CN108533653B - 一种能提供稳定负刚度值的负刚度结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能提供稳定负刚度值的负刚度结构，属于低频隔振技术领域，包括支撑座、基座和至少一对负刚度单元；负刚度单元包括连杆传动机构、上磁体、中磁体和下磁体，并且上磁体、中磁体和下磁体为从上至下依次间隔相应设置，中磁体与上磁体、下磁体均相斥，连杆传动机构包括上连杆、中连杆和下连杆，上连杆顶端与支撑座铰接连接、底端与中连杆铰接连接，中连杆与中磁体固定连接，下连杆顶端与中连杆铰接连接、底端与基座铰接连接。本发明是一种能提供稳定负刚度值的负刚度结构。

Description

一种能提供稳定负刚度值的负刚度结构

技术领域

本发明属于低频隔振技术领域，尤其涉及一种能提供稳定负刚度值的负刚度结构。

背景技术

随着科学技术的快速发展，光学工业、感光化学、航空航天等诸多领域正向着前所未有的高精度发展，这相应地对工作环境提出了更为严苛的要求。而一直以来，振动都是机械加工制造和精密仪器测量控制等过程中难以避免的不利因素，它不仅会产生噪声，更能降低生产精度，甚至缩减产品寿命。在精密和超精密加工及测控中，低频和超低频振动的危害尤为突出。

为了尽可能消除低频和超低频振动的危害，当前有很多基于正负刚度并联的隔振结构的研究。该结构不仅能有效解决传统单纯被动隔振结构对低频和超低频振动隔离效果差的问题，更有着主动和半主动隔振结构所不具备的结构简单、成本低廉的优势，而其关键就是所包含的负刚度结构。

但目前常见的负刚度结构仍然存在一些问题，尤其是负刚度值的非线性较强,会随负刚度结构的位移行程发生显著变化，难以在整个工作位移范围内保持稳定，一旦工作位移范围较大，负刚度值甚至会急剧衰减，这就导致整个结构在工作中无法保持稳定不变的性质，同时也限制了这样的负刚度结构在更多场合的应用。而在分析计算时，由于其非线性较强，一般只能在微小振动即工作位移范围很小时将其负刚度值视作不变或线性，大大增加了计算的复杂性。

现有的负刚度结构种类很多，可以说几乎所有的负刚度结构都存在刚度值不稳定和非线性的情况，例如专利号为201620601123.5(公告号为CN205824020U)的中国专利公开的“一种剪式准零刚度隔振器”，专利号为201710265068.6(公告号为CN106870615A)的中国专利公开的“一种基于正负刚度并联原理的盘形非线性低频隔振器”，专利号为201510813154.7(公告号为CN106763466A)的中国专利公开的“一种新型正负刚度并联低频隔振机构”，等专利中提到和使用的负刚度结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种能提供稳定负刚度值的负刚度结构。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种能提供稳定负刚度值的负刚度结构，包括支撑座、基座和至少一对负刚度单元；

负刚度单元包括连杆传动机构、上磁体、中磁体和下磁体，并且上磁体、中磁体和下磁体为从上至下依次间隔相应设置，中磁体与上磁体、下磁体均相斥，连杆传动机构包括上连杆、中连杆和下连杆，上连杆顶端与支撑座铰接连接、底端与中连杆铰接连接，中连杆与中磁体固定连接，下连杆顶端与中连杆铰接连接、底端与基座铰接连接；

一对负刚度单元包括左右设置的两负刚度单元，左侧负刚度单元的上磁体固设在支撑座上、下磁体固设在基座上，右侧负刚度单元的上磁体固设在基座上、下磁体固设在支撑座上。

负刚度单元处于静平衡位置时，上磁体、下磁体分别与中磁体等距。

一对负刚度单元中的两负刚度单元均处于静平衡时是左右对称设置的。

负刚度单元处于静平衡位置时，所述中磁体的中心与上磁体的中心、下磁体的中心均位于同一铅垂线上，所述负刚度单元在静平衡位置时不产生力，动态时刚度则为负。

所述上磁体的长度、下磁体的长度均与所述中磁体的长度不同，上磁体和下磁体的长度相同,上磁体、中磁体和下磁体的宽度、高度均相同或者基本相同。

在静平衡位置时，上连杆和下连杆均为竖向倾斜设置，上连杆和下连杆均与水平线呈锐角夹角设置。

支撑座用于与被隔振对象固定连接。

本发明所述的一种能提供稳定负刚度值的负刚度结构，其有益效果体现在以下方面：1.结构简单，易于安装使用；2.与现有的常见负刚度结构相比，在一定行程内，负刚度值非线性程度大幅降低,变化量大幅减小，具有更高的稳定性；3.与现有的常见负刚度结构相比，具有更大的许用工作位移，即可以在更大的工作位移行程内保持稳定的负刚度特性。

