CN112747061A - 一种基于双稳态曲梁的隔振结构 - Google Patents

一种基于双稳态曲梁的隔振结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双稳态曲梁的隔振结构，多个胞元结构依次连接，在平面或空间内规则排布构成隔振结构，每个胞元结构包括支撑杆，支撑杆的底端连接双稳态曲梁的顶部，双稳态曲梁的两端分别与连接杆的两端连接，双稳态曲梁的顶部与连接杆之间连接有弹簧。本发明结构简单，易于制作，且易于调节整体隔振系统中的正负刚度，进而调节准零刚度区间对应的力的大小，以适应不同负载，同时最小单元模块化设计，可适应于不同的结构环境，满足了工程需要。

Description

一种基于双稳态曲梁的隔振结构
技术领域
本发明属于隔振技术领域，具体涉及一种基于双稳态曲梁的隔振结构。
背景技术
由于当前线性隔振技术较为成熟，针对中高频振动的隔离已经能够很好地实现，而针对低频和超低频振动的隔离仍然面临挑战，并且低频和超低频振动对仪器和设备的危害较显著。要使系统的隔振频带向低频和超低频扩展，往往需要降低系统的刚度。传统被动隔振受自身特性限制实施起来非常困难，且难以兼顾承载能力和稳定性。准零刚度隔振器可使隔振系统在保证承载力的情况下具有较低的刚度，具有很好的低频隔振性能，因此，准零刚度系统的研究成为一大热点。准零刚度隔振器是将正负刚度弹性元件并联在静平衡位置，从而获得准零刚度。在涌现出的大量对准零刚度系统的研究中，通常选用弹簧作为弹性元件来实现这一特性。但获得准零刚度的方法大多基于欧拉梁与磁铁、弹簧与磁铁并联结构，这在很大程度上增加了隔振器的重量，同时使得结构更加复杂，而且基于磁铁的准零刚度一般很难从理论上得到准零刚度区间段，更不要说获得某一特定准零刚度区间段，也不能很好的验证提出的新结构是否能够应用于工程结构中，应用性较差。
因此，如何设计出简单，重量轻且易于操作，易于获得特定准零刚度区间段的实用性强的准零刚度隔振器成为亟需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于双稳态曲梁的隔振结构，结构简单，重量轻且易于操作。
本发明采用以下技术方案：
一种基于双稳态曲梁的隔振结构，包括胞元结构，多个胞元结构依次连接，在平面或空间内规则排布构成隔振结构，每个胞元结构包括支撑杆，支撑杆的底端连接双稳态曲梁的顶部，双稳态曲梁的两端分别与连接杆的两端连接，双稳态曲梁的顶部与连接杆之间连接有弹簧。
具体的，支撑杆为T型结构，水平段的两端分别连接对应的胞元结构。
具体的，连接杆为U型结构，两端分别与双稳态曲梁的两端连接。
具体的，支撑杆为硬材料，与负载直接接触，连接杆为硬材料，硬材料包括聚乳酸、陶瓷和聚己二酰己二胺，双稳态曲梁为软材料，软材料为橡胶材料，弹簧为正刚度。
进一步的，弹簧的刚度K计算如下：
Figure BDA0002870628580000021
其中，G为弹簧材料切变模量；d为弹簧线径；d2为弹簧中径，n为弹簧有效圈数。
具体的，双稳态曲梁的曲线方程为：
Figure BDA0002870628580000022
其中，
Figure BDA0002870628580000023
h为高度，t为厚度，L为长度。
进一步的，设常数
Figure BDA0002870628580000024
当Q>6时，余弦曲梁的力位移曲线描述为三段线性曲线，当dtop≤D≤dbot时，D表示横坐标-位移，dtop≈0.16h，dbot≈1.92h，双稳态曲梁为负刚度，刚度大小
Figure BDA0002870628580000025
E为弹性模量，I为极惯性矩，当连接正刚度
Figure BDA0002870628580000031
的弹簧时，双稳态曲梁的负刚度K1与刚度为K2的弹簧在数值上相等，整个结构在此位移区间段内的力学特性表现为准零刚度。
更进一步的，三段线性曲线具体为：
Figure BDA0002870628580000032
其中，F(D)表示纵坐标-力，D表示横坐标-位移，dmid≈4h/3，dend≈1.99h；点(dtop,ftop)表示曲梁力位移曲线第一段与第二段的交点，点(dbot,-fbot)表示曲梁力位移曲线第二段与第三段交点。
