CN111963602B - 基于电磁负刚度的双稳态非线性能量肼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁负刚度的双稳态非线性能量肼，其中磁环与中心杆、上下对压弹簧沿轴向能够相对第一套筒和第二套筒运动，由上下对压弹簧为系统提供支撑；上下磁环和上下线圈分别对中磁环施加吸引力构成在线可调的电磁负刚度弹簧，通过电磁负刚度弹簧与上下对压弹簧并联构成双稳态非线性能量肼；上下线圈未通电时，调节上下磁环与中磁环间距离即可调节永磁负刚度性能；上下线圈通电时，调节上下线圈中的电流大小和上下线圈与中磁环间距离，可实时调节电磁负刚度性能；本发明应用电磁负刚度弹簧实现具有两个平衡点的非线性能量肼，拓宽了吸振频带、降低了能量输入阀值，可实现多模态振动靶能量的单向传递。

Description

基于电磁负刚度的双稳态非线性能量肼

技术领域

本发明涉及吸振技术领域，具体涉及一种基于实时可调的电磁负刚度实现的双稳态非线性能量肼。

背景技术

随着国民经济和国防事业的快速发展，航空航天、航海等领域对高新技术的需求日益增加，其自身和搭载的各类高精度有效载荷对振动环境提出了越来越高的要求。一方面，航天器上的天线、太阳帆板等部件朝着柔性化、大型化方向发展，使得结构柔性增加，低频模态密集，易受到外界干扰而产生振动，从而影响有效载荷正常工作；另一方面，随着日趋高速化运转的机械设备以及艇体结构的大型化与轻薄化，采取常规的减振措施往往难以满足系统的抑振要求，这些因素限制了高速运转机械设备的应用与发展。长期处于剧烈振动环境中的有效载荷将出现使用寿命缩短、测量精度降低、以及结构破坏失效等问题。

常见的振动控制主要为隔振方式和吸振方式。隔振方式是通过在振动传递路径上嵌入隔振装置以降低振动源与结构之间的动态耦合，达到减振的目的；吸振方式是通过设置包含特定质量、刚度和阻尼的附加子结构，并利用附加子结构转移消耗主系统振动能量，达到抑制结构振动的的目的。隔振器在实际应用中常常需要特定结构且占用较大空间范围，而吸振器因其性能稳定、便于安装等特点，在应用中较隔振器更具优势。然而，传统线性吸振器存在吸振频带窄，仅实现单频振动控制；在受到冲击载荷、随机振动等宽频振动激励时，线性吸振器难以实现高效的宽频段吸振；线性吸振器对外部激励频率敏感，激励频率偏移吸振器共振频率时，将会放大结构的振动响应；此外，对于结构的多模态振动，只有附加多个线性吸振器联合作用才能实现多模态振动控制，而附加的多个线性吸振器将会使得系统复杂，导致附加质量过大。

为了解决以上问题，研究人员近年来将具有附加质量小、抑制频带宽、可实现靶能量定向传递的非线性能量肼(Nonlinear energy sink,NES)应用于结构的减振降噪。与传统线性吸振器相比，NES没有固有频率，具有可观的吸振带宽，大幅提升了减振效率；同时，NES可实现主系统振动能量向附加NES的单向靶能量传递，单一的NES可实现振动结构的多模态靶能量传递，使得主结构的振动能量最终由NES吸收耗散。然而，已有关于NES的研究表明：NES 能够实现高效吸振的前提是主系统需要有一定的能量输入，即存在能量输入阀值；同时，在 NES的结构设计过程中面临着NES纯立方刚度难以实现的窘境。

发明内容

为克服现有技术存在的问题，本发明提供一种基于电磁负刚度的双稳态非线性能量肼，将由上磁环、中磁环、下磁环和上下线圈构成的电磁负刚度弹簧与上下对压弹簧并联构成具有两个稳定平衡点的双稳态非线性能量肼，通过调控上下线圈中直流电大小实现双稳态特性的在线实时调控，并能实现振动结构的宽频带吸振和多模态靶能量单向传递，降低主系统输入能量阀值。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于电磁负刚度的双稳态非线性能量肼的特点：

由第一套筒和第二套筒对接形成筒体，以所述筒体为支撑设置各构件，包括：

中心杆，位于筒体中轴上，其上端凸伸于第一套筒的顶端，其下端固连磁环夹具，使中心杆能够与磁环夹具一同在筒体内轴向运动，中磁环配置在磁环夹具中形成一体结构；所述磁环夹具由上对压弹簧和下对压弹簧沿轴向对压固定，由均呈压缩状态的上对压弹簧和下对压弹簧构成的上下对压弹簧为中心杆提供正刚度支撑；

