CN109505922B - 一种带有分段线性梁和永磁负刚度的多稳态非线性能量阱 - Google Patents

一种带有分段线性梁和永磁负刚度的多稳态非线性能量阱 Download PDF

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Abstract

本发明的一种带有分段线性梁和永磁负刚度的多稳态非线性能量阱，包括由三个刚度不同的分段线性杆构成的分段线性梁，一端固定在分段线性梁基座上，另一端插入MNES质量块中，安装时两侧的分段线性杆与MNES质量块具有一定的预压缩量，中间的分段线性杆与MNES质量块具有间隙，随着MNES质量块上下运动，导致其与分段线性梁间的压缩量发生改变，产生分段线性正刚度。通过内、外磁铁产生所需的负刚度，利用正、负刚度的最优配合，构造出所需的多个稳态位置。将待减振系统的振动能量单方向的传递至本发明的能量阱中，并最终经由能量阱的阻尼快速耗散，从而实现对主系统振动的高效抑制。该能量阱结构简单、抑振频带宽、抑振效果显著。

Description

一种带有分段线性梁和永磁负刚度的多稳态非线性能量阱
技术领域
本发明属于吸振装置领域，涉及一种带有分段线性梁和永磁负刚度的多稳态非线性能量阱。
背景技术
目前，机械设备正处于高速发展时期，机械设备在各个领域的应用也越发广泛。在机械设备的运行过程中振动现象是不可避免的，振动不但会引起机械设备的疲劳破坏，而且会造成机构运动的精度大幅下降，如果不加以控制，不仅会影响设备的运行造成经济损失，严重的甚至会产生灾难性后果，故如何对振动进行有效的控制越来越引起人们的关注。
近年来，在振动控制中人们多采用被动吸振器，其结构简单，但是由于其减振频带范围窄导致外加激励频率变化时减振效果退化；主动吸振器在被动吸振器的基础上增加了主动控制，使其获得了更好的宽频带抑振性能，但是主动吸振器质量大，结构复杂，可靠性差，因此上述两种类型的吸振器的使用都有一定程度的局限性。在主动吸振器之后，人们又研究出了非线性能量阱以及双稳态非线性能量阱，但在抑制主系统的瞬态振动时对初始能量的阈值要求较高。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种带有分段线性梁和永磁负刚度的多稳态非线性能量阱，通过质量块的上下运动使分段线性杆与质量块依次接触从而产生非线性刚度，利用正负刚度的最优配合，达到抑振的目的，该装置结构简单，抑振频带宽，效果显著。
本发明提供一种带有分段线性梁和永磁负刚度的多稳态非线性能量阱，包括：分段线性梁、分段线性梁基座、MNES质量块、连接杆、两块内磁铁、两块外磁铁以及底座；
所述分段线性梁包括三个刚度不同的分段线性杆，三个分段线性杆通过连接部连为一体；
所述MNES质量块包括四个小质量块，四个小质量块通过连接块连接为一体；
所述分段线性梁的一端通过连接部安装在分段线性梁基座上，另一端插入MNES质量块中，每个分段线性杆分别对应插入两相邻的小质量块之间的间隙内，且位于两侧的分段线性杆与两侧的小质量块具有初始预压缩量，位于中间的分段线性杆与中间的两个小质量块具有间隙；
所述连接杆一端连接固定在分段线性梁基座上，另一端固定在所述MNES质量块上；
两块内磁铁分别固定在MNES质量块两侧且对中设置；
两块外磁铁设置在底座上且对中设置；
使用时将固定有内磁铁的MNES质量块插入两块外磁铁间，使外磁铁与相应的内磁铁对中且互斥放置，两块内磁铁到相应的外磁铁的距离相同。
在本发明的带有分段线性梁和永磁负刚度的多稳态非线性能量阱中，所述三个分段线性杆中，两侧的分段线性杆的刚度相同，中间的分段线性杆的刚度大于两侧的分段线性杆的刚度。
在本发明的带有分段线性梁和永磁负刚度的多稳态非线性能量阱中，外磁铁与相应的内磁铁对中且互斥放置，两块内磁铁到相应的外磁铁的距离相同，构成永磁负刚度机构。
在本发明的带有分段线性梁和永磁负刚度的多稳态非线性能量阱中，所述底座包括磁铁连接板和两个外磁铁支架，所述外磁铁安装在外磁铁支架上，外磁铁支架固定在磁铁连接板上。