具体的，胞元结构按空间排布包括立方体、圆柱体和柱体结构。
进一步的，立方体结构至少包括8个胞元结构，4个胞元结构依次首尾连接组成上层结构，剩余4个胞元结构沿上层结构对应的胞元结构垂直翻转设置后组成下层结构，上层结构和下层结构连接构成隔振结构。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种基于双稳态曲梁的隔振结构，利用曲梁和弹簧组合实现准零刚度，结构简单易制作，且尺寸和多个胞元组合的形状可根据需求调节，有较强的可调节性和适应性。
进一步的，T型结构的设计提供了较大的承力面积，避免了只存在“T”型竖直杆受力集中导致杆件易损，将集中力分散为均布力，同时水平段的两端分别连接对应的胞元结构设置，保证在使用过程中具有对称性，不存在顶或者底。
进一步的，连接杆为U型结构设计，保证了双稳态曲梁与其连接后在整个隔振系统中提供负刚度，同时双稳态曲梁将力向U型连接杆传递，避免因受力过大导致断裂。
进一步的，支撑杆为硬材料，连接杆为硬材料，为负载提供支持力，双稳态曲梁为软材料提供隔振系统的负刚度，弹簧为隔振系统提供正刚度。
进一步的，可根据弹簧刚度影响因素对其刚度进行调节，使得弹簧正刚度与双稳态曲梁的负刚度在数值上相等，保证整个系统表现出准零刚度特性。
进一步的，双稳态曲梁的曲线方程设置，表明其高度，厚度，长度均影响其负刚度，改变以上参数，可调节整个隔振系统的负刚度。
进一步的，通过合理调节二维扩展结构中不同层h和t参数值，可以增大准零刚度区间段，从而增大隔振区间段，起到更好的隔振效果；当设计结构负载等于准零刚度区间段对应力的大小时，结构能够起到隔振作用；通过合理调节曲梁参数h和t，可以改变准零刚度区间对应的力的大小，从而适应不同负载。
进一步的，本发明所设计的最小单元模块化，可以使得对于不同的负载条件创建所需要的结构类型，如二维阵列与三维立方结构，同样的可根据需要将三维棱柱体最为最小胞元扩展到多种空间结构形式，以满足工程需要。
综上所述，本发明结构简单，易于制作，且易于调节整体隔振系统中的正负刚度，进而调节准零刚度区间对应的力的大小，以适应不同负载，同时最小单元模块化设计，可适应于不同的结构环境，满足了工程需要。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为双稳态曲梁力位移曲线图；
图3为准零刚度单个胞元结构有限元模型图；
图4为有限元模型力位移曲线仿真结果图；
图5为准零刚度多个胞元结构平面阵列排布图；
图6为准零刚度多个胞元结构三维圆柱阵列排布图；
图7为设计结构隔振原理示意图；
图8为平面阵列排布结构期望力位移曲线图。
其中：1.支撑杆；2.连接杆；3.双稳态曲梁；4.弹簧。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种基于双稳态曲梁的隔振结构，最小单元主要包括四个部分，支撑杆，连接杆，双稳态曲梁，弹簧。支撑杆呈T型，与负载直接接触，连接杆呈“U”型设计，目的在于连接双稳态曲梁提供支撑；双稳态曲梁按某一规定曲线形状，厚度设计，呈现上“凸”型，支撑杆设置于双稳态曲梁中间，双稳态曲梁结构主要提供整体结构的负刚度；所述弹簧设置于双稳态曲梁结构与连接杆中间，主要提供整体结构的正刚度。当设计的双稳态曲梁的负刚度与弹簧的正刚度在数值上相等时，在整个结构上表现出准零刚度，同时，若将多个最小单元二维排列或者形成三维空间结构，可合理化设计双稳态曲梁的厚度与上凸高度的比值，实现扩大准零刚度区间范围，对不同负载均可以起到隔振效果。
请参阅图1、图3、图5和图6，本发明一种基于双稳态曲梁的隔振结构，包括8个胞元结构，4个胞元结构依次连接组成上层结构，剩余4个胞元结构依次连接后组成下层结构，上层结构和下层结构连接构成隔振结构，连接方式可采用螺栓或铆钉等方式。
请参阅图3，单个胞元结构包括：支撑杆1、连接杆2、双稳态曲梁3、弹簧4；支撑杆1的底端和双稳态曲梁3的顶部连接，连接杆2的两端分别与双稳态曲梁3的两端连接，双稳态曲梁3的顶部与连接杆2之间连接有弹簧4；连接方式采用一体化打印或在连接处设计合适的配合，如留孔，通过螺栓或铆钉连接。
