CN112178121A - 斜置压缩杆准零刚度隔振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斜置压缩杆准零刚度隔振器，包含外壳和平台，所述平台位于所述外壳的上部；杆体，所述杆体包含第一端和第二端，所述杆体的第一端与所述平台铰接，所述杆体的第二端与所述外壳铰接；所述杆体的宽度和厚度的尺寸略小于长度，多个所述杆体绕所述平台对称分布；弹簧，所述弹簧包含第一端和第二端，所述弹簧的第一端与所述平台连接；所述弹簧的第二端连接在所述外壳上；其中，所述平台上无载荷时，所述杆体与水平面的夹角不为零。所述平台负荷引起杆体压缩变形的过程中，所述杆体的变形限于其长度方向，而不会发生弯曲变形，也就是说本申请提供的斜置压缩杆准零刚度隔振器的系统承载时变形方向与受力方向一致，系统的刚度可解析。

Description

斜置压缩杆准零刚度隔振器

技术领域

本发明属于低频或超低频隔振器领域，具体涉及一种斜置压缩杆准零刚度隔振器。

背景技术

所谓准零刚度减振器，即具有高静态刚度和低动态刚度特性的隔振平台，高静态刚度意味着高承载能力或较小的静载变形，低动态刚度表示较低或接近于0的自然频率。这种特性的减振器主要是解决传统由质量m和刚度k构成的线性减振器产生的如下问题：由于线性减振器的有效隔振频率大于根号2倍的自然频率(k/m开根号)，因此如果要获得较宽的隔振频带范围，则线性减振器的刚度k需要无限小(自然频率更接近于0)，但这会引起极大的静态变形。因此，开发了具有高静态刚度和低动态刚度的准零刚度减振器。

准零刚度减振器的高静态刚度和低动态刚度特性为负刚度结构产生负刚度和正刚度结构产生的正刚度相互抵消使动态刚度为零，同时保持较高的静承载能力。根据负刚度结构类型不同，准零刚度减振器的类型也不同，目前已有多种类型的准零刚度减振器。

由于高精度航天器在轨运行时对振动非常敏感，在研发过程中需要进行地面微振动测试。地面微振动测试要在支持航天器重力的情况下，模拟其在轨自由状态，并隔离来自地面的微振动。因此要求实验的隔振设备可以支撑大质量物体，且无较大附加质量，并且实现接近零频的隔振。除此之外，隔振设备的阻尼应当较低，不影响被测结构的阻尼特性。为了满足以上要求，隔振器需要具有高静刚度来承载荷载而不产生大变形，同时具有低动刚度模拟自由边界条件，并且最大可能性地降低系统的固有频率来增加隔振范围。现有的准零刚度隔振器有三弹簧结构，屈曲结构，凸轮滚子结构等，这些隔振器在低频范围内承载量较小，附加质量和阻尼较大，无法满足航天器地面实验中的自由边界要求。

发明内容

本发明针对现有的准零刚度隔振器承载量较小，阻尼较大的不足，提供了一种斜置压缩杆准零刚度隔振器，具体方案如下：

所述斜置压缩杆准零刚度隔振器，包含：

外壳；

平台，所述平台位于所述外壳的上部；

杆体，所述杆体包含第一端和第二端，所述杆体的第一端与所述平台铰接，所述杆体的第二端与所述外壳铰接；所述杆体的宽度和厚度的尺寸略小于长度尺寸，多个所述杆体绕所述平台对称分布；

弹簧，所述弹簧包含第一端和第二端，所述弹簧的第一端与所述平台连接；所述弹簧的第二端连接在所述外壳上；

其中，所述平台上无载荷时，所述杆体与水平面的夹角不为零。

优选的，所述平台上无载荷时，所述杆体的第一端高于所述杆体的第二端。

优选的，所述弹簧与外壳在竖直方向上的相对位置通过连接件实现调节；

所述连接件与所述外壳的底部螺纹连接，所述弹簧的第二端固定连接在所述连接件上。

优选的，根据所述平台承载质量为m的载荷时所述弹簧的变形量δ调节所述弹簧的第二端与所述外壳的底板之间的距离，使得所述平台承载质量为m的载荷时所述杆体与水平面夹角为零。

