CN113586660B - 一种模块化准零刚度隔振结构 - Google Patents

一种模块化准零刚度隔振结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模块化准零刚度隔振结构，包括若干个并排设置的隔振模块，每个隔振模块均包括正刚度单元和若干个负刚度单元；若干个负刚度单元由上至下依次相连，负刚度单元包括上壳体、运动轴和两个双曲梁，双曲梁包括两个上下平行且间隔设置的余弦形屈曲梁，同一个双曲梁中的两个余弦形屈曲梁的中部和两端分别固连，双曲梁的两端分别与上壳体的内壁固连，运动轴穿过两个双曲梁的中心，且双曲梁与运动轴固连，运动轴竖直，双曲梁的两端位于同一水平面上；正刚度单元包括下壳体、弹性体支架和电流变弹性体；上壳体和下壳体均呈筒状，上壳体与相邻的上壳体固连。本发明的模块化准零刚度隔振结构的隔振效果好。

Description

一种模块化准零刚度隔振结构
技术领域
本发明涉及振动控制技术领域，特别是涉及一种模块化准零刚度隔振结构。
背景技术
机械振动是自然界最普遍的现象之一，广泛存在于日常生活和生产实践中。多数情况下，机械振动为有害振动，例如精密加工平台、光学平台、测量仪器等受振动干扰，均会影响其工作性能；又如海洋平台、船舶设备、机车等机械设备产生的振动，不仅会影响设备的正常运行、还会引起结构的疲劳损伤以及危害工作人员的健康。因此，采取有效措施降低有害振动具有重要意义。隔振器作为连接载体与设备之间的弹性元件，能有效减小传递至设备的振动冲击，是减少仪器设备振动以及降低噪声的必备器件。
随着工业技术的发展，对隔振设备的轻量化、功能化、智能化发展程度提出了更高要求。传统隔振设备多采用正刚度元件与负刚度元件并联实现准零刚度状态以达到隔振的目的，这种隔振器具有高静低动特性及较低的固有频率，可以实现良好的隔振效果，同时具有较小的静态变形，可以实现大承载量。然而基于机械弹簧及电磁负刚度的准零刚度隔振装置均存在体积较大，装配复杂，不易调控，环境适应性低等缺点，并且在振动幅值很小时，达不到理想的隔振效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种模块化准零刚度隔振结构，以解决上述现有技术存在的问题，提高隔振效果。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种模块化准零刚度隔振结构，包括若干个并排设置的隔振模块，每个所述隔振模块均包括正刚度单元和若干个负刚度单元；
若干个所述负刚度单元由上至下依次相连，所述负刚度单元包括上壳体、运动轴和两个双曲梁，所述双曲梁包括两个上下平行且间隔设置的余弦形屈曲梁，同一个所述双曲梁中的两个所述余弦形屈曲梁的中部和两端分别固连，所述双曲梁的两端分别与所述上壳体的内壁固连，两个所述双曲梁上下紧邻设置且相互垂直，所述运动轴穿过两个所述双曲梁的中心，且所述双曲梁与所述运动轴固连，所述运动轴竖直，所述双曲梁的两端位于同一水平面上；
所述正刚度单元包括下壳体、弹性体支架和电流变弹性体，所述弹性体支架与所述下壳体固连，所述弹性体支架上设置有放置槽，所述电流变弹性体设置在所述放置槽上，所述电流变弹性体的上下两端分别通过电线与电源的正负极连接；所述上壳体和所述下壳体均呈筒状，所述上壳体与相邻的所述上壳体固连，相邻两个所述负刚度单元中的两个所述运动轴能够紧密接触，最下方的所述上壳体的底端与所述下壳体的顶端固连，且所述电流变弹性体正对最下方的所述运动轴的底端。
优选的，所述负刚度单元还包括固设在所述上壳体内的轴承支架，所述运动轴穿过所述轴承支架，所述运动轴通过直线轴承与所述轴承支架滑动配合。
优选的，所述电流变弹性体与最下方的所述运动轴的底端之间具有间隔。
优选的，所述上壳体和所述下壳体均呈方筒状；所述下壳体任意相邻的两个侧壁上设置有母头，所述下壳体另外两个相邻的两个侧壁上设置有与所述母头匹配的公头，相邻的两个所述下壳体通过所述公头和所述母头插接在一起。