支撑杆1为硬材料，呈T型结构，与负载直接接触，当受压时几乎不发生变形，近似为刚体，其本身不储存能量，仅起到能量传递及支撑负载的作用。
连接杆2为硬材料，近似为刚体，连接杆2呈U型结构，U型两端分别与双稳态曲梁3的两端相连接，中间与弹簧4的一端相连；U型结构一方面起到连接弹簧4和双稳态曲梁3，另一方面使结构稳定直立。
硬材料包括聚乳酸、陶瓷和聚己二酰己二胺。
双稳态曲梁3为软材料，软材料为橡胶材料，当有外界加载力作用时，曲梁发生变形。双稳态曲梁3的力位移曲线在某一区间段内呈现负刚度特性，与正刚度弹簧4相连，适当调节曲梁与弹簧参数，实现正负刚度相消，则整个结构的力学特性在相应区间段内表现为准零刚度。
请参阅图1，双稳态曲梁3尺寸参数包括：厚度为t，高度为h，长度为L。双稳态曲梁3的曲线方程为：
Figure BDA0002870628580000081
设常数
Figure BDA0002870628580000082
当Q>2.31时，余弦曲梁具有双稳态特性；当Q>6时，余弦曲梁力位移曲线近似描述为三段线性曲线，请参阅图2的力位移曲线。曲线方程为：
Figure BDA0002870628580000083
其中，F(D)表示纵坐标-力，D表示横坐标-位移，
Figure BDA0002870628580000084
dmid≈4h/3，dtop≈0.16h，dbot≈1.92h，dend≈1.99h。点(dtop,ftop)表示曲梁力位移曲线第一段与第二段的交点，点(dbot,-fbot)表示曲梁力位移曲线第二段与第三段交点。
当dtop≤D≤dbot时，双稳态曲梁3为负刚度，刚度大小为
Figure BDA0002870628580000085
当连接正刚度为
Figure BDA0002870628580000086
的弹簧时，由于此时双稳态曲梁3的负刚度与刚度为K2的弹簧在数值上相等，整个结构在此位移区间段内的力学特性表现为准零刚度。
弹簧刚度由其本身材料参数和尺寸参数确定，弹簧刚度K计算如下：
Figure BDA0002870628580000087
其中，G为弹簧材料切变模量；d为弹簧线径；d2为弹簧中径，n为弹簧有效圈数。
请参阅图3，设置一组参数使Q>6，进行有限元仿真，为便于仿真计算，此时将弹簧简化为弹力绳，仿真参数：t＝0.375mm，h＝3mm，L＝16mm，支撑杆1和连接杆2设置为刚体，双稳态曲梁3设置为软材料。双稳态曲梁3的尺寸参数已知，由
Figure BDA0002870628580000091
得到负刚度值。据此，有限元仿真中弹簧刚度大小设置为
Figure BDA0002870628580000092
得到限元仿真结果，参阅图4力位移曲线图。
请参阅图4，看出所设计结构存在准零刚度区间段。对准零刚度曲线段进行方程拟合得：F(D)＝7.15D+1.10，而其斜率为7.15可近似为该斜线段与x轴正方向水平，力-位移曲线水平则表明此结构在该段位移下具有良好的准零刚度力学特性。
上面介绍了最小单元结构具体实施方式，通过简单的构造实现准零刚度，易于制造。在实际应用中，请参阅图5，可将多个这样的结构在平面内规则排布。请参阅图1，也可将多个这样的结构在空间内规则排布，图1中围成立方体排布，但不限于立方体，可以是圆柱体、棱柱体等多种排布形式，其中圆柱体排布形式参阅图6，占用空间小且均有利于结构稳定。
请参阅图7，为准零刚度隔振结构使用示意图，隔振器承接负载，将振动激励与负载隔开，吸收振动能量，减少传递到负载上的振动。
请参阅图5，通过调节曲梁和弹簧参数实现丰富的力学特性。保证同一层胞元的h和t相同，改变不同层之间高度h和厚度t及对应弹簧的刚度K2，参数h和t影响ftop，fbot，dmid，dtop，dbot，dend的大小，在满足Q>6的前提条件下，通过合理调节，可使准零刚度区间段错开，即在不同的位移区间段内，总存在近似不变的力，从而实现不同区间段的准零刚度力学特性，拓展了准零刚度区间段。期望通过调节参数h和t实现参阅图8所示的力位移曲线。
平面内结构较难达到减振要求，如车辆机械、医学上的减振需求。因此可将单个结构拓展到三维空间结构，以便更好的应用，参阅图1。图1中展示的三维空间结构可根据需求，作为最小胞元，通过在空间规则排布再进行扩展延伸，有利于保持结构稳定性。