所述第一套筒在顶部具有凸台式上管段，所述上管段为螺纹管段，具有上管段内壁上的第一内螺纹和上管段外壁上的第一外螺纹，套装在上管段外周上的上线圈套管与第一外螺纹配合设置，上线圈绕制在所述上线圈套管上；位于上管段管口中的上法兰轴承与第一内螺纹配合设置，在所述上法兰轴承的底部连接一段第一外螺纹段，上磁环以螺纹配合套装在所述第一外螺纹段上，所述中心杆的中部光杆段贯穿上法兰轴承在筒体顶部凸伸，所述上法兰轴承以其轴向通孔为中心杆提供轴向导向；

所述第二套筒的底部具有凸台式下管段，所述下管段为螺纹管段，具有下管段内壁上的第二内螺纹和下管段外壁上的第二外螺纹，套装在下管段外周的下线圈套管与第二外螺纹配合设置，下线圈绕制在所述下线圈套管上；位于下管段管口中的下法兰轴承与第二内螺纹配合设置，在所述下法兰轴承的顶面连接第二外螺纹段，下磁环以螺纹配合套装在所述第二外螺纹段上；

所述第一套筒中的上管段、第二套筒中的下管段处在同轴位置上；由上磁环、下磁环、上线圈和下线圈分别对中磁环施加吸引力，构成在线可调的电磁负刚度弹簧，将所述电磁负刚度弹簧与上下对压弹簧并联构成双稳态非线性能量肼；

所述上磁环、中磁环和下磁环均采用沿轴向充磁的钕铁硼材料，其它各构件均采用非导磁金属材料或弱导磁金属材料。

本发明基于电磁负刚度的双稳态非线性能量肼的结构特点也在于：所述磁环夹具是由腔体和搭设在腔体上端面中的内环退台上的端盖构成，中心杆的下螺纹段依次穿过上端盖和中磁环，并与腔体下端面的中心螺纹紧固适配。

本发明基于电磁负刚度的双稳态非线性能量肼的结构特点也在于：所述第一套筒中上管段的底口内环有第一环槽，所述第二套筒中下管段的上口内环有第二环槽，所述磁环夹具中腔体的上端面外环有第三环槽，所述磁环夹具中腔体的下端面外环有第四环槽；所述上对压弹簧的上端和下端一一对应套合在第一环槽和第三环槽中；所述下对压弹簧的上端和下端一一对应套合在第四环槽和第二环槽中。

本发明基于电磁负刚度的双稳态非线性能量肼的结构特点也在于：利用螺纹转动上法兰轴承和下法兰轴承，以此调节上磁环和下磁环与中磁环的轴向距离，实现永磁负刚度性能的调控。

本发明基于电磁负刚度的双稳态非线性能量肼的结构特点也在于：利用上线圈套管和下线圈套管一一对应调整上线圈和下线圈与中磁环的轴向距离，实现电磁负刚度性能的调控。

本发明基于电磁负刚度的双稳态非线性能量肼的结构特点也在于：所述上磁环、中磁环、下磁环、上线圈和下线圈构成可在线实时调控的电磁负刚度弹簧；通过调节上线圈和下线圈中的电流大小实现电磁负刚度性能的实时调控。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明将电磁负刚度弹簧与上下对压弹簧并联构成具有两个稳定平衡点的双稳态非线性能量肼，较已有线性吸振器和纯立方刚度NES具有更宽的吸振频带、更低的能量输入阀值，能够实现多模态振动靶能量单向传递；本发明沿轴向可产生较大振动位移，对于微位移振动反应灵敏；

2、本发明中电磁负刚度弹簧，在当上线圈和下线圈未通电时，上磁环、中磁环和下磁环沿轴向提供永磁负刚度；而当上线圈和下线圈通电时，调节输入电流大小即可实现电磁负刚度性能的实时调控，从而可根据实际工况在线调控吸振带宽和能量输入阀值；并利用电磁负刚度抵消了上下对压弹簧的并联正刚度，使整体刚度得以降低，有助于低频振动的高效吸振；

3、本发明中电磁机构的应用获得了响应快、非接触、占用空间小的优势；通过转动上法兰轴承、下法兰轴承、上线圈套管和下线圈套管即可对应调节上磁环、下磁环、上线圈套管、下线圈套管与中磁环之间的轴向相对位置，以此获得理想的电磁负刚度特性；