附图说明

图1是本发明的机构原理示意图；

图2是支撑座向下时的原理示意图；

图3是本发明的结构示意图；

图4是图3中的A-A视图；

图5是上连杆的结构示意图；

图6是下连杆的结构示意图；

图7是图3中的B向视图；

图8是左侧负刚度结构在支撑座下降后的位移以及受力示意图；

图9是简单结构的负刚度曲线出现“双峰值”的示意图；

图10是简单结构的负刚度曲线和新型结构的负刚度曲线对比图；

图11是新型结构的两负刚度单元的负刚度曲线和二者之和(即新型结构的总负刚度曲线)的示意图；

图12是新型结构中不同β值下的负刚度曲线图；

图中：下连杆1、下磁体2、中连杆3、中磁体4、上连杆5、上磁体6、支撑座7、基座8、中心9、铅垂线10、负刚度单元11、上套管12、销轴a13、套管b14、连接轴15、销轴b16、下套管17、套管a18、左连接架19、右连接架20、左支架21、右支架22、水平板23、中心线24。

具体实施方式

由图1-图8，以及图10-图12所示的一种能提供稳定负刚度值的负刚度结构，包括支撑座7、基座8和至少一对负刚度单元11，本实施例中，负刚度单元11设置一对，当然在不同场合应用时，可根据实际情况设置多对负刚度单元11。

负刚度单元11结构如下：包括连杆传动机构、上磁体6、中磁体4和下磁体2，上磁体6、中磁体4和下磁体2均为永磁铁或者均为电磁铁，本实施例中，上磁体6、中磁体4和下磁体2均为永磁铁；上磁体6、中磁体4和下磁体2为从上至下依次间隔相应设置，中磁体4与上磁体6、下磁体2均磁力相斥，中磁体4既与其上侧的上磁体6磁力相斥，又与其下侧的下磁体2磁力相斥，本实施例中，上磁体6的底端为S级，下磁体2的顶端为N级，中磁体4的顶端为与上磁体6底端磁力相斥的S级、底端为与下磁体2顶端磁力相斥的N级，上磁体6、中磁体4和下磁体2均为矩形的块状体，另左右方向为上磁体、中磁体和下磁体的长度方向,前后方向为上磁体、中磁体和下磁体的宽度方向，所述上磁体6的长度、下磁体2的长度均与所述中磁体4的长度不同，上磁体6的长度与下磁体2的长度相等，上磁体6、中磁体4和下磁体2三者的宽度、高度均相同或者基本相同，上磁体6和下磁体2二者的尺寸完全相同,另中磁体4的长度与上磁体6的长度的长度比为β,当然,中磁体4的长度与下磁体2的长度的长度比也为β,β≠1,这是让负刚度值近似线性的必要条件，具体在水平方向上的尺寸比是多少需要在设计的时候考虑，本实施例中，左右方向为长度方向，前后方向为宽度方向，中磁体4的长度比上磁体6长度长、也比下磁体2长度长；所述连杆传动机构包括上连杆5、中连杆3和下连杆1，上连杆5、中连杆3和下连杆1为从上至下依次设置，上连杆5和下连杆1均为竖向倾斜设置，中连杆3为横向设置，上连杆5顶端与支撑座7铰接连接、底端与中连杆3铰接连接，中连杆3与中磁体4通过胶粘接固定连接在一起，下连杆1顶端与中连杆3铰接连接、底端与基座8铰接连接，即中连杆3既与上连杆5铰接连接、又与下连杆1铰接连接，本实施例中，上连杆5、中连杆3和下连杆1均为圆柱状杆件,上连杆5和下连杆1等长，中连杆3与上连杆5(或者下连杆1)不等长,上连杆5和下连杆1对称地设置在中连杆3上下两侧，中连杆3一端粘接固设所述中磁体4、另一端固定连接一根与中连杆3垂直的水平延伸的连接轴15，中连杆3与连接轴15呈“T”字形设置，上连杆5顶端前侧焊接一个前后水平延伸的销轴a13、底端焊接连接一个套管a18,销轴a13与套管a18平行，下连杆1底端后侧焊接一个前后水平延伸的销轴b16、顶端焊接连接一个套管b14，销轴b16与套管b14平行，销轴a13和销轴b16均为前后水平延伸,所述套管a18和套管b14均为圆环柱状套管并均套设在连接轴15外圈，套管a18可环绕连接轴15做相对转动，实现上连杆5底端与中连杆3的铰接，套管b14也可环绕连接轴15做相对转动，实现下连杆1顶端与中连杆3的铰接，支撑座7通过焊接固设上套管12，基座8通过焊接固设下套管17，上连杆5顶端的销轴a13插入上套管12中并可在上套管12中转动以实现上连杆5顶端与支撑座7的铰接，下连杆1底端的销轴b16插入下套管17中并可在下套管17中转动以实现下连杆1底端与基座8的铰接；

