CN108757807A - 一种基于液体附加质量效应的带隙可调弹性波隔振器及隔振方法 - Google Patents

一种基于液体附加质量效应的带隙可调弹性波隔振器及隔振方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于液体附加质量效应的带隙可调弹性波隔振器及隔振方法，包括单轴隔振柱体、中心固定盘和可拆卸卡扣，单轴隔振柱体为若干个隔振单胞依次相连而形成的柱体结构，隔振单胞的内腔填充有内部填充液，中心固定盘的外周沿中心固定盘的周向分布若干个可拆卸卡扣，可拆卸卡扣具有对单轴隔振柱体进行限位的导向结构，单轴隔振柱体设置在导向结构内，单轴隔振柱体的纵向与中心固定盘所在平面垂直，单轴隔振柱体上处于两端的隔振单胞上分别连接有用于传入振源信号的输入基座和用于与下一级设备连接的输出基座。本发明能够解决目前此类隔振装置带隙难以调节，制备困难的问题。

Description

一种基于液体附加质量效应的带隙可调弹性波隔振器及隔振 方法
技术领域
本发明涉及机械振动阻隔技术领域的弹性纵波隔振器，具体是一种基于液体附加质量效应的带隙可调弹性波隔振器及隔振方法。
背景技术
在工业生产领域以及日常生活中，特定频段的机械振动与噪声会较大程度地影响结构的健康与安全性，例如，不期望的共振现象的发生将会对结构的安全与稳定产生严重威胁。因此，安全有效的振动控制、调节装置在相关领域内有着极为广泛的应用前景。
目前对具有危害性质的机械振动的控制、调节方法大体可分为三种。一类是通过对振源进行优化设计以削减振源传递出来的能量，例如，对于转子系统常进行动平衡以减小其横向振动的幅值，进而达到对振源振动削减的目的。第二类方法是尽可能地切断振动的传递途径，又包括主动隔振与消极隔振两类，分别达到阻碍力与运动传递的效果，降低振源功率的传递效率。第三种方法是通过引入阻尼装置直接降低被激励对象的响应幅值，使传递过来的机械能以其他形式的能量耗散，对于特定的电磁阻尼器，还可以将阻尼器所吸收到的机械能进行回收利用以提高系统整体的能量利用率。
声学超材料作为一种新型的功能材料，旨在通过隔振单胞的周期性排布实现对特定频段弹性波阻隔的效果。声超材料依据其工作原理大体可分为两类，一类是布拉格散射型，即通过单胞间行进波与反射波的干涉作用，阻碍波的向前传播。另一类是局域共振型声超材料，当弹性波频率接近基体共振单元的共振频率时，二者发生强烈的耦合作用，从而产生了某一频段的带隙，该类声超材料所产生的弹性波带隙恰好位于常见机械振动频率范围内，因此该类功能材料对机械、航天以及航空领域的振动控制有着重要意义。
对于某一类特定的声超材料构件，其弹性波带隙由其单胞构型以及材料组成决定，一旦加工成型，带隙便不再具备可调节性，对于复杂工况下的激励信号，其隔振功效将不再显著。因此，设计一类带隙可调、制备简单以及装配便捷的声超材料隔振器，并为相关领域提供指定功效的隔振装置具有十分重要的意义。本发明即根据此需求提出。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于液体附加质量效应的带隙可调弹性波隔振器及隔振方法，本发明的隔振器能够解决目前弹性纵波隔振器带隙难以调节以及制备困难的问题。
针对上述目的，本发明提出如下技术方案：
一种基于液体附加质量效应的带隙可调弹性波隔振器，包括单轴隔振柱体、中心固定盘和可拆卸卡扣，单轴隔振柱体为若干个隔振单胞依次相连而形成的柱体结构；
