CN113606278B - 一种多自由度隔振系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多自由度隔振系统，包括支腿机构、载物平台和基础平台，所述支腿机构包括惯容模组和波纹管阻尼模组；所述载物平台和所述基础平台通过6个所述支腿机构连接，所述支腿机构的上端与所述载物平台铰接，所述支腿机构的下端与所述基础平台铰接；所述载物平台上连接有第一质量模组，所述基础平台固定设置于任一平面或连接有第二质量模组。本发明推导了其动力学方程等计算方法，其振动方程包括支腿传递特性以及阻抗矩阵推导，为实现其应用提供保障，同时基于此与现有各六自由度平台实现精确对比，有助于实现更优的减振效果。

Description

一种多自由度隔振系统
技术领域
本发明涉及六自由度平台减振技术领域，尤其涉及一种多自由度隔振系统。
背景技术
现有技术中，被动六自由度平台由六支支腿，上、下各六只万向铰链和上、下两个平台组成，当六支支腿做伸缩运动时，上平台在空间六个自由度(X，Y，Z，α，β，γ)上运动。当在下平台产生振动时，振动通过具有减振功能的六条支腿传到上平台。
上述被动六自由度平台通常采用的支腿结构由弹簧与传统液压阻尼器组成，因其仅使用了弹簧与阻尼器两种元件，减振性能较弱，从而导致整个平台的减振性能不佳。现有的流体阻尼器以作动筒式液压阻尼器最为常见，作动筒式液压阻尼器存在活塞与缸筒、活塞杆与端盖的滑动配合，该配合存在摩擦死区。在振动较小时，摩擦死区使得原设计的隔振频率上移，导致隔振效果降低；对于平台的微振动隔离极为不利,同时，也会可能对大型柔性结构的振动测试造成较大误差。
发明内容
为克服现有技术的缺点，本发明目的在于提供一种多自由度隔振系统，解决现有六自由度平台减振性能弱、无法满足更高使用要求的问题，相比传统的被动六自由度平台减振性能显著提升，能够兼顾小幅振动的隔振效果和冲击载荷的耗散。
本发明是通过以下技术措施实现的，包括支腿机构、载物平台和基础平台，所述支腿机构包括惯容模组和波纹管阻尼模组；所述惯容模组包括第一弹簧，所述第一弹簧套设于所述惯容器；所述波纹管阻尼模组包括波纹管阻尼器、第二弹簧以及第三弹簧，所述波纹管阻尼器的第一端安装有所述第三弹簧，所述波纹管阻尼器的外部套设有所述第二弹簧；所述载物平台和所述基础平台通过6个所述支腿机构连接，所述支腿机构的上端与所述载物平台铰接，所述支腿机构的下端与所述基础平台铰接；所述载物平台上连接有第一质量模组，所述基础平台固定设置于任一平面或连接有第二质量模组。
进一步的，所述多自由度隔振系统传递特性计算方法为：使用基于传递矩阵的弹性子结构法建模，所述弹性子结构分别为：所述载物平台、所述支腿机构、所述基础平台。
进一步的，所述计算方法包括：设H为传递矩阵，x为位移向量、f为节点受力向量，下标i为内点，下标c为连接点；所述内点包括外激励点和感兴趣的响应点；载物平台设为P，基础平台设为B；
载物平台的传递特性表示为，
Figure GDA0004052192350000021
基础平台的传递特性表示为，
Figure GDA0004052192350000022
进一步的，所述多自由度隔振系统的频响函数矩阵计算方法为，根据式(1)和式(2)得出：
Figure GDA0004052192350000031
进一步的，惯容模组与波纹管阻尼模组的连接点处内力计算方法为：设所述支腿机构与所述载物平台的连接点处内力为f1，支腿与基础平台连接点处内力设为f2，支腿机构框架的等效基本质量设为m，惯容器的等效质量设为b，第一弹簧设为k1，
Figure GDA0004052192350000032
Figure GDA0004052192350000033
其中，f1为支腿与载物平台1连接点处内力，f2为支腿与基础平台2连接点处内力，fm为支腿机构的等效质量m与惯容器b和第一弹簧连接点处内力，第一弹簧的刚度为k1，波纹管阻尼器的等效并联弹簧刚度为k2，波纹管阻尼器的等效串联弹簧刚度为k3，s是拉普拉斯变换的复参变量，x1、x2、xb分别为所在处的位移。
进一步的，所述支腿机构的抗阻矩阵的计算方法为：设Z'为抗阻矩阵，
Figure GDA0004052192350000034
进一步的，所述多自由度隔振系统考虑安装角度的方法为：设定旋转矩阵R，设定I为单位阵，r＝[rx ry rz]是由旋转前、后同一向量叉乘得到的单位旋转向量，θ是两个向量的夹角，
Figure GDA0004052192350000041
进一步的，满足载物平台和所述基础平台所处的子结构在连接点处的位移协调条件和受力平衡条件的计算方法为：
Figure GDA0004052192350000042
Figure GDA0004052192350000043
Z＝RZ'R-1 (10)
Figure GDA0004052192350000044
Figure GDA0004052192350000045
Figure GDA0004052192350000046