优选的，所述公头和所述母头分别通过电线与所述电流变弹性体电连接，不同所述正刚度单元中的所述电流变弹性体相互并联。
优选的，所述隔振模块为多个，多个所述隔振模块呈矩形阵列分布。
优选的，相邻两个所述负刚度单元中的两个所述运动轴相互固连。
优选的，所述双曲梁的中部高于所述双曲梁的两端。
优选的，所述运动轴为阶梯轴，所述运动轴上固设有固定环，所述固定环和所述运动轴上的台阶将两个所述双曲梁夹紧。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明的模块化准零刚度隔振结构的隔振效果好。通过调节电流变弹性体与运动轴之间的距离，可调节装置的负载能力。通过叠加负刚度单元，能够调节负刚度的大小。在外加电场作用下，电流变弹性体的力学性能会发生显著的可逆变化，因此可通过外加电场调节正刚度单元的阻尼和刚度。正负刚度单元并联后形成准零刚度隔振模块，可有效隔离低频振动；通过下壳体上设置的母头和公头，可进行任意组合拼装，以满足不同环境的实际需求。本发明的模块化准零刚度隔振结构的结构简单、制作方便，安装快捷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明模块化准零刚度隔振结构的结构示意图；
图2为本发明模块化准零刚度隔振结构中隔振模块的结构示意图一；
图3为本发明模块化准零刚度隔振结构中隔振模块的结构示意图二；
图4为本发明模块化准零刚度隔振结构中负刚度单元的结构示意图；
图5为本发明模块化准零刚度隔振结构中第一双曲梁的结构示意图；
图6为本发明模块化准零刚度隔振结构中正刚度单元的结构示意图；
图7为本发明模块化准零刚度隔振结构中弹性体支架的结构示意图一；
图8为本发明模块化准零刚度隔振结构中弹性体支架的结构示意图二；
图9为本发明模块化准零刚度隔振结构中正刚度单元拼接示意图；
图10为本发明模块化准零刚度隔振结构中Δ增大对负载和准零刚度区域的影响曲线图；
图11为本发明模块化准零刚度隔振结构中Δ减小对负载和准零刚度区域的影响曲线图；
图12为本发明模块化准零刚度隔振结构中余弦形屈曲梁的结构示意图；
其中：100、负刚度单元；200、正刚度单元；300、模块化准零刚度隔振结构；400、隔振模块；101、上壳体；102、运动轴；103、第一双曲梁；1031、余弦形屈曲梁；104、第二双曲梁；105、固定环；106、轴承支架；107、直线轴承；201、下壳体；202、电流变弹性体；203、弹性体支架；2031、放置槽；204、公头；205、母头。
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，所描述的实施例仅仅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付出创造性劳动的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。
本发明的目的是提供一种模块化准零刚度隔振结构，以解决上述现有技术存在的问题，提高隔振效果。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1至图11所示：本实施例提供了一种模块化准零刚度隔振结构300，包括多个呈矩形阵列分布的隔振模块400，每个隔振模块400均包括正刚度单元200和若干个负刚度单元100。
在本实施例中，每个隔振模块400中包括两个负刚度单元100，在实际应用中，可以根据对负刚度的要求对每个隔振模块400中负刚度单元100的数量进行适当的调整，以期得到所需的负刚度，若干个负刚度单元100由上至下依次相连。