优选的，根据公式

m＝k_vh/g＝2ESh(d^-1-l₀ ^-1)/g

设置所述平台在非载荷状态时所述杆体在垂直方向的高度h；

其中：杆体的长度为l₀，杆体在水平方向的长度为d，杆体的宽度尺寸为b，杆体的厚度尺寸为t，弹簧的刚度k_v，所述平台承载的载荷质量为m；S为所述杆体的横截面积；E为所述杆体的杨氏模量。

优选的，所述杆体数量为4。

优选的，所述杆体在竖直方向上分为上下两层，上下两层的杆体的水平位置重合。

优选的，所述斜置压缩杆准零刚度隔振器还包含：

中间台，所述中间台外周连接所述杆体的第一端，所述杆体绕所述中间台对称分布；

其中，所述平台上无载荷时，所述弹簧和杆体均处于非变形状态，与所述平台连接的杆体的第一端低于所述杆体的第二端；与所述中间台连接的杆体的第一端高于所述杆体的第二端。

优选的，所述杆体的第一端和第二端各沿宽度方向延伸出两个连接端，两个连接端在水平方向的截面为圆形；

所述连接端通过轴承、轴承座与所述外壳连接。

根据本发明提供的具体实施例，相比于现有技术，本发明公开了以下技术效果：

通过本发明，可以实现一种承载量大且自身阻尼小的斜置压缩杆准零刚度隔振器，适用于在高精度航天器的研发过程中进行地面微振动测试时支持航天器的重力，并隔离来自地面的微振动。在一种实现方式下，该斜置压缩杆准零刚度隔振器包含外壳和平台，所述平台位于所述外壳的上部；杆体，所述杆体包含第一端和第二端，所述杆体的第一端与所述平台铰接，所述杆体的第二端与所述外壳铰接；所述杆体的宽度和厚度的尺寸略小于长度，多个所述杆体绕所述平台对称分布；弹簧，所述弹簧包含第一端和第二端，所述弹簧的第一端与所述平台连接；所述弹簧的第二端连接在所述外壳上；其中，所述平台上无载荷时，所述杆体与水平面的夹角不为零。

所述平台负荷引起杆体压缩变形的过程中，由于本申请中所述杆体的宽度和厚度的尺寸略小于长度，使得所述杆体的变形限于其长度方向，而不会发生弯曲变形，也就是说本申请提供的斜置压缩杆准零刚度隔振器的系统承载时变形方向与受力方向一致，系统的刚度可解析。

所述杆体的长度为l₀，杆体的宽度尺寸为b，杆体的厚度尺寸为t，初始状态下杆体与水平面之间夹角的角度为θ₀，杆体在水平方向的长度为d，杆体在垂直方向的高度为h，杆体的刚度为k_n，弹簧的刚度k_v，E为杆体的杨氏模量，S为杆体的横截面积，所述平台承载的载荷质量为m，所述平台承载质量为m的载荷时所述弹簧竖直方向的变形量为δ、杆体与水平面之间夹角的角度为θ，则有：

杆的受力表达式

P＝2EStanθ(cosθ-cosθ₀)

根据三角关系，可以得到受力位移间的表达式

杆体的刚度为力对位移求导，即

因此，当变形量δ＝h时，杆体刚度为

弹簧的刚度为杆体压至水平(平衡位置)，即δ＝h时，因此，弹簧刚度表达式为

k_v＝2ES(d^-1-l₀ ^-1)