4、本发明当应用于主系统，并受到外部激励作用时，因中磁环轴向运动、上线圈和下线圈引入时变磁场，将会在非导磁或弱导磁金属零构件中产生电涡流，从而进一步改善阻尼特性；其上线圈与下线圈反向串联并通入大小相同的电流，有助于减少外部电流源的使用；其结构简单，安装方便，成本低，对于主系统的外部激励频率不敏感，具有良好的宽频带吸振性能。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明中的中心杆结构示意图；

图3为本发明中磁环夹具结构示意图；

图4a为本发明中上法兰轴承结构示意图；

图4b为本发明中下法兰轴承结构示意图；

图5a为本发明中第一套筒结构示意图；

图5b为本发明中第二套筒结构示意图；

图6a为本发明中上线圈套管结构示意图；

图6b为本发明中下线圈套管结构示意图。

图中标号：1中心杆，1.1上螺纹段，1.2下螺纹段，2上法兰轴承，2.1第一外螺纹段，2.2上法兰外螺纹，3第一套筒，3.1第一内螺纹，3.2第一外螺纹，3.3第一环槽，3.4第一通孔，5上磁环，6第一螺母，7上线圈套管，7.1第一内螺纹段，7.2第一侧向凸台，7.3第二侧向凸台，8上对压弹簧，9端盖，10中磁环，11磁环夹具，11.1中心螺纹，11.2内环退台，11.3第三环槽，11.4第四环槽，12螺栓，13第二螺母，14第二套筒，14.1第二内螺纹，14.2第二外螺纹，14.3第二环槽，14.4第二通孔，15下对压弹簧，16第三螺母，17下磁环，19下线圈套管，19.1第二内螺纹段，19.2第三侧向凸台，19.3第四侧向凸台，20下法兰轴承，20.1第二外螺纹段，20.2下法兰外螺纹。

具体实施方式

本实施例中基于电磁负刚度的双稳态非线性能量肼的结构形式是：

如图1所示，由第一套筒3和第二套筒14对接形成筒体，以筒体为支撑设置各构件，包括：中心杆1，位于筒体中轴上，其上端凸伸于第一套筒3的顶端，其下端固连磁环夹具11，使中心杆1能够与磁环夹具11一同在筒体内轴向运动，中磁环10配置在磁环夹具11中形成一体结构；磁环夹具11由上对压弹簧8和下对压弹簧15沿轴向对压固定，由均呈压缩状态的上对压弹簧8和下对压弹簧15构成的上下对压弹簧为中心杆1提供正刚度支撑。

如图1、图4a、图5a和图6a所示，第一套筒3在顶部具有凸台式上管段，上管段为螺纹管段，具有上管段内壁上的第一内螺纹3.1和上管段外壁上的第一外螺纹3.2，套装在上管段外周上的上线圈套管7具有第一内螺纹段7.1，并以其第一内螺纹段7.1与第一外螺纹3.2螺纹配合，上线圈4绕制在上线圈套管7上，由上线圈套管7中的第一侧向凸台7.2和第二侧向凸台7.3共同形成上线圈骨架；位于上管段管口中的上法兰轴承2利用其上法兰外螺纹2.2与第一内螺纹3.1配合设置，在上法兰轴承2的底部连接一段第一外螺纹段2.1，上磁环5以螺纹配合套装在第一外螺纹段2.1上，并由第一螺母6紧固在第一外螺纹段2.1 上，调节第一螺母6在第一外螺纹段2.1上的旋进深度可以调控所安装的上磁环5的厚度；中心杆1的中部光杆段贯穿上法兰轴承2在筒体顶部凸伸，上法兰轴承2以其轴向通孔为中心杆1提供轴向导向。

如图1、图4b、图5b和图6b所示，第二套筒14的底部具有凸台式下管段，下管段为螺纹管段，具有下管段内壁上的第二内螺纹14.1和下管段外壁上的第二外螺纹14.2，套装在下管段外周的下线圈套管19具有第二内螺纹段19.1，并以其第二内螺纹段19.1与第二外螺纹14.2螺纹配合，下线圈18绕制在下线圈套管19上，由下线圈套管19中的第三侧向凸台19.2和第四侧向凸台19.3共同形成下线圈骨架；位于下管段管口中的下法兰轴承20利用其下法兰外螺纹20.2与第二内螺纹14.1配合设置，在下法兰轴承20的顶面连接第二外螺纹段20.1，下磁环17以螺纹配合套装在第二外螺纹段20.1上，并由第三螺母16紧固在第二外螺纹段20.1上，调节第三螺母16在第二外螺纹段20.1上的旋进深度可以调控所安装的下磁环17的厚度。

