CN109751361A - 一种具有平衡位置自动调节能力的负刚度元件及负刚度特性生成方法和应用 - Google Patents

Abstract

一类具有平衡位置自动调节能力的负刚度元件及负刚度特性生成方法和应用，涉及重力环境地面模拟等领域。针对现有高静低动刚度支撑系统对变质量载荷引起的系统平衡位置力学性质变化而提出的。在不影响原系统平衡位置的前提下降低新系统的动态刚度，确保系统在静态加载过程中稳定平衡位置与于原系统相同；在动态载荷作用于系统时，系统刚度为原系统与负刚度元件刚度的差值。利用机构的几何非线性特征与几何参数可调的性质，结合横向弹簧刚度与滚轮机构的有效长度的恰当配置实现特定的负刚度特性，对机构外壳与中心立柱的锁定与解锁实现在特定条件下开启和关闭元件的负刚度特征。避免系统刚度过低导致静态位移超限或准零刚度系统平衡点力学性质遭到破坏。

Description

一种具有平衡位置自动调节能力的负刚度元件及负刚度特性 生成方法和应用

技术领域

本发明涉及一种负刚度元件及负刚度特性生成方法和应用，涉及重力环境地面模拟、低频、超低频(零频)隔振、模态测试等领域。

背景技术

实际工程对同时具有特定静支撑刚度和低(零)动态刚度的支撑(悬挂)系统存在大量需求，如空间零(微)重力模拟实验、高精度隔振平台以及大型柔性系统模态测试实验等。近年来出现了一类具有高静刚度和低动刚度特征的准零刚度隔振系统，其无量纲动力学方程可以归结为m与k分别为载荷质量与支撑刚度。该系统可有效地将其固有频率降至进而提升支撑(悬挂)系统固有频率对实际测试实验结果的影响。

但由于此类实验一般具有载荷质量可变或较大、静态加载系统位移受限以及系统动态固有频率可调的需求。为保证系统具有较低的动态固有频率，往往会导致系统静态加载过程中载荷质量变化过大导致系统总位移超限，而准零刚度系统的静态平衡位置的力学特征总是基于系统载荷质量产生变化，因而无法有效实现在具有特定位移限制前提下的变质量载荷的低固有频率支撑(悬挂)系统。现有技术没有为解决此类技术矛盾提供相应的技术方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：