隔振单胞为空心柱状结构，隔振单胞的内腔填充有内部填充液；
中心固定盘的外周沿中心固定盘的周向分布若干个可拆卸卡扣，所有可拆卸卡扣均与中心固定盘通过螺栓固定连接，可拆卸卡扣具有对单轴隔振柱体进行限位的导向结构，单轴隔振柱体设置在导向结构内，导向结构用于使单轴隔振柱体能够沿单轴隔振柱体的纵向在导向结构内与可拆卸卡扣之间发生相对移动，并限制单轴隔振柱体沿单轴隔振柱体的横向发生移动，单轴隔振柱体的纵向为单轴隔振柱体的长度方向，单轴隔振柱体的横向为与单轴隔振柱体的纵向垂直的方向，单轴隔振柱体的纵向与中心固定盘所在平面垂直；
导向结构上具有容纳隔振单胞的纵向侧壁发生变形后的容纳空间，隔振单胞的纵向与单轴隔振柱体纵向的方向相同；
单轴隔振柱体上处于两端的隔振单胞上分别连接有用于传入振源信号的输入基座和用于与下一级设备连接的输出基座。
所有可拆卸卡扣沿中心固定盘的外周均匀分布。
单轴隔振柱体为三棱柱、正六面体或圆柱体，隔振单胞的形状对应的分别为三棱柱、正六面体或圆柱体。
隔振单胞纵向的侧壁上开设有用于填充和放出内部填充液的开孔，隔振单胞在开孔处设有带外螺纹的通孔凸台，带外螺纹的通孔凸台上配合连接有带内螺纹的单胞密封盖口。
隔振单胞通过传递立柱分别与输入基座和输出基座连接，传递立柱与单轴隔振柱体长度方向的轴线同轴。
输入基座和输出基座上分别开设有用于与上和下级设备连接的螺孔。
隔振单胞的材质为聚四氟乙烯或有机玻璃。
一种隔振方法，通过上述隔振器进行，将输入基座与振源连接，输出基座与下一级设备连接，当输入基座接收到振源发出的振动信号后，输入基座将振动信号传递给与输入基座相连的隔振单胞，隔振单胞接收到振动信号后，振动信号通过内部填充液传递，引起隔振单胞纵向侧壁产生横向振动，隔振单胞纵向侧壁产生的横向振动使得传递至单轴隔振柱体纵向上下一级隔振单胞横向壁面的振动信号发生衰减，振动信号沿单轴隔振柱体纵向上的隔振单胞逐级传递并逐级衰减，以实现对振源与下一级设备之间，沿单轴隔振柱体纵向方向传播的欲阻隔频段弹性波的阻隔。
隔振器在忽略阻尼的作用下，隔振器离散形式的动力学控制方程如下：
式中：Ms为隔振单胞9的惯性矩阵，Mf为内部填充液8的惯性矩阵，Ks为隔振单胞9的刚度矩阵，Kf为内部填充液8的刚度矩阵，fs与ff分别是外界对隔振单胞9与内部填充液8的激励，ρ0为内部填充液8的密度，R为隔振单胞9与填充液8接触面上的耦合矩阵，u与p分别表示隔振单胞9的位移及内部填充液8的压强，与分别为位移及压强对时间的二阶导数。
通过在隔振单胞内填充不同密度的内部填充液以改变隔振器的惯性矩阵，进而改变隔振器的振动特性，从而实现对隔振器弹性纵波隔振带隙的位置与大小的调控。
当需要阻隔处于更低频段的机械振动时，在隔振单胞填充密度更大的内部填充液。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明带隙可调弹性波隔振器的单轴隔振柱体与中心固定盘通过可拆卸卡扣连接，形成若干个单轴隔振柱体并联的纵波隔振器，可拆卸卡扣沿中心固定盘外周的周向分布并与中心固定盘固定连接，能够实现对隔振器整体的定位；隔振单胞的内腔填充有内部填充液，构建成了封闭的液-固两相隔振单胞；在隔振时，耦合系统的惯性将主要由内部液体提供，又由于隔振单胞内所含液体可认为是不可压缩的，即液体部分几乎不储存势能，导致系统的弹性势能将主要由隔振单胞的固体薄壳结构即纵向侧壁提供，使系统可视为“质量-弹簧”系统；对于从隔振单胞横向壁面处传递来的特定频