第一套筒3中的上管段、第二套筒14中的下管段处在同轴位置上；由上磁环5、下磁环 17、上线圈4和下线圈18分别对中磁环10施加吸引力，构成在线可调的电磁负刚度弹簧，将电磁负刚度弹簧与上下对压弹簧并联构成双稳态非线性能量肼。

第一套筒3和第二套筒14的对接设置为法兰连接，是利用螺栓12和第二螺母13，以及分别设置在第一套筒3的法兰盘上的第一通孔3.4和设置在第二套筒14的法兰盘上的第二通孔14.4紧固连接。

上磁环5、中磁环10和下磁环17均采用沿轴向充磁的钕铁硼材料，其它各构件均采用非导磁金属材料或弱导磁金属材料。

具体实施中，相应的技术措施也包括：

如图1、图2和图3所示，磁环夹具11是由腔体和搭设在腔体上端面中的内环退台11.2 上的端盖9构成，中心杆1的下螺纹段1.2依次穿过上端盖9和中磁环10，并与腔体下端面的中心螺纹11.1紧固适配。

如图3、图5a和图5b所示，第一套筒3中上管段的底口内环有第一环槽3.3，第二套筒 14中下管段的上口内环有第二环槽14.3，磁环夹具11中腔体的上端面外环有第三环槽11.3，磁环夹具11中腔体的下端面外环有第四环槽11.4；上对压弹簧8的上端和下端一一对应套合在第一环槽3.3和第三环槽11.3中；下对压弹簧15的上端和下端一一对应套合在第四环槽11.4和第二环槽14.3中。

具体实施中，利用螺纹转动上法兰轴承2和下法兰轴承20，以此调节上磁环5和下磁环 17与中磁环10的轴向距离，能够实现永磁负刚度性能的调控；利用螺纹转动上线圈套管7 和下线圈套管19一一对应调整上线圈4和下线圈18与中磁环10的轴向距离，能够实现电磁负刚度性能的调控；上磁环5、中磁环10、下磁环17、上线圈4和下线圈18构成可在线实时调控的电磁负刚度弹簧；通过调节上线圈4和下线圈18中的电流大小，能够实现电磁负刚度性能的实时调控。

本发明利用中心杆1的上螺纹段1.1连接外部主振动系统，通过上对压弹簧8、下对压弹簧15与由上磁环5、中磁环10、下磁环17、上线圈4和下线圈18构成的电磁负刚度弹簧并联构成可在线调控的双稳态非线性能量肼，电磁负刚度抵消由上对压弹簧8和下对压弹簧15的并联正刚度，使整体刚度得以降低，提升低频振动的吸振性能。

具本实施中，中心杆1中上螺纹段1.1与被控结构螺纹连接，当被控结构在外部激励作用下产生振动时，中心杆1带动中磁环10沿轴向相对于第一套筒3和第二套筒14运动，轴向振动的磁环夹具11将反复压缩或拉伸上对压弹簧8和下对压弹簧15；同时，上磁环5、下磁环17、通入直流电的上线圈4和下线圈18分别对中磁环10施加吸引力形成在线可调的电磁负刚度弹簧，通过电磁负刚度弹簧与由上对压弹簧8和下对压弹簧15并联构成的正刚度支撑弹簧进行并联构成双稳态结构，沿轴向振动的中心杆1连同中磁环10在双稳态结构的两个平衡点之间往复跳跃，通过旋扭上法兰轴承2、下法兰轴承20、上线圈套管7、下线圈套管 19和调节通入电流大小可实时调控电磁负刚度特性，实现本发明的主被动一体化控制；与此同时，时变磁场将在非导磁或弱导磁金属零部件内形成电涡流，产生于运动方向相反的电磁阻尼力，由此提升并改善了装置的阻尼特性，本发明应用电磁负刚度弹簧实现具有两个平衡点的非线性能量肼，拓宽了吸振频带、降低了能量输入阀值，可实现多模态振动的单向靶能量传递。

Claims (6)