针对现有高静低动刚度支撑(悬挂)系统对变质量载荷引起的系统平衡位置力学性质变化以及静态加载位移超限的技术难题，提出一类具有只在原系统受到动态载荷(振动)作用下工作的具有平衡位置自动调节能力的负刚度元件及负刚度特性生成方法和应用。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种具有平衡位置自动调节能力的负刚度元件，所述负刚度元件包括装置外壳、两根楔形立柱、四个楔形滑块、两个外侧滑道、四个楔子电磁铁、四个楔子永磁铁、两个水平弹簧、两个滚轮支座、两个滚轮、两个弧面、两个滚轮滑轨、两个插销、两个插销、两个插销永磁铁、两个插销电磁铁、一个立柱导轨、两个插销滑道、中心立柱、承载平台、插销通道以及楔形立柱滑道；置于两根楔形立柱之间的装置外壳呈U形状，装置外壳两侧外端面上各设有一个外侧滑道；位于装置外壳内的两个水平弹簧同轴设置，每个水平弹簧外侧端与装置外壳对应的侧壁固定连接(外侧滑道与装置外壳的侧壁外侧固定连接)；每个水平弹簧内侧端面与一个滚轮支座固定连接；每个水平弹簧的下方对应设有一个与装置外壳的上面固定连接的滚轮滑轨；每个滚轮支座与其下方的对应滚轮滑轨滑动连接，保证滚轮支座相对滑轨的位移被限制在y方向上，所述y方向是指水平弹簧的伸缩方向；每个滚轮与对应的滚轮支座通过轴承连接并保证滚轮可以以轴承为圆心自由转动，每个滚轮的轴线与水平弹簧垂直，位于两滚轮及两个滚轮滑轨之间的中心立柱的两侧面分别设有一弧面(弧面与中心立柱两侧固定连接)，每个滚轮与对应侧的弧面相接触；承载平台与中心立柱顶端固定连接，中心立柱与装置外壳底端设有的立柱导轨滑动连接以保证中心立柱相对装置外壳的位移被限制在z方向上，z方向上是指与水平面垂直的垂直方向；每个外侧滑道内壁两端分别与一个楔子电磁铁固定连接，每个外侧滑道内部两个楔子电磁铁之间安装一对楔形滑块，每个楔形滑块外侧面固定连接有一个楔子永磁铁，保证楔形滑块相对外侧滑道的位移被限制在x方向上；每个外侧滑道与一个楔形立柱滑道相配合(楔形立柱滑道嵌在外侧滑道下平面中心；楔形立柱的顶端由楔形立柱滑道插入外侧滑道内部)，每个楔形立柱上端的尖端通过楔形立柱滑道穿过外侧滑道下平面中心(即外侧滑道下端面中心的通孔内安装有楔形立柱滑道)，并保证每个楔形立柱上端的尖端可能与楔形滑块的下部斜面相接触；；装置外壳与楔形立柱间的位移被限制在z方向上；中心立柱下部设有水平的插销通道，插销通道两端的开口具有插销弧面，即插销通道两端的开口呈渐扩的喇叭状，每个插销滑道内嵌于对应的滚轮滑轨内；两个插销滑道水平分设在中心立柱的两侧，两个插销滑道的开口相对，每个插销与对应侧的插销滑道滑动连接，保证每个插销相对于滚轮滑轨的位移被限制在y方向上，每个插销滑道的内端底面与一个插销电磁铁固定连接；每个插销靠近插销滑道内端底面的一端端面与插销永磁铁固定连接；插销通道与其两侧的插销对中设置。

进一步地，每根楔形立柱2的顶端面为两个相交的斜面，每个斜面与水平面的夹角相同。

进一步地，每根楔形立柱2的下端设有底座或与地面连接。

一种上述负刚度元件的负刚度特性生成方法，所述方法的实现过程为：

定义两个滚轮的圆心与两个弧面的圆心的z坐标相等的情况被定义为负刚度元件(装置)的初始平衡状态，在初始平衡状态条件下两个插销所处高度与插销通道所处高度相同；楔形立柱底端固定于基础，每个楔形立柱的顶端斜面与xoy平面夹角为α，每个楔形滑块的斜面与其顶面(顶面处在水平面上)夹角为α，每个楔形立柱与楔形滑块的斜面间的摩擦系数为μ，每个滚轮在水平弹簧和滚轮滑轨的作用下始终在弧面上滚动，承载平台上加装质量为m的载荷，滚轮半径与弧面半径之和为l，水平弹簧刚度为k，水平弹簧松弛状态下滚轮圆心距离弧面圆心的y向距离为B；

当负刚度元件生效时，插销电磁铁产生磁力吸引插销永磁铁并贴合，使插销收缩在插销滑道内部；楔子电磁铁产生磁力排斥楔子永磁铁，使楔形滑块的斜面与楔形立柱顶端斜面相接触，其中夹角α与摩擦系数μ间满足如下关系：

α≤arctanμ

以保证在任意质量载荷作用下楔形滑块与楔形立柱间产生摩擦自锁现象，保证楔形立柱能够将基础提供的支持力传递给装置外壳；当弧面的圆心相对滚轮的圆心产生某z向位移Z时，承载平台受机构提供的z向合力为：

因此机构所产生的刚度为：

由此得出，当满足B＜l时，此负刚度元件将整体产生负刚度；

当负刚度元件失效时，插销电磁铁产生磁力排斥插销永磁铁，插销沿插销滑道向外弹出，使插销前端面与插销弧面相接触并迫使中心立柱上(下)移动，直到插销通道所处高度与插销所处高度相同，进而保证两个插销前段插入插销通道，同时插销后端保持在插销滑道内，最终使机构锁定在初始平衡状态，保证装置外壳无法与承载平台产生相对位移；楔子电磁铁产生磁力F₅吸引楔子永磁铁并贴合，其中磁力大小F₅需满足关系：