被隔振物体质量为

m＝k_vh/g＝2ESh(d^-1-l₀ ^-1)/g

因此，杆体和弹簧整体结构的刚度表达式为

K＝k_n+k_v

在平衡位置δ＝h时，对K表达式做泰勒展开，可以得到整体结构的刚度表达式

K＝3ESd^-3。

因此，本申请提供的斜置压缩杆准零刚度隔振器可以计算推导出刚度的解析方程。

附图说明

图1是本发明的实施例1提供的斜置压缩杆准零刚度隔振器的示意图1；

图2a)是本发明的实施例1提供的斜置压缩杆准零刚度隔振器的杆体的俯视图；

图2b)是本发明的实施例1提供的斜置压缩杆准零刚度隔振器的杆体的主视图；

图3是本发明的实施例1提供的斜置压缩杆准零刚度隔振器中杆体的尺寸示意图；

图4是本发明的实施例1中杆体、弹簧及斜置压缩杆准零刚度隔振器的位移-刚度曲线图；

图5是本发明的实施例1提供的斜置压缩杆准零刚度隔振器的示意图2；

图6是本发明的实施例2提供的斜置压缩杆准零刚度隔振器的示意图；

图7是本发明的实施例3提供的斜置压缩杆准零刚度隔振器的示意图。

其中，平台1、杆体2、轴承3、外壳4、弹簧5、连接件6、中间台7。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本发明提供一种斜置压缩杆准零刚度隔振器，如图1、2a)、2b)及5所示，所述斜置压缩杆准零刚度隔振器包含：

外壳4；

平台1，平台1位于外壳4的上部；

杆体2，杆体2包含第一端和第二端，杆体2的第一端与平台1铰接，杆体2的第二端与外壳4铰接；所述杆体2的横截面为矩形，且杆体2的宽度尺寸d和厚度尺寸h均略小于长度尺寸l₀，即杆体2整体呈现的是一个宽厚的杆状，在杆体2变形时，宽厚的杆状防止其发生弯曲失稳。本实施例中4个杆体2绕平台1中心对称分布。

弹簧5，弹簧5包含第一端和第二端，弹簧5的第一端与平台1连接；弹簧5的第二端连接在外壳4上；

当平台1上无载荷时，杆体2的第一端高于其第二端。

由于杆体2的宽度和厚度的尺寸略小于长度，平台1负荷状态时，杆体2会压缩变形，而不会产生弯曲变形。所述弯曲变形一方面会造成所述隔振器系统内失稳，失去隔振功能，另一方面弯曲变形与压缩变形同时发生则系统的刚度无法解析。

本实施例中，参照图3，杆体的长度为l₀，杆体的宽度尺寸为b，杆体的厚度尺寸为t，初始状态下杆体与水平面之间夹角的角度为θ₀，E为杆体1的杨氏模量，S为杆体1的横截面积，根据材料力学欧拉压杆定义，为了满足杆体1的稳定性，杆体1的长细比需要小于临界柔度λ_p(λ_p与压杆材料相关，235钢的λ_p＝100，工程应用中λ_p范围会根据实际相应调整)，因此

其中

S＝bt。因此

即：

杆体1的稳定性要求，临界应力小于极限应力σ_p，因此根据杆体1的临界应力的表达式可以得到

因此

结合

和

可以得到杆体1的长厚比。

又因为临界应力σ与杆体1与水平面的初始角度θ₀有关，因此可以得到关系式

根据上式可以得到杆的初始角度约束条件。

本实施例中杆体1的厚度与长度之比

并且杆体1初始位置与水平面之间的夹角θ₀满足

从而保证杆体1的变形限于其长度方向，而不会发生弯曲变形，系统的刚度可解析，这是本发明的重要发明点。

具体的刚度解析过程为：

本实施例中，参照图3，杆体在水平方向的长度为d，杆体在垂直方向的高度为h，杆体的刚度为k_n，弹簧的刚度k_v，所述平台承载的载荷质量为m，所述平台承载质量为m的载荷时所述弹簧竖直方向的变形量为δ,杆体1与水平面之间的夹角为θ，则有：

杆的受力表达式

P＝2EStanθ(cosθ-cosθ₀)

根据三角关系，可以得到受力位移间的表达式

杆体的刚度为力对位移求导，即

因此，当变形量δ＝h时，杆体刚度为

弹簧的刚度为杆体压至水平(平衡位置)，即δ＝h时，因此，弹簧刚度表达式为

k_v＝2ES(d^-1-l₀ ^-1)