所述支撑座7与基座8上下间隔设置，支撑座7用于与被隔振对象固定连接并随被隔振对象振动，被隔振对象通过螺钉或者通过焊接固设在支撑座7的上侧，被隔振对象是指需要进行低频隔振的物体，比如汽车悬架或精密仪器加工制造机械等等；本实施例中，支撑座7包括一块支撑板以及左右间隔地固设在支撑板下侧的左连接架19和右连接架20，左连接架19为焊接在支撑板下侧的直线型杆件，右连接架20为焊接在支撑板下侧的“L”字形的杆件(直杆折弯后可得“L”字形的杆件)，基座8包括底板和均固设在底板上侧固设的左支架和右支架，左支架21和右支架22左右间隔设置，左支架包括左右间隔的两立板和固设在两立板上侧的平板，右支架22包括前后间隔设置的两竖直板和固设在两竖直板上侧的水平板23。

基座8应相对整个系统中无振动的对象保持静止，即基座8被固定在地面或者地板上，始终静止不振动。

所述一对负刚度单元11包括左右间隔设置的两负刚度单元11，左侧负刚度单元11的上磁体6固设在支撑座7上并与基座8相间隔、下磁体2固设在基座8上并与支撑座7相间隔，右侧负刚度单元11的上磁体6固设在基座8上并与支撑座7相间隔、下磁体2固设在支撑座7上并与基座8相间隔，具体地，左侧负刚度单元11的上磁体6通过胶粘接固设在支撑座7的左连接架19的下侧、下磁体2通过胶粘接固定在基座8上，右侧负刚度单元11的上磁体6通过胶粘接固定在基座8的支架上、下磁体2通过胶粘接固定在支撑座7的右连接架20的底部，左侧负刚度单元11中的下磁体具体通过胶粘接固定在左支架21的平板上侧，右侧负刚度单元11中的上磁体固设在水平板23的下侧。

当负刚度单元11处于静平衡位置时：上磁体6、下磁体2分别与中磁体4等距，所述中磁体4的中心9与上磁体6的中心9、下磁体2的中心9均位于同一铅垂线10上，即同一负刚度单元11中的上磁体6与中磁体4之间的间距等于中磁体4与下磁体2之间的间距，并且在同一负刚度单元11中：上磁体6的中心9、中磁体4的中心9与下磁体2的中心9均位于同一铅垂线10上，上连杆5和下连杆1均为竖向倾斜设置，上连杆5和下连杆1均与水平线呈锐角夹角设置，负刚度单元11在静平衡位置时不产生力，动态时刚度则为负；一对负刚度单元11中的两负刚度单元11均处于静平衡时是左右间隔对称设置的，一对负刚度单元11中的两负刚度单元11的两连杆传动机构是左右间隔相邻的。