使楔形滑块的斜面与楔形立柱的斜面分离，进而保证装置外壳与基础分离可以沿z向自由滑动。

进一步地，所述方法的实现过程为：通过控制楔子电磁铁或插销电磁铁的电流方向来改变电磁铁的磁极。

一种上述的负刚度元件的应用，将所述负刚度元件用于处于低频、超低频振动环境的精密仪器储存、运输过程中。

一种上述的负刚度元件的应用，将所述负刚度元件用于与空间飞行器对接、大型空间柔性结构动力学性能测试过程中或用于航天员训练的空间零或微重力环境地面模拟实验过程中。

本发明构建一类只在特定环境条件下起作用的负刚度元件，通过将此负刚度元件与某支撑(悬挂)系统并联，实现在不影响原系统平衡位置的前提下降低新系统的动态刚度，解决高静低动刚度系统在载荷质量变化条件下平衡位置的力学性质变化以及位移超限的技术难题。本发明旨在构造一类只在原系统(仅具有线性正刚度弹性元件的支撑(悬挂)系统)受到动态载荷(振动)作用下工作的负刚度元件。确保新系统(原系统与负刚度元件并联组合成的支撑(悬挂)系统)在静态加载过程中稳定平衡位置与于原系统相同；同时在动态载荷(振动)作用于新系统时，系统刚度为原系统与负刚度元件刚度的差值。以解决原系统平衡位置保持不变与低支撑(悬挂)系统刚度间的矛盾。

本发明的工作原理为：利用机构的几何非线性特征与几何参数可调的性质，结合横向弹簧刚度与滚轮(连杆等)机构的有效长度的恰当配置实现特定的负刚度特性，并通过对机构外壳与中心立柱的锁定与解锁实现在特定条件下开启和关闭元件的负刚度特征。

本发明的有益效果是：

与该装置(负刚度元件)并联组合成的新系统将实现：当静态加载时，新系统的稳定平衡位置与原系统相同；当动态载荷(振动)作用于新系统时，新系统刚度等于原系统与负刚度元件刚度的差值。实现针对不同载荷质量自动调节平衡位置高静低动刚度系统。

当负刚度元件生效时，基础与载荷之间除原有连接机构之外同时通过负刚度元件相连接；当负刚度元件失效时，负刚度元件将恢复并锁定至其初始平衡状态，与载荷固定连接并且同时与基础分离。进一步地，当系统处于振动环境中时，使负刚度元件生效，可以降低原系统的动态刚度大幅提高隔振性能；当系统静态加载(卸载)时，使负刚度元件失效，可以避免系统刚度过低导致静态位移超限或准零刚度系统平衡点力学性质遭到破坏。

本发明的关键技术点：

1.弧面10的形状、几何参数B以及l的变化会直接影响负刚度元件生效时系统整体产生的负刚度曲线特征，需要根据实际需求进行计算后确定，此为负刚度元件参数配置的关键点；

2.上述结构为代表的通过对非线性结构的几何参数进行调节使其具有负刚度特性，且可以通过锁定和解锁方式令系统产生的负刚度在特定时候生效或失效的一类装置，即为此负刚度元件的欲保护点。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的原理示意图，其中：1-装置外壳、2-楔形立柱、3楔形滑块、4-外侧滑道、5-楔子电磁铁、6-楔子永磁铁、7-水平弹簧、8-滚轮支座、9-滚轮、10-弧面、11-滚轮滑轨、12-插销、13-插销弧面、18-中心立柱、19-承载平台、21-楔形立柱滑道；