段(欲阻隔频段)振动信号，由于内部填充液体不可压缩特性，将引起隔振单胞纵向侧壁的横向振动，使得沿单轴隔振柱体纵向上传递至下一级隔振单胞横向壁面的振动信号发生显著衰减，进而实现对这一类沿单轴隔振柱体纵向方向传播的弹性波的阻碍；还能够通过改变隔振单胞内液体的密度实现对隔振器带隙位置及大小的调节，扩大了该类弹性纵波隔振器隔振范围，能够解决实现弹性纵波隔振器带隙难以调节的问题，并且本发明的隔振器结构简单，制造、装配方便，对纵向弹性振动阻隔效果显著，隔振频段具有可调节性，应用范围广泛，适用于多类仪器减振环境的构造以及隔振平台的搭建。
进一步的，隔振单胞纵向的侧壁上具有开孔，开孔处设有带外螺纹的通孔凸台，带外螺纹的通孔凸台上配合连接有带内螺纹的单胞密封盖口，因此使得本发明隔振单胞内的内部填充液更换方便，进而可根据需求对特定频段振动信号进行隔离。
附图说明
图1是本发明带隙可调弹性波隔振器的整体装配示意图；
图2是本发明的单轴隔振柱体与输入基座以及输出基座连接后的示意图；
图3是本发明的中心固定盘与可拆卸卡扣连接后的示意图；
图4是本发明的隔振单胞细节示意图；
图5为本发明可拆卸卡扣的其中一个卡片结构示意图；
图6为本发明可拆卸卡扣与中心固定盘连接部分细节示意图。
附图标记说明如下：
1-输入基座，2-输出基座，3-传递立柱，4-可拆卸卡扣，4-1-导向结构，4-2-卡片，4-2-1圆柱段，4-2-2-连杆段，5-中心固定盘，6-带外螺纹通孔凸台，7-单胞密封盖口，8-内部填充液，9-隔振单胞，9-1-开孔，10-单轴隔振柱体。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明作进一步的说明。
参照图1～图3以及图5，本发明的基于液体附加质量效应的带隙可调弹性波隔振器，包括单轴隔振柱体10、中心固定盘5和可拆卸卡扣4，如图1和图3所示，单轴隔振柱体10为若干个隔振单胞9依次相连而形成的柱体结构，单轴隔振柱体10的长度方向为单轴隔振柱体10以及隔振单胞9的纵向，与单轴隔振柱体10长度方向垂直的方向为单轴隔振柱体10以及隔振单胞9的横向；隔振单胞9为空心柱状结构，隔振单胞9的内腔填充有内部填充液8；
中心固定盘5的外周沿中心固定盘5的周向分布若干个可拆卸卡扣4，所有可拆卸卡扣4均与中心固定盘5通过螺栓固定连接，如图3所示，可拆卸卡扣4具有对单轴隔振柱体10进行限位的导向结构4-1，如图1所示，单轴隔振柱体10设置在导向结构4-1内，导向结构4-1用于使单轴隔振柱体10能够沿单轴隔振柱体10的纵向在导向结构内与可拆卸卡扣4之间发生相对移动，并限制单轴隔振柱体10沿单轴隔振柱体10的横向发生移动，参照图1，单轴隔振柱体10的纵向与中心固定盘5所在平面垂直；
参照图3和图1，导向结构4-1上具有容纳隔振单胞9的纵向侧壁发生变形后的容纳空间，即导向结构4-1不对隔振单胞9的纵向侧壁进行振动方向上的约束，图3和图1中可拆卸卡扣在隔振单胞9的纵向侧壁处具有开口，容纳空间为开口处敞开的空间；
单轴隔振柱体10上处于两端的隔振单胞9上分别连接有用于传入振源信号的输入基座1和用于与下一级设备连接的输出基座2，输入基座1和输出基座2上分别开设有用于与上和下级设备连接的螺孔；参照图1和图2，隔振单胞9通过传递立柱3分别与输入基座1和输出基座2连接，传递立柱3与单轴隔振柱体10长度方向的轴线同轴。