所述新型负刚度结构的工作过程如下：

由于整个结构需要与其他正刚度结构搭配使用，因此在实际使用时由正刚度结构提供支持力，且在正刚度结构使系统达到静平衡时施加所述新型负刚度结构。当每个负刚度单元11包含的中磁体4均分别与其上方上磁体6的中心9、其下方下磁体2的中心位于同一条铅垂线10上时，结构处于静平衡状态(即初始状态)，如图2中实线部分所示，此时中磁体4不受力，不影响系统的平衡和稳定。当受到扰动时，被隔振对象带动支撑座7运动，左侧附刚度单元中的上磁体和右侧负刚度单元中的下磁体均随支撑座7移动，中磁体既可以随着其连接的中连杆左右移动，又可以上下移动，同一连杆机构中：上连杆5和下连杆1始终对称分布在中连杆3的上下两侧，假设运动方向向下，如图2中，虚线部分所示为静平衡状态(即初始状态)，实线所示为运动方向向下时的状态，连杆传动机构会同时带动中磁体4向内运动(两个负刚度单元11关于一条竖直的中心线24左右对称,内向为指向该中心线24的方向)，从而脱离静平衡位置，由于磁斥力，将形成水平向内的负刚度，并通过传导，最终得到竖直向下的负刚度。与此同时，左侧负刚度单元的下磁体2和右侧负刚度单元的上磁体6始终是固定的不能移动，支撑座7向下运动会带动左侧负刚度单元的上磁体6和右侧负刚度单元的下磁体2同时向下运动，使左侧负刚度单元的三块磁体(上磁体6、中磁体4和下磁体2)在竖直方向上间距减小，同时右侧负刚度单元的三块磁体(上磁体6、中磁体4和下磁体2)间距增大，即支撑座7带动左侧负刚度单元的上磁体6和右侧负刚度单元的下磁体2产生竖直向下的位移。因为上、下磁体2对中磁体4的斥力比中磁体4本身的重力大很多，能达到其几十甚至上百倍，因此可以忽略两中磁体4的重力，从而由于竖直上下两个方向的斥力，中磁体4能分别始终保持在上磁体6和下磁体2的中间平面上。若被隔振对象带动支撑座7向上运动，分析与上述运动方向向下时对称，这里不再赘述。

下面通过附图和实例来说明一种能提供稳定负刚度值的新型结构(以下简称新型结构)的工作原理。

研究表明，目前常见简单的基于磁斥力的负刚度结构(以下简称简单结构)采用三块磁体布置，例如采用竖直间隔布置的三块相同尺寸的磁体时，这三块磁体分别为从上至下依次间隔的上方磁体、中间磁体和下方磁体，上方磁体与中间磁体磁力相斥，中间磁体和下方磁体磁力相斥，其中上方磁体和下方磁体均固定不动，中间磁体初始时(即静平衡时)位于上方磁体和下方磁体的连线中点处(即静平衡位置)，一旦中间磁体受到扰动脱离平衡位置开始工作，就可能沿任意水平方向移动，产生负刚度(具体方向视需要而定，可通过限制中间磁体只在某一水平方向上平移，从而获得该方向上的负刚度)。之前已经介绍过这种结构的缺点，其负刚度值出现在平衡位置处，开始工作后，负刚度会随中间磁体的位移逐渐减小，且位移越大减小幅度越大，表现出较强的非线性。

为了达到设计的新型结构的目的，并且由于新型结构的负刚度单元是基于简单结构的原理进行优化设计的，首先需要对原有简单结构的磁体尺寸进行优化。分析发现，按照上述介绍，限制原有简单结构的中间磁体仅在某一特定的水平方向平移后，当原有简单结构的上方磁体与下方磁体尺寸相同且与中间磁体在中间磁体产生位移的这个方向上的尺寸比≠1时，负刚度值曲线会出现“双峰值”现象，参考图9，中间磁体从初始位置向右水平移动为正，反之向左水平移动为负，在中间磁体从初始位置分别向右移动约4mm、向左移动约4mm，处会对称地出现两个负刚度峰值(由于是示意图故未给出具体刚度值)，即以中间磁体初始位置为原点，中间磁体分别移动+4mm、-4mm时，会对称地出现两个负刚度峰值。而当这个尺寸比以及中间磁体与上下方两磁体的间距的取值合适时，两峰值之间的刚度曲线仍为负且非线性程度有所下降，形式如图9所示，一般来说，不同尺寸的结构出现“双峰值”现象对应的具体尺寸比不同，设计所要求的非线性下降到何种程度也不同，具体在设计时只需比较不同尺寸比下对应的刚度曲线形状，选择最优的那个即可。另外磁体尺寸减小会降低负刚度值的非线性程度，但同时也会降低负刚度值大小，反之亦然，需要综合考虑。