在本发明的带有分段线性梁和永磁负刚度的多稳态非线性能量阱中，所述连接杆一端通过螺栓和压板安装在分段线性梁基座。
本发明的一种带有分段线性梁和永磁负刚度的多稳态非线性能量阱(Multi-stable Nonlinear energy sink，简称MNES)，是一种结构简单，可靠性高，吸振频带宽的吸振装置。可以将主系统的振动能量单方向传递至多稳态非线性能量阱中并在能量阱自身阻尼的作用下将振动能量快速耗散，有着更高的抑振效率。其采用分段线性梁和永磁负刚度结构并联的形式，其抑振频带更宽。本装置尤其是对瞬态振动的抑振效果更佳。
附图说明
图1为本发明的一种带有分段线性梁和永磁负刚度的多稳态非线性能量阱的结构图；
图2为本发明的多稳态非线性能量阱的应用示意图；
图3为本发明的MNES质量块的结构图；
图4为本发明的分段线性梁的结构图；
图5为分段线性梁与MNES质量块的装配示意图；
图6为本发明的一种带有分段线性梁和永磁负刚度的多稳态非线性能量阱的工作原理示意图；
图7a为分段线性梁的分段线性力随位移的变化曲线；
图7b为永磁负刚度机构的磁力变化曲线；
图8为分段线性梁与永磁负刚度机构组合后多稳态非线性能量阱的非线性力变化曲线；
图9为附加本发明的多稳态非线性能量阱前、后悬臂梁系统的幅频响应曲线；
图10为未附加本发明的多稳态非线性能量阱时悬臂梁系统的瞬态衰减曲线；
图11为附加本发明的多稳态非线性能量阱后悬臂梁系统的瞬态衰减曲线。
具体实施方式
如图1至图5所示，本发明的一种带有分段线性梁和永磁负刚度的多稳态非线性能量阱，包括：分段线性梁2、分段线性梁基座1、MNES质量块9、连接杆4、两块内磁铁7、两块外磁铁5以及底座。
如图4所示，所述分段线性梁2包括三个刚度不同的分段线性杆21，三个分段线性杆21通过连接部22连为一体。所述三个分段线性杆21中，两侧的分段线性杆21的刚度相同，中间的分段线性杆21的刚度大于两侧的分段线性杆21的刚度。如图3所示，所述MNES质量块包括四个小质量块，四个小质量块通过连接块连接为一体。分段线性梁2的一端通过连接部22安装在分段线性梁基座1上，另一端插入MNES质量块9中，每个分段线性杆分别对应插入两相邻的小质量块之间的间隙内，且位于两侧的分段线性杆21与两侧的小质量块具有初始预压缩量，位于中间的分段线性杆21与中间的两个小质量块具有一定动间隙。连接部22上设有三个通孔，连接部22通过螺栓固定安装到分段线性梁基座1上。
所述连接杆4一端连接固定在分段线性梁基座1上，另一端固定在所述MNES质量块9上。具体实施时，连接杆4两端都设有通孔，其一端通过螺栓和压板3安装在分段线性梁基座1上。
两块内磁铁7分别固定在MNES质量块9的两侧且对中设置，两块外磁铁5设置在底座上且对中设置。所述底座包括磁铁连接板8和两个外磁铁支架6，所述外磁铁5安装在外磁铁支架6上，外磁铁支架6固定在磁铁连接板8上。使用时将固定有内磁铁7的MNES质量块9插入两块外磁铁5间，使外磁铁5与相应的内磁铁7对中且互斥放置，两块内磁铁7到相应的外磁铁5的距离相同，构成永磁负刚度机构。
如图2所示，将本发明的多稳态非线性能量阱应用在需要抑制振动的主系统中的示意图。本实施例中主系统为由悬臂梁10和质量块11构成的悬臂梁系统。在使用时将分段线性梁基座1和磁铁连接板8固定到悬臂梁10上。
结合图6所示工作原理，本发明的能量阱在竖直方向上的刚度与MNES质量块9的位移的关系如式(1)所示：
Figure GDA0002432697490000051
其中kn为本发明的多稳态非线性能量阱的刚度，k正为分段线性梁2的刚度，k1为两侧的分段线性杆21的刚度，k2为中间的分段线性杆21的刚度，km为两块外磁铁5和两块内磁铁7构成的永磁负刚度机构的刚度，k0为连接杆4的刚度，Δ1为两侧的分段线性杆21的初始预压缩量，Δ2为中间的分段线性杆21安装时与MNES质量块的间隙距离，x为MNES质量块9的相对位移。
本发明的多稳态非线性能量阱的非线性力Fn与MNES质量块9相对位移的关系如式(2)所示：