被隔振物体质量为

m＝k_vh/g＝2ESh(d^-1-l₀ ^-1)/g

因此，杆体和弹簧整体结构的刚度表达式为

K＝k_n+k_v

在平衡位置δ＝h时，对K表达式做泰勒展开，可以得到整体结构的刚度表达式

K＝3ESd^-3。

本实施例中杆体2具有负刚度，图4中的虚线代表弹簧5的刚度曲线，点划线代表杆体2的负刚度曲线，实线为杆体2与弹簧5组合的结构的刚度曲线。试验过程中，以杆体2被压到水平状态作为平衡位置，即工作位置，此时杆体2与弹簧5组合的整体结构形成零刚度。

在本实施例中，杆体2的第一端和第二端各沿宽度方向延伸出两个连接端，两个连接端在水平方向的截面为圆形；所述连接端通过轴承3、轴承座与外壳4连接，两者之间实现铰接，通过轴承3实现铰接，保证平台1承载过程中，杆体2能够随其顺滑活动，减小杆体2两端与外壳4之间的摩擦，即最大程度削弱了外壳4对杆体1的在竖直方向上的支点作用，进一步避免杆体2发生弯曲变形。

在本实施例中，弹簧5与外壳4之间设置连接件6，弹簧5与外壳4二者在竖直方向上的相对位置通过连接件6实现调节。具体地，连接件6与外壳4的底部之间为螺纹连接，弹簧5的第二端固定连接在连接件6上。通过改变连接件6与外壳4的底部之间的螺纹连接的长度，改变弹簧5的压缩变形量，使得加载后，杆体2水平，即杆体2与水平面夹角为零。通过连接件6可以调整弹簧5在非承载状态下的变形量，从而可以适应不同承载质量，这是本发明的另一重要发明点。

本实施例中，外壳4的底板为平面，弹簧5的第二端位于所述外壳的底板的上方，这是优选的一种结构设计方案。

本实施例中通过连接件6与外壳4的相对位移来调整弹簧5的长度。试验前，调节器处于初始位置处，需要承载物体的质量为m，根据公式

m＝k_vh/g＝2ESh(d^-1-l₀ ^-1)/g

设置所述平台在非载荷状态时所述杆体在垂直方向的高度h。因此通过连接件6可以通过调节器调整线性弹簧底端的位置，保证变形后弹簧5的第一端的位置使杆体2与水平面的夹角为零，即δ＝h。

实施例2

本发明提供一种斜置压缩杆准零刚度隔振器，如图6所示，所述斜置压缩杆准零刚度隔振器包含：

外壳4；

平台1，平台1位于外壳4的上部；

杆体2，杆体2包含第一端和第二端，杆体2的第一端与平台1铰接，杆体2的第二端与外壳4铰接；所述杆体2的横截面为矩形，且杆体2的宽度尺寸d和厚度尺寸h均略小于长度尺寸l₀，即杆体2整体呈现的是一个宽厚的杆状，在杆体2变形时，宽厚的杆状防止其发生弯曲失稳。本实施例中4个杆体2绕平台1中心对称分布。

弹簧5，弹簧5包含第一端和第二端，弹簧5的第一端与平台1连接；弹簧5的第二端连接在外壳4上；

当平台1上无载荷时，杆体2的第一端高于其第二端。

并且杆体2在竖直方向上分为上下两层，上下两层的杆体2的水平位置重合。

通过本实施例一方面可以提高承载能力；另一方面可以提高结构的对称性和稳定性，减小左右两边杆体的变形差异。

实施例3

本发明提供一种斜置压缩杆准零刚度隔振器，如图7所示，所述斜置压缩杆准零刚度隔振器包含：

外壳4；

平台1，平台1位于外壳4的上部；

杆体2，杆体2包含第一端和第二端，杆体2的第一端与平台1铰接，杆体2的第二端与外壳4铰接；所述杆体2的横截面为矩形，且杆体2的宽度尺寸d和厚度尺寸h均略小于长度尺寸l₀，即杆体2整体呈现的是一个宽厚的杆状，在杆体2变形时，宽厚的杆状防止其发生弯曲失稳。本实施例中4个杆体2绕平台1中心对称分布。