为了进一步降低负刚度曲线的非线性程度，需要结合设计的新型结构，如图8所示为新型结构左侧负刚度单元11的局部示意图，坐标轴如图中所示，x轴为前后方向，y轴为左右方向，z轴为上下方向，新型结构仅在y-z平面内运动，即x方向位移始终为0。L为上连杆5及下连杆1的长度(上连杆5和下连杆1等长，均为L)，当中磁体4位于初始位置(静平衡位置，此时中磁体4的中心位于上磁体6中心和下磁体2中心的连线中点处)时：上连杆以及下连杆的高度相等且均为h，上连杆以及下连杆在水平方向的投影距离相等且均为d，z_d0为此时(静平衡时)中磁体4的中心与上磁体6中心的距离，z_d0同时为中磁体4的中心至下磁体2的中心的距离，z_d0称为基准间距，由前面的工作过程分析可知上磁体6中心至中磁体4中心之间的竖直距离与中磁体4中心至下磁体2中心之间的竖直距离始终相等。

整个结构从图8所示实线位置向下运动到虚线位置的过程中，支撑座7、上磁体6、中磁体4(中连杆3)均会下降，支撑座7相对初始位置时的竖直位移为z_M，中连杆3相对初始位置时的竖直位移为z_m，中磁体4和中连杆3还会右移，y_m为中磁体4右移到某一位置时的与其初始位置的水平距离。这一系列运动导致中磁体4与上磁体6和下磁体2的距离发生变化，当中磁体4右移y_m距离时，中磁体4的中心与上磁体6中心的竖直距离以及中磁体4中心与下磁体2的中心的竖直距离相等且均为z_d。根据几何关系可以得到这些变量之间的关系，如公式一所示：

其中，

C为上磁体6及下磁体2高度的一半。

这样就知道了任意时刻中磁体4与上磁体6和下磁体2之间的位置关系，结合每个磁体的磁极化强度和每个磁体的尺寸参数，依据名为“正负刚度并联精密主动隔振系统研究“的华中科技大学博士学位论文，可以计算出中磁体4在某一位置时，中磁体4受到的上磁体6和下磁体2的磁力，中磁体4离开平衡位置后，受上磁体6向下和向右的斥力，同时受下磁体2向上和向右的斥力，因为前面说过中磁体跟上下两磁体的距离始终相同，所以中磁体受到竖直方向合力为零，水平方向合力向右，中磁体4受到的这个水平向右的合力就是F_y。由于中磁体4和中连杆3固联在一起，中连杆3右端受力也为F_y，中连杆3受到力F_y之后右移，带动连杆机构运动，这个力F_y传导到上连杆5顶点就是F_z。

进而上连杆5使得支撑座7受力，为向下的力F_z，支撑座7受到的向下的力F_z(F_z同时也为上连杆5顶端受到的向下的力)的表达式为公式二：

根据刚度的定义，得到左侧负刚度单元在竖直方向上的刚度K_z，表达式为公式三：

公式三为教科书上记载的刚度定义式；

利用相似的分析方法，可以得到右侧负刚度结构在竖直方向上的刚度为K'_z。整个新型结构在竖直方向上的总刚度K表达式为公式四：

K＝K_z+K'_z

也就是说新型结构最终等效为刚度为K的纵向负刚度弹簧。

现有的研究表明，对于常见的简单磁斥力三磁体负刚度结构，中磁体与上下磁体距离越大，负刚度值越小，距离越小，负刚度值越大，表现为反比关系。对所设计的新型结构来说，支撑座7下降的过程中，左侧负刚度单元的中磁体4同时向右和向下移动，同时上磁体6向下移动，下磁体2保持不动，中磁体4与上磁体6和下磁体2的距离逐渐减小，左侧负刚度单元的负刚度值将逐渐增大；而右侧负刚度单元的中磁体4同时向左和向下移动，同时上磁体6固定不动，下磁体2向下移动，中磁体4与上磁体6和下磁体2的距离逐渐增大，右侧负刚度单元的负刚度值将逐渐减小；支撑座7上移的过程中，两边负刚度单元的变化则与此正好相反。在适当按照前述方法进行尺寸优化后，负刚度值的非线性有所降低，即负刚度值随中磁体的位移变化程度减小。所以这里前面所述的结构运动因素会成为影响负刚度值变化的主要因素，由于结构的对称性，左侧负刚度单元与右侧负刚度单元的刚度增减幅度大致相同，这就能使得总刚度K保持在一个较为稳定的范围内(可参考图11，两侧负刚度曲线之和为一个较理想的负刚度曲线，由于是示意图故图11未给出具体刚度值)。