参照图1和图3，根据使用工况，所有可拆卸卡扣4沿中心固定盘5的外周可为均匀分布或不均匀，中心固定盘5可以同时连接2个或两个以上的可拆卸卡扣4；若由于使用空间或其它条件限制，本发明的可拆卸卡扣4还可以只设置一个，同时单轴隔振柱体对应设置一个。
单轴隔振柱体10选用三棱柱、正六面体、圆柱体或其它正棱柱体，同时隔振单胞9的形状对应的分别为三棱柱、正六面体、圆柱体或其它正棱柱体。
参照图5，当单轴隔振柱体10正六面体时，本发明的可拆卸卡扣4包括两个H型的卡片4-2，两个卡片4-2正对；每个卡片4-2的两侧边均设置为横截面为直角或L形的结构，直角或L形的结构能够使卡片4-2的侧边只对隔振单胞的棱进行限位，单轴隔振柱体10沿轴向的四个棱通过可拆卸卡扣4的四个侧边进行限位(见图1)，当单轴隔振柱体10设置在可拆卸卡扣4内时，可拆卸卡扣4的四个侧边使单轴隔振柱体10能够沿单轴隔振柱体(10)的纵向在可拆卸卡扣4围成的空间内与可拆卸卡扣4之间发生相对移动(图1中为上下移动)，并限制单轴隔振柱体10沿单轴隔振柱体10的横向(图1中的水平方向)发生移动；
卡片4-2中部向卡片4-2的一侧延伸设置有用于与中心固定盘5连接的连接部，连接部包括两个圆柱段4-2-1和两个连杆段4-2-2，每个连杆段4-2-2的一端与一个圆柱段4-2-1的侧壁垂直固定连接，连杆段4-2-2的另一端与卡片4-2固定连接，圆柱段4-2-1为中空管状结构，圆柱段4-2-1的轴线与卡片4-侧边的长度方向平行，；参照图3及图6，可拆卸卡扣4与中心固定盘5连接时，将中心固定盘5插入两个圆柱段4-2-1之间，中心固定盘5在与圆柱段4-2-1中心孔对应的位置开设有通孔A，可拆卸卡扣4与中心固定盘5通过螺栓、螺母、圆柱段4-2-1中心孔和通孔A固定连接，可实现可拆卸卡扣4与中心固定盘5的装配。
参照图1、图2和图4，隔振单胞9纵向的侧壁上开设有用于填充和放出内部填充液8的开孔9-1，隔振单胞9在开孔9-1处设有带外螺纹的通孔凸台6，带外螺纹的通孔凸台6上配合连接有带内螺纹的单胞密封盖口7；隔振单胞9为薄壳结构，隔振单胞9由抗老化的高分子材料如聚四氟乙烯或有机玻璃等通过机械加工、增材制造等手段制备；隔振单胞9与隔振单胞9之间，隔振单胞9与传递立柱3之间，以及传递立柱3与输入基座1和输出基座2之间均胶合连接。
本发明中的隔振单胞9可由各类符合抗老化的高分子材料制备，利用隔振单胞9的薄壁充当弹簧振子系统中的弹簧元件，内部液体充当系统中的惯性元件。隔振单胞9仅由一种材料构成，因此无需考虑不同组元材料之间的连接组合问题，这在很大程度上简化了该类构件的加工与制造。
针对本发明中的结构，隔振单胞9固体部分由薄壳结构组成，具有相对较小的质量，使得由隔振单胞9与内部填充液8形成的流固耦合系统的惯性将主要由内部填充液8提供；又由于隔振单胞9内所含内部填充液8可认为是不可压缩的，即内部填充液8几乎不储存势能，导致流固耦合系统的弹性势能将主要由固体薄壳结构的隔振单胞9提供，使流固耦合系统可视为简单的“质量-弹簧”系统。对于从隔振单胞9轴向壁面处传递来的特定频段振动信号，由于内部填充液体不可压缩特性，将引起隔振单胞9纵向侧壁的横向振动，使得沿单轴隔振柱体10纵向传递至下一级隔振单胞9横向壁面的振动信号发生显著衰减，进而实现对这一类沿轴向方向传播的弹性波的阻碍效果。对于所述的流固耦合系统，在忽略阻尼的作用下，流固耦合系统离散形式的动力学控制方程可表示如下：