图2是本发明原理示意图的正视剖面图，其中：1-装置外壳、2-楔形立柱、3楔形滑块、4-外侧滑道、7-水平弹簧、8-滚轮支座、9-滚轮、10-弧面、11-滚轮滑轨、12-插销、13-插销弧面、14-插销永磁铁、15-插销电磁铁、16立柱导轨、17-插销滑道、18-中心立柱、19-承载平台、20-插销通道。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1和2所示，本实施方式所述的负刚度元件包括装置外壳1、两根楔形立柱2、四个楔形滑块3、两个外侧滑道4、四个楔子电磁铁5、四个楔子永磁铁6、两个水平弹簧7、两个滚轮支座8、两个滚轮9、两个弧面10、两个滚轮滑轨11、两个插销12、两个插销弧面13、两个插销永磁铁14、两个插销电磁铁15、一个立柱导轨16、两个插销滑道17、中心立柱18、承载平台19、插销通道20以及楔形立柱滑道21。

水平弹簧7外侧端与装置外壳1侧壁固定连接；水平弹簧7内侧端面与滚轮支座8固定连接；滚轮滑轨11与装置外壳1的上面固定连接；滚轮支座8与滚轮滑轨11滑动连接，保证滚轮支座8相对滑轨11的位移被限制在y方向上；滚轮9与滚轮支座8通过轴承连接，保证滚轮可以以轴承为圆心自由转动；滚轮9与弧面10相接触；弧面10与中心立柱18两侧固定连接；承载平台19与中心立柱18顶端固定连接；中心立柱18与立柱导轨16滑动连接，保证中心立柱18相对装置外壳1的位移被限制在z方向上；外侧滑道4与装置外壳1的侧壁外侧固定连接；外侧滑道4内壁两端分别与一个楔子电磁铁5固定连接；外侧滑道4内部安装一对楔形滑块3，保证楔形滑块3相对外侧滑道4的位移被限制在x方向上；楔形滑块3外侧与楔子永磁铁6固定连接；楔形立柱滑道21嵌在外侧滑道4下平面中心；楔形立柱2的顶端由楔形立柱滑道21插入外侧滑道4内部，并保证装置外壳1与楔形立柱2间的位移被限制在z方向上；两插销弧面13内侧端分别与插销通道20两端相连并内嵌于中心立柱18下端；插销12的前端面为一弧面，后端面为平面；插销滑道17内嵌于滚轮滑轨11；插销12与插销滑道17滑动连接，保证插销12相对于滚轮滑轨11的唯一被限制在y方向上，插销滑道17内端面与插销电磁铁15固定连接；插销12后端面与插销永磁铁14固定连接。

滚轮9的圆心与弧面10的圆心的z坐标相等的情况被定义为装置的初始平衡状态，在装置的初始平衡状态条件下插销12所处高度与插销通道20所处高度相同；楔形立柱2低端固定于基础，楔形立柱2顶端斜面与xoy平面夹角为α，楔形滑块3的斜面与其顶面夹角为α，楔形立柱2与楔形滑块3的斜面间的摩擦系数为μ，每个滚轮9在水平弹簧7和滚轮滑轨11的作用下始终在弧面10上滚动，承载平台上加装质量为m的载荷，滚轮9半径与弧面10半径之和为l，水平弹簧7刚度为k，水平弹簧7松弛状态下滚轮9圆心距离弧面10圆心的y向距离为B。

当负刚度元件生效时，插销电磁铁15产生磁力吸引插销永磁铁14并贴合，使插销12收缩在插销滑道17内部；楔子电磁铁5产生磁力排斥楔子永磁铁6，使楔形滑块3的斜面与楔形立柱2顶端斜面相接触，其中夹角α与摩擦系数μ间满足关系：

α≤arctanμ

以保证在任意质量载荷作用下楔形滑块3与楔形立柱2间产生摩擦自锁现象，保证楔形立柱2能够将基础提供的支持力传递给装置外壳1。当弧面10的圆心相对滚轮9的圆心产生某z向位移Z时，承载平台受机构提供的z向合力为：

因此机构所产生的刚度为：

由此得出，当满足B＜l时，此装置将整体产生负刚度。

当负刚度元件失效时，插销电磁铁15产生磁力排斥插销永磁铁14，插销12沿插销滑道17向外弹出，使插销12前端面与插销弧面13相接触并迫使中心立柱18上(下)移动，直到插销通道20所处高度与插销12所处高度相同，进而保证插销12前段插入插销通道20，同时插销12后端保持在插销滑道17内，最终使机构锁定在初始平衡状态，保证装置外壳1无法与承载平台19产生相对位移；楔子电磁铁5产生磁力F₅吸引楔子永磁铁6并贴合，其中磁力大小F₅需满足关系：