下面分析其他结构参数对总刚度的影响。

对三磁体负刚度单元来说，增大z_d可以相应减小负刚度值并降低曲线非线性程度。若要使工作过程中参数z_d增大，降低K_z，可以取较大的z_d0。

传动模块的参数包括L、h、d，但当L一定时h确定相应就确定了d，故主要分析h。由公式一可知，y_m越大z_d变化越快非线性越强，且h增大会使机构工作在非线性度小的区段，同时由公式二知h增大也会使F_z增大从而提高K_z。

下面给出一个具体计算实例。

1.假设简单结构的所有磁体尺寸均初步确定为100mm×10mm×10mm(采用图8中的空间坐标系，三个尺寸分别为x、y、z方向上的尺寸，也即分别为前面具体实施方式中规定的宽度、长度、高度，下同)，上磁体6下磁体2与中磁体的基准间距初步确定为z_d0＝50mm，另外由于工作位移相对于传动机构尺寸较小时容易保持稳定，经过综合考虑，初步确定L＝250mm，h＝200mm。

2.作为比较，按照前面的介绍，同时计算出三块磁体尺寸均为100mm×10mm×10mm(宽×长×高)，上方磁体中心与中间磁体中心距离为50mm(同时也是下方磁体中心与中间磁体中心距离)的简单三磁体磁斥力负刚度结构的刚度曲线，见图10中的带“×”的曲线，其负刚度值最大为-1.2535×10⁴N/m，但可以看到其中间磁体行程增大时，负刚度值明显变化。行程是指按照前面介绍，限制其中间磁体仅沿某个水平方向移动后中间磁体从初始位置开始产生的位移。

3.下面进行新型结构的结构参数设计，为了给新型结构设定一个设计目标，同时便于进行对比，这里希望新型结构的负刚度值能达到上述简单结构的负刚度值-1.2535×10⁴N/m左右，而由于新型结构有两个负刚度单元，所以这里确定新型结构的负刚度值目标为-1.2535×10⁴N/m×2即-2.507×10⁴N/m，这样平均到每一个负刚度单元，负刚度值就能在-1.2535×10⁴N/m附近。

4.按照前面给出的计算方法，为了利用“双峰值”特性降低非线性，需要分析不同的中磁体4与上磁体6的长度比(由于上磁体6和下磁体2的尺寸相同，所以也即是中磁体4与下磁体6的长度比)下的刚度曲线。设中磁体4与上磁体6的长度比为β，如图12所示，为不同β对应的新型结构的总刚度曲线，可以看到β＝2、2.5、3、3.5时曲线的线性程度都较好，但为了能达到目标值附近，选择β＝3，此时新型结构的负刚度值大约在-2.5×10⁴N/m到-2.6×10⁴N/m之间。

5.这样，上磁体6和下磁体2的尺寸均为100mm×10mm×10mm(宽×长×高)，中磁体4的尺寸为100mm×30mm×10mm(宽×长×高)。这样新型结构的负刚度比目标值略大，为了进一步使新型结构的负刚度值趋近目标值，还需要进一步调整结构的参数。

6.前面的原理介绍中提到，h增大会降低新型结构的非线性程度，同时提高K_z；磁体尺寸减小会降低负刚度值的非线性程度，但同时也会降低负刚度值；增大z_d可以减小负刚度值并降低曲线非线性程度，若要使工作过程中参数z_d增大，降低负刚度值，可相应地取较大的基准间距z_d0。这里经过几次对h，z_d0和中磁体4在x方向的尺寸(即宽度)的微调，尝试对他们进行增减，使新型结构的负刚度值进一步趋近目标值，最终得到新型结构的具体参数，结果为：下磁体2、上磁体6尺寸为100mm×10mm×10mm，中磁体4尺寸为99.4mm×30mm×10mm，h＝210mm，z_d0＝57.2mm。原有简单结构与新型结构在相同行程下的刚度曲线比较如图10所示，当然简单结构的行程是指按照前面介绍，限制其中间磁体仅沿某个水平方向移动后中间磁体从初始位置开始产生的位移，而新型结构的行程是指支撑座7沿图8中坐标系所示的竖直方向z的位移。