为了结合图5和图1中所示结构的优点，既能满足空间中的减振需求，又能够实现不同区间段的准零刚度特性，可将图1展示的结构作为最小结构单元，按矩阵m*n*j排列，保证每一层胞元的h和t相同，合理调节不同层的h和t及对应弹簧刚度K2，使准零刚度区间段错开，从而实现多个区间段的准零刚度特性。
综上所述，本发明一种基于双稳态曲梁的隔振结构，结构简单，易于调节整体隔振系统中的正负刚度，进而调节准零刚度区间对应的力的大小，以适应不同负载，同时最小单元模块化设计，可适应于不同的结构环境，以满足工程需要。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于双稳态曲梁的隔振结构，其特征在于，包括胞元结构，多个胞元结构依次连接，在平面或空间内规则排布构成隔振结构，每个胞元结构包括支撑杆(1)，支撑杆(1)的底端连接双稳态曲梁(3)的顶部，双稳态曲梁(3)的两端分别与连接杆(2)的两端连接，双稳态曲梁(3)的顶部与连接杆(2)之间连接有弹簧(4)。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，支撑杆(1)为T型结构，水平段的两端分别连接对应的胞元结构。
3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，连接杆(2)为U型结构，两端分别与双稳态曲梁(3)的两端连接。
4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，支撑杆(1)为硬材料，与负载直接接触，连接杆(2)为硬材料，硬材料包括聚乳酸、陶瓷和聚己二酰己二胺，双稳态曲梁(3)为软材料，软材料为橡胶材料，弹簧(4)为正刚度。
5.根据权利要求4所述的结构，其特征在于，弹簧的刚度K计算如下：
Figure FDA0002870628570000011
其中，G为弹簧材料切变模量；d为弹簧线径；d2为弹簧中径，n为弹簧有效圈数。
6.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，双稳态曲梁的曲线方程为：
Figure FDA0002870628570000012
其中，
Figure FDA0002870628570000013
为高度，t为厚度，L为长度。
7.根据权利要求6所述的结构，其特征在于，设常数
Figure FDA0002870628570000014
当Q>6时，余弦曲梁的力位移曲线描述为三段线性曲线，当dtop≤D≤dbot时，D表示横坐标-位移，dtop≈0.16h，dbot≈1.92h，双稳态曲梁为负刚度，刚度大小
Figure FDA0002870628570000021
Figure FDA0002870628570000022
E为弹性模量，I为极惯性矩，当连接正刚度
Figure FDA0002870628570000023
的弹簧时，双稳态曲梁的负刚度K1与刚度为K2的弹簧在数值上相等，整个结构在此位移区间段内的力学特性表现为准零刚度。
8.根据权利要求7所述的结构，其特征在于，三段线性曲线具体为：
Figure FDA0002870628570000024
其中，F(D)表示纵坐标-力，D表示横坐标-位移，dmid≈4h/3，dend≈1.99h；点(dtop,ftop)表示曲梁力位移曲线第一段与第二段的交点，点(dbot,-fbot)表示曲梁力位移曲线第二段与第三段交点。
9.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，胞元结构按空间排布包括立方体、圆柱体和柱体结构。
10.根据权利要求9所述的结构，其特征在于，立方体结构至少包括8个胞元结构，4个胞元结构依次首尾连接组成上层结构，剩余4个胞元结构沿上层结构对应的胞元结构垂直翻转设置后组成下层结构，上层结构和下层结构连接构成隔振结构。
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