹性体的刚度串联刚度的绝对值始终小于所述弹性元件的刚度。
6.如权利要求1所述的复合屈曲梁/板负刚度动力吸振器的大载荷高阻尼减振器，其特征在于，所述复合屈曲梁/板结构的负刚度元件为刀口滑动梁结构，所述刀口滑动梁结构的顶部中心通过连接件A与所述质量块连接，所述刀口滑动梁结构的两端通过所述复合屈曲梁/板结构的支撑刀口支撑。
7.如权利要求6所述的复合屈曲梁/板负刚度动力吸振器的大载荷高阻尼减振器，其特征在于，所述刀口滑动梁结构包括若干刀口滑动梁，若干所述刀口滑动梁通过所述连接件A构成一体。
8.如权利要求1所述的复合屈曲梁/板负刚度动力吸振器的大载荷高阻尼减振器，其特征在于，所述复合屈曲梁/板结构的负刚度元件包括若干倒置的屈曲梁，若干倒置的屈曲梁交叉连接为一体，在各个所述屈曲梁的交叉位置设有一伸出结构，所述伸出结构卡在所述质量块中，所述屈曲梁的底部为一公共基座。
9.如权利要求1所述的复合屈曲梁/板负刚度动力吸振器的大载荷高阻尼减振器，其特征在于，所述复合屈曲梁/板结构的负刚度元件为屈曲板，所述屈曲板的中心设有一伸出结构，所述伸出结构卡在所述质量块中，所述屈曲板的四个角点位置与所述减振器的底座连接。
10.如权利要求9所述的复合屈曲梁/板负刚度动力吸振器的大载荷高阻尼减振器，其特征在于，所述屈曲板采用非对称复合材料层合板非对称铺层。
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