弹簧5，弹簧5包含第一端和第二端，弹簧5的第一端与平台1连接；弹簧5的第二端连接在外壳4上；

中间台，所述中间台外周连接所述杆体的第一端，所述杆体绕所述中间台对称分布；

其中，所述平台上无载荷时，所述弹簧和杆体均处于非变形状态，与所述平台连接的杆体的第一端低于所述杆体的第二端；与所述中间台连接的杆体的第一端高于所述杆体的第二端。

本实施例提高了准零刚度隔振行程，当物体在垂直方向运动时，以平衡位置为基准的一段垂直距离内都可以实现准零刚度。此外，本实施例降低了结构的非线性，因此提高了动力学响应的稳定性。

以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.斜置压缩杆准零刚度隔振器，其特征在于，包含：

外壳；

平台，所述平台位于所述外壳的上部；

杆体，所述杆体包含第一端和第二端，所述杆体的第一端与所述平台铰接，所述杆体的第二端与所述外壳铰接；所述杆体的宽度和厚度的尺寸略小于长度尺寸，多个所述杆体绕所述平台对称分布；

弹簧，所述弹簧包含第一端和第二端，所述弹簧的第一端与所述平台连接；所述弹簧的第二端连接在所述外壳上；

其中，所述平台上无载荷时，所述杆体与水平面的夹角不为零。

2.如权利要求1所述的斜置压缩杆准零刚度隔振器，其特征在于，所述平台上无载荷时，所述杆体的第一端高于所述杆体的第二端。

3.如权利要求2所述的斜置压缩杆准零刚度隔振器，其特征在于，所述弹簧与外壳在竖直方向上的相对位置通过连接件实现调节；

所述连接件与所述外壳的底部螺纹连接，所述弹簧的第二端固定连接在所述连接件上。

4.如权利要求3所述的斜置压缩杆准零刚度隔振器，其特征在于，根据所述平台承载质量为m的载荷时所述弹簧的变形量δ调节所述弹簧的第二端与所述外壳的底板之间的距离，使得所述平台承载质量为m的载荷时所述杆体与水平面夹角为零。

5.如权利要求4所述的斜置压缩杆准零刚度隔振器，其特征在于，根据公式

m＝k_vh/g＝2ESh(d^-1-l₀ ^-1)/g

设置所述平台在非载荷状态时所述杆体在垂直方向的高度h；

其中：杆体的长度为l₀，杆体在水平方向的长度为d，杆体的宽度尺寸为b，杆体的厚度尺寸为t，弹簧的刚度k_v，所述平台承载的载荷质量为m；S为所述杆体的横截面积；E为所述杆体的杨氏模量。

6.如权利要求2所述的斜置压缩杆准零刚度隔振器，其特征在于，所述杆体数量为4。

7.如权利要求2所述的斜置压缩杆准零刚度隔振器，其特征在于，所述杆体在竖直方向上分为上下两层，上下两层的杆体的水平位置重合。

8.如权利要求1所述的斜置压缩杆准零刚度隔振器，其特征在于，还包含

中间台，所述中间台外周连接所述杆体的第一端，所述杆体绕所述中间台对称分布；

其中，所述平台上无载荷时，所述弹簧和杆体均处于非变形状态，与所述平台连接的杆体的第一端低于所述杆体的第二端；与所述中间台连接的杆体的第一端高于所述杆体的第二端。

9.如权利要求1至8任一所述的斜置压缩杆准零刚度隔振器，其特征在于，所述杆体的第一端和第二端各沿宽度方向延伸出两个连接端，两个连接端在水平方向的截面为圆形；

所述连接端通过轴承、轴承座与所述外壳连接。

Images