使楔形滑块3的斜面与楔形立柱2的斜面分离，进而保证装置外壳1与基础分离可以沿z向自由滑动。

具体应用的最佳实施例

处于低频、超低频振动环境的精密仪器储存、运输等，包括但不限与空间飞行器对接、大型空间柔性结构动力学性能测试、航天员训练等在内的空间零(微)重力环境地面模拟实验。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有平衡位置自动调节能力的负刚度元件，其特征在于，所述负刚度元件包括装置外壳(1)、两根楔形立柱(2)、四个楔形滑块(3)、两个外侧滑道(4)、四个楔子电磁铁(5)、四个楔子永磁铁(6)、两个水平弹簧(7)、两个滚轮支座(8)、两个滚轮(9)、两个弧面(10)、两个滚轮滑轨(11)、两个插销(12)、两个插销(13)、两个插销永磁铁(14)、两个插销电磁铁(15)、一个立柱导轨(16)、两个插销滑道(17)、中心立柱(18)、承载平台(19)、插销通道(20)以及楔形立柱滑道(21)；

置于两根楔形立柱(2)之间的装置外壳(1)呈U形状，装置外壳(1)两侧外端面上各设有一个外侧滑道(4)；

位于装置外壳(1)内的两个水平弹簧(7)同轴设置，每个水平弹簧(7)外侧端与装置外壳(1)对应的侧壁固定连接；每个水平弹簧(7)内侧端面与一个滚轮支座(8)固定连接；

每个水平弹簧(7)的下方对应设有一个与装置外壳(1)的上面固定连接的滚轮滑轨(11)；每个滚轮支座(8)与其下方的对应滚轮滑轨(11)滑动连接，保证滚轮支座(8)相对滑轨(11)的位移被限制在y方向上，所述y方向是指水平弹簧(7)的伸缩方向；

每个滚轮(9)与对应的滚轮支座(8)通过轴承连接并保证滚轮可以以轴承为圆心自由转动，每个滚轮(9)的轴线与水平弹簧(7)垂直，

位于两滚轮(9)及两个滚轮滑轨(11)之间的中心立柱(18)的两侧面分别设有一弧面(10)，每个滚轮(9)与对应侧的弧面(10)相接触；承载平台(19)与中心立柱(18)顶端固定连接，中心立柱(18)与装置外壳底端设有的立柱导轨(16)滑动连接以保证中心立柱(18)相对装置外壳(1)的位移被限制在z方向上，z方向上是指与水平面垂直的垂直方向；

每个外侧滑道(4)内壁两端分别与一个楔子电磁铁(5)固定连接，每个外侧滑道(4)内部两个楔子电磁铁(5)之间安装一对楔形滑块(3)，每个楔形滑块3外侧面固定连接有一个楔子永磁铁(6)，保证楔形滑块(3)相对外侧滑道(4)的位移被限制在x方向上；每个外侧滑道(4)与一个楔形立柱滑道(21)相配合，每个楔形立柱(2)上端的尖端通过楔形立柱滑道(21)穿过外侧滑道(4)下平面中心，并保证每个楔形立柱(2)上端的尖端可能与楔形滑块(3)的下部斜面相接触；；装置外壳(1)与楔形立柱(2)间的位移被限制在z方向上；

中心立柱(18)下部设有水平的插销通道(20)，插销通道(20)两端的开口具有插销弧面(13)，即插销通道(20)两端的开口呈渐扩的喇叭状，每个插销滑道(17)内嵌于对应的滚轮滑轨(11)内；两个插销滑道(17)水平分设在中心立柱(18)的两侧，两个插销滑道(17)的开口相对，每个插销(12)与对应侧的插销滑道(17)滑动连接，保证每个插销(12)相对于滚轮滑轨(11)的位移被限制在y方向上，每个插销滑道(17)的内端底面与一个插销电磁铁(15)固定连接；每个插销(12)靠近插销滑道(17)内端底面的一端端面与插销永磁铁(14)固定连接；插销通道(20)与其两侧的插销(12)对中设置。