由图10可以看到，按照本实施例设计的负刚度结构的负刚度值可以很好地达到目标值附近。同时，现有基于磁斥力的简单三磁体负刚度结构在位移较大时无法保持负刚度值的稳定，超过1mm后负刚度值随着位移的增大快速衰减，会导致结构失去其原有特性，而所述新型结构的误差与之相比则大幅降低，尤其是在简单结构的中间磁体由初始位置(静平衡时)向左、向右移动(即简单结构的行程，下同)5mm时，简单结构的负刚度值衰减了9.15％，中间磁体由初始位置(静平衡时)向左、向右移动10mm时，简单结构的负刚度值衰减了33.41％；新型结构的支撑座由初始位置(静平衡时)向上、向下移动(即新型结构的行程，下同)5mm时，新型结构的负刚度值衰减了0.27％，支撑座由初始位置(静平衡时)向上、向下移动10mm时，新型结构的负刚度值衰减了0.79％。因而所设计的新型结构能够大大改善负刚度结构的非线性特性，大幅提高许用工作位移范围，而在确定的工作位移量下也能够提供更高的稳定性。

本发明所述的一种能提供稳定负刚度值的新型结构，当按照文中方法对三磁体在位移方向上的尺寸比进行优化后，负刚度曲线的非线性会适当降低，在此基础上，连杆铰接而成的传动模块的特性能使对称布置的两负刚度单元的刚度分别保持较好的单调线性增、减，从而使总刚度即两侧刚度之和保持稳定。与现有的常见负刚度结构相比，该新型结构大幅降低了相对较大位移行程中负刚度值的非线性程度和负刚度值的变化，从而可以大大扩展负刚度结构的工作位移范围，提高稳定性，为负刚度结构在低频隔振、正负刚度并联和准零刚度结构设计等领域中的应用提供支持。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、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方式而已，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 (7)

1.一种能提供稳定负刚度值的负刚度结构，其特征在于：包括支撑座(7)、基座(8)和至少一对负刚度单元(11)；

负刚度单元(11)包括连杆传动机构、上磁体(6)、中磁体(4)和下磁体(2)，并且上磁体(6)、中磁体(4)和下磁体(2)为从上至下依次间隔相应设置，中磁体(4)与上磁体(6)、下磁体(2)均相斥，连杆传动机构包括上连杆(5)、中连杆(3)和下连杆(1)，上连杆(5)顶端与支撑座(7)铰接连接、底端与中连杆(3)铰接连接，中连杆(3)与中磁体(4)固定连接，下连杆(1)顶端与中连杆(3)铰接连接、底端与基座(8)铰接连接；

一对负刚度单元(11)包括左右设置的两负刚度单元(11)，左侧负刚度单元(11)的上磁体(6)固设在支撑座(7)上、下磁体(2)固设在基座(8)上，右侧负刚度单元(11)的上磁体(6)固设在基座(8)上、下磁体(2)固设在支撑座(7)上。

2.如权利要求1所述的一种能提供稳定负刚度值的负刚度结构，其特征在于：负刚度单元(11)处于静平衡位置时，上磁体(6)、下磁体(2)分别与中磁体(4)等距。

3.如权利要求1所述的一种能提供稳定负刚度值的负刚度结构，其特征在于：一对负刚度单元(11)中的两负刚度单元(11)均处于静平衡时是左右对称设置的。

4.如权利要求1所述的一种能提供稳定负刚度值的负刚度结构，其特征在于：负刚度单元(11)处于静平衡位置时，所述中磁体(4)的中心(9)与上磁体(6)的中心(9)、下磁体(2)的中心(9)均位于同一铅垂线(10)上，所述负刚度单元(11)在静平衡位置时不产生力，动态时刚度则为负。

5.如权利要求1所述的一种能提供稳定负刚度值的负刚度结构，其特征在于：所述上磁体(6)的长度、下磁体(2)的长度均与所述中磁体(4)的长度不同，上磁体(6)和下磁体(2)的长度相同,上磁体(6)、中磁体(4)和下磁体(2)的宽度、高度均相同或者基本相同。

6.如权利要求1所述的一种能提供稳定负刚度值的新型负刚度结构，其特征在于：在静平衡位置时，上连杆(5)和下连杆(1)均为竖向倾斜设置，上连杆(5)和下连杆(1)均与水平线呈锐角夹角设置。

7.如权利要求1所述的一种能提供稳定负刚度值的负刚度结构，其特征在于：支撑座(7)用于与被隔振对象固定连接。

Images