负刚度单元100包括上壳体101、运动轴102和两个双曲梁，两个双曲梁分别为第一双曲梁103和第二双曲梁104，第一双曲梁103和第二双曲梁104均包括两个上下平行且间隔设置的余弦形屈曲梁1031，同一个双曲梁中的两个余弦形屈曲梁1031的中部和两端分别固连，第一双曲梁103和第二双曲梁104的两端分别与上壳体101的内壁固连，第一双曲梁103和第二双曲梁104上下紧邻设置且相互垂直，运动轴102穿过两个双曲梁的中心，且双曲梁与运动轴102固连，运动轴102竖直，双曲梁的两端位于同一水平面上。运动轴102为阶梯轴，运动轴102上固设有固定环105，固定环105和运动轴102上的台阶将两个双曲梁夹紧。负刚度单元100还包括固设在上壳体101内的轴承支架106，运动轴102穿过轴承支架106，运动轴102通过直线轴承107与轴承支架106滑动配合。在本实施例中，第一双曲梁103的凹口和第二双曲梁104的凹口均朝下，第一双曲梁103和第二双曲梁104均中部高于两端。
双曲梁是由两个相同的余弦形屈曲梁1031通过固结两端及中间部分组成的，w(x)表示梁与连接其两端边界的直线之间的距离，则余弦形屈曲梁1031的预制形状满足关系w(x)＝h/2[1-cos(2πx/l)]，式中h为梁初始初始顶点的高度，l为梁的跨度。第一双曲梁103与第二双曲梁104结构大小一致，通过螺纹连接固定在上壳体101上，双曲梁发生屈曲时可产生负刚度，双曲梁底部与双曲梁顶部接触；上壳体101上下部分的四周均加工有螺纹孔，上部螺纹孔用于与新增的负刚度单元100连接，下部螺纹孔用于与下壳体201连接；运动轴102为阶梯轴，阶梯与双曲梁底部接触。
单曲梁在外界载荷的作用下发生非线性大变形时，出现弹性屈曲阶跃现象，在“突跳”的过程中，刚度将经历一段为负值的阶段，即表现为负刚度效应，实现了加卸载过程中能量的耗散。但单曲梁在载荷作用下易发生扭曲，阻止其表现出负刚度效应，减少结构吸收的能量；本实施例模块化准零刚度隔振结构300采用双曲梁，有利于限制曲梁在一、三阶屈曲模态之间跳转，避免了不对称屈曲模态的发生，促使其表现出负刚度行为。
正刚度单元200包括下壳体201、弹性体支架203和电流变弹性体202，弹性体支架203与下壳体201固连，弹性体支架203上设置有放置槽2031，电流变弹性体202设置在放置槽2031上，电流变弹性体202的上下两端分别通过电线与电源的正负极连接；电流变弹性体202是一种新型智能材料，在外加电场作用下，其力学性能会发生显著的可逆变化，因此可通过外加电场调节系统的阻尼和刚度。电流变弹性体202具有可控、可逆、响应快速等技术特征外，还具有稳定性好、结构设计简单等独特的优点，并且电流变弹性体202还可以根据应用对材料形状和体积的要求进行加工定做。
上壳体101和下壳体201均呈方筒状，上壳体101与相邻的上壳体101固连，相邻两个负刚度单元100中的两个运动轴102能够紧密接触，在本实施例中相邻两个负刚度单元100中的两个运动轴102相互固连。最下方的上壳体101的底端与下壳体201的顶端固连，且电流变弹性体202正对最下方的运动轴102的底端。电流变弹性体202与最下方的运动轴102的底端之间具有初始距离。
下壳体201任意相邻的两个侧壁上设置有母头205，下壳体201另外两个相邻的两个侧壁上设置有与母头205匹配的公头204，相邻的两个下壳体201通过公头204和母头205插接在一起。公头204和母头205分别通过电线与电流变弹性体202电连接，不同正刚度单元200中的电流变弹性体202相互并联。通过下壳体201上设置的母头205和公头204，可进行任意组合拼装，以满足不同环境的实际需求。