2.根据权利要求1所述的一种具有平衡位置自动调节能力的负刚度元件，其特征在于，每根楔形立柱(2)的顶端面为两个相交的斜面，每个斜面与水平面的夹角相同。

3.根据权利要求2所述的一种具有平衡位置自动调节能力的负刚度元件，其特征在于，每根楔形立柱(2)的下端设有底座或与地面连接。

4.一种权利要求1、2或3所述负刚度元件的负刚度特性生成方法，其特征在于，所述方法的实现过程为：

定义两个滚轮(9)的圆心与两个弧面(10)的圆心的z坐标相等的情况被定义为负刚度元件的初始平衡状态，在初始平衡状态条件下两个插销(12)所处高度与插销通道(20)所处高度相同；楔形立柱(2)底端固定于基础，每个楔形立柱(2)的顶端斜面与xoy平面夹角为α，每个楔形滑块(3)的斜面与其顶面夹角为α，每个楔形立柱(2)与楔形滑块(3)的斜面间的摩擦系数为μ，每个滚轮(9)在水平弹簧(7)和滚轮滑轨(11)的作用下始终在弧面(10)上滚动，承载平台(19)上加装质量为m的载荷，滚轮(9)半径与弧面(10)半径之和为l，水平弹簧(7)刚度为k，水平弹簧(7)松弛状态下滚轮(9)圆心距离弧面(10)圆心的y向距离为B；

当负刚度元件生效时，插销电磁铁(15)产生磁力吸引插销永磁铁(14)并贴合，使插销(12)收缩在插销滑道(17)内部；楔子电磁铁(5)产生磁力排斥楔子永磁铁(6)，使楔形滑块(3)的斜面与楔形立柱(2)顶端斜面相接触，其中夹角α与摩擦系数μ间满足如下关系：

α≤arctanμ

以保证在任意质量载荷作用下楔形滑块(3)与楔形立柱(2)间产生摩擦自锁现象，保证楔形立柱(2)能够将基础提供的支持力传递给装置外壳(1)；当弧面(10)的圆心相对滚轮(9)的圆心产生某z向位移Z时，承载平台受机构提供的z向合力为：

因此机构所产生的刚度为：

由此得出，当满足B<l时，此负刚度元件将整体产生负刚度；

当负刚度元件失效时，插销电磁铁(15)产生磁力排斥插销永磁铁(14)，插销(12)沿插销滑道(17)向外弹出，使插销(12)前端面与插销弧面(13)相接触并迫使中心立柱(18)上下移动，直到插销通道(20)所处高度与插销(12)所处高度相同，进而保证两个插销(12)前段插入插销通道(20)，同时插销(12)后端保持在插销滑道(17)内，最终使机构锁定在初始平衡状态，保证装置外壳(1)无法与承载平台(19)产生相对位移；楔子电磁铁(5)产生磁力F₅吸引楔子永磁铁(6)并贴合，其中磁力大小F₅需满足关系：

使楔形滑块(3)的斜面与楔形立柱(2)的斜面分离，进而保证装置外壳(1)与基础分离可以沿z向自由滑动。

5.根据权利要求4所述的负刚度元件的负刚度特性生成方法，其特征在于，所述方法的实现过程为：通过控制楔子电磁铁(5)或插销电磁铁(15)的电流方向来改变电磁铁的磁极。

6.一种权利要求1所述的负刚度元件的应用，其特征在于，将所述负刚度元件用于处于低频、超低频振动环境的精密仪器储存、运输过程中。

7.一种权利要求1所述的负刚度元件的应用，其特征在于，将所述负刚度元件用于与空间飞行器对接、大型空间柔性结构动力学性能测试过程中或用于航天员训练的空间零或微重力环境地面模拟实验过程中。