式中：Ms为隔振单胞9的惯性矩阵，Mf为内部填充液8的惯性矩阵，Ks为隔振单胞9的刚度矩阵，Kf为内部填充液8的刚度矩阵，fs与ff分别是外界对隔振单胞9与内部填充液8的激励，ρ0为内部填充液8的密度，R为隔振单胞9与填充液8接触面上的耦合矩阵，u与p分别表示隔振单胞9的位移及内部填充液8的压强，与分别为位移及压强对时间的二阶导数。
依据上式，通过在隔振单胞9内填充不同密度的内部填充液8以改变隔振器的惯性矩阵，进而改变隔振器的振动特性，从而实现对隔振器弹性纵波隔振带隙的位置与大小的调控。
对于本发明中的隔振器，如需改变其隔振频段，需将各隔振单胞9内的内部填充液8排出，并根据实际需求添加合适的内部填充液8。例如，当需要阻隔处于更低频段的机械振动时，可在隔振单胞9内部添加密度更大的内部填充液8，这时单轴隔振柱体10的动态响应特性将整体向更低频方向移动，进而实现隔振器对不同频段振动信号的阻隔效果。
以某一尺寸的六周期单轴隔振柱体10(即单轴隔振柱体10由6个隔振单胞9连接而成)为例，其中隔振单胞9由尼龙材料制成，隔振单胞9内的内部填充液体8为汽油(密度为0.7g/cm3)时，隔振器的隔振带隙为2148Hz-2404Hz；隔振单胞9内的内部填充液体8为水(密度为1.0g/cm3)时，隔振器的隔振带隙为1859Hz-2070Hz，相较于内部填充液体8为汽油的隔振器，内部填充液体8为水的隔振器带隙的起始频率降低了约13.5％，即通过填充液的更换能够使该类隔振器有更广泛的服役范围。
参照图1至图4，本发明的基于液体附加质量效应的带隙可调弹性波隔振器的工作过程如下：
本发明的基于液体附加质量效应的带隙可调弹性波隔振器能够实现对特定频率范围内轴向振动的阻隔。将输入基座1与振源连接，输出基座2与下一级设备连接。单轴隔振柱体10的各隔振单胞9被指定内部填充液体填充，并通过单胞密封盖口7封闭。对于并联的多个单轴隔振柱体10，通过中心固定盘5和可拆卸卡扣4实现装配。中心固定盘5与可拆卸卡扣4起到的作用是提高单轴隔振柱体10的稳定性，避免单轴隔振柱体10在传递轴向(即单轴隔振柱体10的纵向)振动时发生不必要的弯曲振动以及失稳现象。利用本发明中隔振单胞9的振动特性，对于来自于振源向输入基座1输入的某一特定频段的纵向振动信号，输入基座1将振动信号传递给与输入基座1相连的隔振单胞9，隔振单胞9接收到振动信号后，通过内部填充液8传递，振动信号将引起隔振单胞9纵向侧壁的局域共振，隔振单胞9纵向侧壁的局域共振导致通过隔振单胞9横向壁面传递至下一个隔振单胞9的能量得到显著衰减，振动信号沿单轴隔振柱体10纵向上的隔振单胞9逐级传递并逐级衰减，以实现对振源与下一级设备之间，沿单轴隔振柱体10纵向方向传播的弹性波的阻隔，最终达到隔振柱体对特定频率信号的阻隔作用。

Claims (10)

1.一种基于液体附加质量效应的带隙可调弹性波隔振器，其特征在于，包括单轴隔振柱体(10)、中心固定盘(5)和可拆卸卡扣(4)，单轴隔振柱体(10)为若干个隔振单胞(9)依次相连而形成的柱体结构；
隔振单胞(9)为空心柱状结构，隔振单胞(9)的内腔填充有内部填充液(8)；
中心固定盘(5)的外周沿中心固定盘(5)的周向分布若干个可拆卸卡扣(4)，所有可拆卸卡扣(4)均与中心固定盘(5)固定连接，可拆卸卡扣(4)具有对单轴隔振柱体(10)进行限位的导向结构，单轴隔振柱体(10)设置在导向结构内，导向结构用于使单轴隔振柱体(10)能够沿单轴隔振柱体(10)的纵向在导向结构内与可拆卸卡扣(4)之间发生相对移动，并限制单轴隔振柱体(10)沿单轴隔振柱体(10)的横向发生移动，单轴隔振柱体(10)的纵向与中心固定盘(5)所在平面垂直；