弹性体支架203通过螺纹连接在下壳体201上，并通过螺纹可上下移动以调节弹性体与运动轴102底部之间的初始距离Δ，该距离会影响机构的承载力大小及准零刚度区域大小。如图10与图11所示，Δ1、Δ2、Δ3即为弹性体与运动轴102底部的初始距离，当初始距离为Δ1时，加载后屈曲梁产生形变与弹性体接触，此时屈曲梁开始表现出负刚度特性并与弹性体正刚度特性叠加形成准零刚度区域，以Δ1为界，随着初始距离的增大，装置承载能力减小，准零刚度区域减小；同理，以Δ1为界，随着初始距离减小，装置承载能力增大，准零刚度区域大小不变。因此，调节弹性体与运动轴102底部之间的初始距离，可调节装置的负载大小与准零刚度区域大小。
负刚度可通过叠加负刚度单元100的方式进行调节；正刚度及阻尼可通过改变电流变弹性体202厚度及加在弹性体上的电压等参数进行调节；正刚度单元200与负刚度单元100并联后，可调节运动轴102底部与弹性体之间的初始距离以调节负载。如图1所示，通过预留的接线口，可将隔振模块400进行任意组合拼装，以满足不同工作环境的实际需求，增加机构的适应性。
本实施例模块化准零刚度隔振结构300中的隔振模块400采用双曲梁提供负刚度，采用电流变弹性体202提供正刚度，能够适应不同的负载，并且正、负刚度、阻尼均可调控，隔振模块400作为通用性模块，可根据需求进行组装构成新的隔振结构，因此环境适应性强、结构简单、安装便捷，可有效隔离中低频微振动。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种模块化准零刚度隔振结构，其特征在于：包括若干个并排设置的隔振模块，每个所述隔振模块均包括正刚度单元和若干个负刚度单元；
若干个所述负刚度单元由上至下依次相连，所述负刚度单元包括上壳体、运动轴和两个双曲梁，所述双曲梁包括两个上下平行且间隔设置的余弦形屈曲梁，同一个所述双曲梁中的两个所述余弦形屈曲梁的中部和两端分别固连，所述双曲梁的两端分别与所述上壳体的内壁固连，两个所述双曲梁上下紧邻设置且相互垂直，所述运动轴穿过两个所述双曲梁的中心，且所述双曲梁与所述运动轴固连，所述运动轴竖直，所述双曲梁的两端位于同一水平面上；
所述正刚度单元包括下壳体、弹性体支架和电流变弹性体，所述弹性体支架与所述下壳体固连，所述弹性体支架上设置有放置槽，所述电流变弹性体设置在所述放置槽上，所述电流变弹性体的上下两端分别通过电线与电源的正负极连接；所述上壳体和所述下壳体均呈筒状，所述上壳体与相邻的所述上壳体固连，相邻两个所述负刚度单元中的两个所述运动轴能够紧密接触，最下方的所述上壳体的底端与所述下壳体的顶端固连，且所述电流变弹性体正对最下方的所述运动轴的底端。
2.根据权利要求1所述的模块化准零刚度隔振结构，其特征在于：所述负刚度单元还包括固设在所述上壳体内的轴承支架，所述运动轴穿过所述轴承支架，所述运动轴通过直线轴承与所述轴承支架滑动配合。
3.根据权利要求1所述的模块化准零刚度隔振结构，其特征在于：所述电流变弹性体与最下方的所述运动轴的底端之间具有间隔。
4.根据权利要求1所述的模块化准零刚度隔振结构，其特征在于：所述上壳体和所述下壳体均呈方筒状；所述下壳体任意相邻的两个侧壁上设置有母头，所述下壳体另外两个相邻的两个侧壁上设置有与所述母头匹配的公头，相邻的两个所述下壳体通过所述公头和所述母头插接在一起。
5.根据权利要求4所述的模块化准零刚度隔振结构，其特征在于：所述公头和所述母头分别通过电线与所述电流变弹性体电连接，不同所述正刚度单元中的所述电流变弹性体相互并联。
6.根据权利要求1所述的模块化准零刚度隔振结构，其特征在于：所述隔振模块为多个，多个所述隔振模块呈矩形阵列分布。
7.根据权利要求1所述的模块化准零刚度隔振结构，其特征在于：相邻两个所述负刚度单元中的两个所述运动轴相互固连。
8.根据权利要求1所述的模块化准零刚度隔振结构，其特征在于：所述双曲梁的中部高于所述双曲梁的两端。
9.根据权利要求1所述的模块化准零刚度隔振结构，其特征在于：所述运动轴为阶梯轴，所述运动轴上固设有固定环，所述固定环和所述运动轴上的台阶将两个所述双曲梁夹紧。
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