Figure GDA0002432697490000052
如图7a所示，为分段线性梁2的分段线性力随MNES质量块9位移的变化曲线。7b为在一定间距下磁力随内磁铁7位移的变化曲线。分段线性梁2与永磁负刚度机构并联后的多稳态非线性能量阱的非线性力变化曲线如图8所示。
如图8所示，本发明的多稳态非线性能量阱中存在B点和D点两个临界平衡点。本发明的多稳态非线性能量阱在通过临界平衡点会产生跳跃(snap-through)运动，与双稳态非线性能量阱相比，本发明的多稳态非线性能量阱在相同的运动周期内将做双倍数的跳跃(snap-through)运动，因此当悬臂梁系统的振动能量传递到本发明的多稳态非线性能量阱时，本发明的多稳态非线性能量阱将会在单位时间内消耗更多的振动能量，故本发明的多稳态非线性能量阱具有更好的吸振的效果。
如图9所示，为附加本发明的多稳态非线性能量阱前、后悬臂梁系统的幅频响应曲线，可以看出，在附加多稳态非线性能量阱后，悬臂梁系统在共振区的最大振幅由2.8mm左右降低到1.6mm以下，且在共振区出现了SMR现象，振动抑制比达到了50％以上。说明了本发明的多稳态非线性能量阱有一定的宽频抑制振动能力。
结合图10与图11，可以看出，悬臂梁系统在未加入本发明的多稳态非线性能量阱时其振幅自由衰减至0mm的时间要大于2秒，加入多稳态非线性能量阱后，悬臂梁系统振幅的衰减速度明显加快，在0.5秒以内就衰减到0mm。由此可见该多稳态非线性能量阱的优良瞬态抑振性能。
本发明的一种带有分段线性梁和永磁负刚度的多稳态非线性能量阱，抑制振动过程如下：当外界激励作用在悬臂梁上时，悬臂梁产生振动，当悬臂梁系统附加本发明的多稳态非线性能量阱后，由于悬臂梁的振动能量单方向的传递至多稳态非线性能量阱中，引起多稳态非线性能量阱的MNES质量块9在竖直方向上做跳跃(snap-through)运动，将传递过来的振动能量快速耗散，从而抑振了主系统的振动。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种带有分段线性梁和永磁负刚度的多稳态非线性能量阱，其特征在于，包括：分段线性梁、分段线性梁基座、MNES质量块、连接杆、两块内磁铁、两块外磁铁以及底座；
所述分段线性梁包括三个刚度不同的分段线性杆，三个分段线性杆通过连接部连为一体；
所述MNES质量块包括四个小质量块，四个小质量块通过连接块连接为一体；
所述分段线性梁的一端通过连接部安装在分段线性梁基座上，另一端插入MNES质量块中，每个分段线性杆分别对应插入两相邻的小质量块之间的间隙内，且位于两侧的分段线性杆与两侧的小质量块具有初始预压缩量，位于中间的分段线性杆与中间的两个小质量块具有间隙；
所述连接杆一端连接固定在分段线性梁基座上，另一端固定在所述MNES质量块上；
两块内磁铁分别固定在MNES质量块两侧且对中设置；
两块外磁铁设置在底座上且对中设置；
使用时将固定有内磁铁的MNES质量块插入两块外磁铁间，使外磁铁与相应的内磁铁对中且互斥放置，两块内磁铁到相应的外磁铁的距离相同。
2.如权利要求1所述的带有分段线性梁和永磁负刚度的多稳态非线性能量阱，其特征在于，所述三个分段线性杆中，两侧的分段线性杆的刚度相同，中间的分段线性杆的刚度大于两侧的分段线性杆的刚度。
3.如权利要求1所述的带有分段线性梁和永磁负刚度的多稳态非线性能量阱，其特征在于，外磁铁与相应的内磁铁对中且互斥放置，两块内磁铁到相应的外磁铁的距离相同，构成永磁负刚度机构。
4.如权利要求1所述的带有分段线性梁和永磁负刚度的多稳态非线性能量阱，其特征在于，所述底座包括磁铁连接板和两个外磁铁支架，所述外磁铁安装在外磁铁支架上，外磁铁支架固定在磁铁连接板上。
5.如权利要求1所述的带有分段线性梁和永磁负刚度的多稳态非线性能量阱，其特征在于，所述连接杆一端通过螺栓和压板安装在分段线性梁基座。
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