导向结构上具有容纳隔振单胞(9)的纵向侧壁发生变形后的容纳空间；
单轴隔振柱体(10)上处于两端的隔振单胞(9)上分别连接有用于传入振源信号的输入基座(1)和用于与下一级设备连接的输出基座(2)。
2.根据权利要求1所述的一种基于液体附加质量效应的带隙可调弹性波隔振器，其特征在于，所有可拆卸卡扣(4)沿中心固定盘(5)的外周均匀分布。
3.根据权利要求1所述的一种基于液体附加质量效应的带隙可调弹性波隔振器，其特征在于，单轴隔振柱体(10)为三棱柱、正六面体或圆柱体，隔振单胞(9)的形状对应的分别为三棱柱、正六面体或圆柱体。
4.根据权利要求1所述的一种基于液体附加质量效应的带隙可调弹性波隔振器，其特征在于，隔振单胞(9)纵向的侧壁上开设有用于填充和放出内部填充液(8)的开孔(9-1)，隔振单胞(9)在开孔(9-1)处设有带外螺纹的通孔凸台(6)，带外螺纹的通孔凸台(6)上配合连接有带内螺纹的单胞密封盖口(7)。
5.根据权利要求1所述的一种基于液体附加质量效应的带隙可调弹性波隔振器，其特征在于，隔振单胞(9)通过传递立柱(3)分别与输入基座(1)和输出基座(2)连接，传递立柱(3)与单轴隔振柱体(10)长度方向的轴线同轴。
6.根据权利要求1所述的一种基于液体附加质量效应的带隙可调弹性波隔振器，其特征在于，输入基座(1)和输出基座(2)上分别开设有用于与上和下级设备连接的螺孔。
7.根据权利要求1所述的一种基于液体附加质量效应的带隙可调弹性波隔振器，其特征在于，隔振单胞(9)的材质为聚四氟乙烯或有机玻璃。
8.一种基于权利要求1-7任意一项权利要求所述隔振器的隔振方法，其特征在于，将输入基座(1)与振源连接，输出基座(2)与下一级设备连接，当输入基座(1)接收到振源发出的振动信号后，输入基座(1)将振动信号传递给与输入基座(1)相连的隔振单胞(9)，隔振单胞(9)接收到振动信号后，振动信号通过内部填充液(8)传递，引起隔振单胞(9)纵向侧壁产生横向振动，隔振单胞(9)纵向侧壁产生的横向振动使得传递至单轴隔振柱体(10)纵向上下一级隔振单胞(9)横向壁面的振动信号发生衰减，振动信号沿单轴隔振柱体(10)纵向上的隔振单胞(9)逐级传递并逐级衰减，以实现对振源与下一级设备之间，沿单轴隔振柱体(10)纵向方向传播的欲阻隔频段弹性波的阻隔。
9.根据权利要求8所述的隔振方法，其特征在于，隔振器在忽略阻尼的作用下，隔振器离散形式的动力学控制方程如下：
式中：Ms为隔振单胞(9)的惯性矩阵，Mf为内部填充液(8)的惯性矩阵，Ks为隔振单胞(9)的刚度矩阵，Kf为内部填充液(8)的刚度矩阵，fs与ff分别是外界对隔振单胞(9)与内部填充液(8)的激励，ρ0为内部填充液(8)的密度，R为隔振单胞(9)与填充液(8)接触面上的耦合矩阵，u与p分别表示隔振单胞(9)的位移及内部填充液(8)的压强，与分别为位移及压强对时间的二阶导数；
根据隔振器离散形式的动力学控制方程，通过在隔振单胞(9)内填充不同密度的内部填充液(8)以改变隔振器的惯性矩阵，进而改变隔振器的振动特性，从而实现对隔振器弹性纵波隔振带隙的位置与大小的调控。
10.根据权利要求8所述的隔振方法，其特征在于，当需要阻隔处于更低频段的机械振动时，在隔振单胞(9)填充密度更大的内部填充液(8)。
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