1.一种基于电磁负刚度的双稳态非线性能量肼，其特征是：

由第一套筒(3)和第二套筒(14)对接形成筒体，以所述筒体为支撑设置各构件，包括：

中心杆(1)，位于筒体中轴上，其上端凸伸于第一套筒(3)的顶端，其下端固连磁环夹具(11)，使中心杆(1)能够与磁环夹具(11)一同在筒体内轴向运动，中磁环(10)配置在磁环夹具(11)中形成一体结构；所述磁环夹具(11)由上对压弹簧(8)和下对压弹簧(15)沿轴向对压固定，由均呈压缩状态的上对压弹簧(8)和下对压弹簧(15)构成的上下对压弹簧为中心杆(1)提供正刚度支撑；

所述第一套筒(3)在顶部具有凸台式上管段，所述上管段为螺纹管段，具有上管段内壁上的第一内螺纹(3.1)和上管段外壁上的第一外螺纹(3.2)，套装在上管段外周上的上线圈套管(7)与第一外螺纹(3.2)配合设置，上线圈(4)绕制在所述上线圈套管(7)上；位于上管段管口中的上法兰轴承(2)与第一内螺纹(3.1)配合设置，在所述上法兰轴承(2)的底部连接一段第一外螺纹段(2.1)，上磁环(5)以螺纹配合套装在所述第一外螺纹段(2.1)上，所述中心杆(1)的中部光杆段贯穿上法兰轴承(2)在筒体顶部凸伸，所述上法兰轴承(2)以其轴向通孔为中心杆(1)提供轴向导向；

所述第二套筒(14)的底部具有凸台式下管段，所述下管段为螺纹管段，具有下管段内壁上的第二内螺纹(14.1)和下管段外壁上的第二外螺纹(14.2)，套装在下管段外周的下线圈套管(19)与第二外螺纹(14.2)配合设置，下线圈(18)绕制在所述下线圈套管(19)上；位于下管段管口中的下法兰轴承(20)与第二内螺纹(14.1)配合设置，在所述下法兰轴承(20)的顶面连接第二外螺纹段(20.1)，下磁环(17)以螺纹配合套装在所述第二外螺纹段(20.1)上；

所述第一套筒(3)中的上管段、第二套筒(14)中的下管段处在同轴位置上；由上磁环(5)、下磁环(17)、上线圈(4)和下线圈(18)分别对中磁环(10)施加吸引力，构成在线可调的电磁负刚度弹簧，将所述电磁负刚度弹簧与上下对压弹簧并联构成双稳态非线性能量肼；

所述上磁环(5)、中磁环(10)和下磁环(17)均采用沿轴向充磁的钕铁硼材料，其它各构件均采用非导磁金属材料或弱导磁金属材料。

2.根据权利要求1所述的基于电磁负刚度的双稳态非线性能量肼，其特征是：所述磁环夹具(11)是由腔体和搭设在腔体上端面中的内环退台(11.2)上的端盖(9)构成，中心杆(1)的下螺纹段(1.2)依次穿过端盖(9)和中磁环(10)，并与腔体下端面的中心螺纹(11.1)紧固适配。

3.根据权利要求2所述的基于电磁负刚度的双稳态非线性能量肼，其特征是：所述第一套筒(3)中上管段的底口内环有第一环槽(3.3)，所述第二套筒(14)中下管段的上口内环有第二环槽(14.3)，所述磁环夹具(11)中腔体的上端面外环有第三环槽(11.3)，所述磁环夹具(11) 中腔体的下端面外环有第四环槽(11.4)；所述上对压弹簧(8)的上端和下端一一对应套合在第一环槽(3.3)和第三环槽(11.3)中；所述下对压弹簧(15)的上端和下端一一对应套合在第四环槽(11.4)和第二环槽(14.3)中。

4.根据权利要求1所述的基于电磁负刚度的双稳态非线性能量肼，其特征是：利用螺纹转动上法兰轴承(2)和下法兰轴承(20)，以此调节上磁环(5)和下磁环(17)与中磁环(10)的轴向距离，实现永磁负刚度性能的调控。

5.根据权利要求1所述的基于电磁负刚度的双稳态非线性能量肼，其特征是：利用上线圈套管(7)和下线圈套管(19)一一对应调整上线圈(4)和下线圈(18)与中磁环(10)的轴向距离，实现电磁负刚度性能的调控。

6.根据权利要求1所述的基于电磁负刚度的双稳态非线性能量肼，其特征是：所述上磁环(5)、中磁环(10)、下磁环(17)、上线圈(4)和下线圈(18)构成可在线实时调控的电磁负刚度弹簧；通过调节上线圈(4)和下线圈(18)中的电流大小实现电磁负刚度性能的实时调控。

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