Figure GDA0004052192350000047
其中，
Figure GDA0004052192350000048
和
Figure GDA0004052192350000049
定义为综合后的连接处的位移向量，
Figure GDA00040521923500000410
和
Figure GDA00040521923500000411
定义为施加在连接处的外力向量，Z定义为隔振装置的安装角度的阻抗矩阵。
进一步的，任一所述支腿机构的振动传递函数计算方式为：设振动传递函数为T1，惯容器等效质量为b，第一弹簧的刚度为k1，波纹管阻尼器的阻尼为c，等效并联弹簧刚度为k2、等效串联弹簧刚度为k3，x为位移向量，
Figure GDA0004052192350000051
作为一种优选方式，所述载物平台的底面圆周均匀布设有3个上球铰座，所述基础平台的表面圆周均匀布设有6个下球铰座；所述上球铰座开设有两个上球铰接口，所述下球铰座开设有一个下球铰接口，所述支腿机构的上端设有上球铰与所述上球铰座连接，所述支腿机构的下端设有下球铰与所述下球铰座连接。
本发明提供的一种多自由度隔振系统，当基础平台受到振动激励时，振动通过具有减振功能的6条支腿机构传至载物平台。当基础平台受到大冲击时，波纹管阻尼器不像采用弹簧和传统作动筒式液压阻尼的减振器那样容易产生塑性变形，不会产生如传统作动筒式液压阻尼器的塑性变形，其通过自身允许的大变形和弹簧辅助起到缓冲作用，同时，惯容两端的加速度差陡增，产生迅速增大的惯性力，阻碍载物平台的运动。因此，载物平台的振动更小、运动更平稳；本装置的载物平台、基础平台在不同位置嵌入辅助弹簧的惯容-波纹管支腿构成减振结构，提供更优的减振功能；同时，该结构在保证承载能力的基础上，有效提升本装置的振动控制效果；同时，本发明推导了本系统的动力学方程等计算方法，其振动方程包括支腿传递特性以及阻抗矩阵推导，为实现其应用提供保障，同时基于此与现有各六自由度平台实现精确对比，有助于实现更优的减振效果。
附图说明
图1为传统被动六自由度平台的支腿的等效力学简化模型示意图；
图2为本实用新型实施例一的支腿机构的剖视图；
图3为本实用新型实施例二的多自由度隔振装置的结构示意图；
图4为本实用新型实施例三的支腿机构的等效力学简化模型示意图；
图5为包含惯容模组与传统作动筒式液压阻尼器的六自由度平台的支腿等效力学简化模型示意图。
图中标记序号及名称：1、载物平台2、基础平台3、上球铰4、下球铰5、上球铰座6、下球铰座7、支腿机构8、惯容器9、第一弹簧10、第二弹簧11、波纹管阻尼器12、第三弹簧
具体实施方式
下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。
实施例一
一种机械减振机构，参考图2，包括同轴串联的惯容模组和波纹管阻尼模组，惯容模组包括惯容器8和弹簧，波纹管阻尼模组包括波纹管阻尼器11和弹簧。
需要说明的是，本实施例的惯容是一种机械储能元件，其特性在于：在其端部施加的力与其相对加速度成比例，因此，相当于质量单元，从而可将电路综合理论完全转换到机械网络中。惯容有着广泛的应用前景，其主要功能有振动吸收、悬架设计、替代质量等。惯容的常见应用是用于减轻振动的各种机械系统，如改进的汽车悬架系统，高性能摩托车转向补偿器，列车悬架横向控制，减轻储液罐内液体晃动，光学平台振动抑制，甚至是飞机起落架。惯容元件也可以有效地用于土木工程结构的被动振动控制，特别是在结构动力学应用中作为有效增加质量效应的隔振装置。
波纹管是可折叠皱纹片沿折叠伸缩方向连接成的管状弹性敏感元件，并可同时作为液体容器。波纹管阻尼模组具有同时提供阻尼和刚度并允许大变形的特点。本实施例的波纹管式流体阻尼隔振器，没有配合副和摩擦死区，因而具有良好的微振隔离特性。此外，对于大的冲击力或突发载荷，波纹管允许大变形的特点可在一定程序上避免弹簧减振器在此情况下产生的弹簧塑性变形。
进一步的，本实施例中的惯容模组包括惯容器8和第一弹簧9，第一弹簧9套设于惯容器8，起缓冲作用。
进一步的，本实施例中的波纹管阻尼模组包括波纹管阻尼器11、第二弹簧10以及第三弹簧12，其中，波纹管阻尼器11在使用前于其内部预充有粘性阻尼液，粘性阻尼液可于其腔内形成预压力；波纹管阻尼器11的第一端与惯容模组连接，波纹管阻尼器11的第一端安装有第二弹簧10，第二弹簧10能够调节其刚度及响应速度；波纹管阻尼器11外套设有第三弹簧12，第三弹簧12的高度与波纹管阻尼器11的高度相适配；当本机械减振机构受压缩短时，波纹管和其外部的第三弹簧12随之压缩，腔内压力增加到一定数值，形成有效缓冲。本机械减振机构通过设置同轴串联的惯容器8和波纹管阻尼器11，并于特定位置设置弹簧辅助，在减振机构受到较大冲击时，波纹管阻尼模块不易产生如传统作动筒式液压阻尼器的塑性变形，其通过自身允许的大变形和弹簧辅助起到缓冲作用，同时，惯容两端的加速度差陡增，产生迅速增大的惯性力，阻碍减振机构的轴向压缩；其通过将惯容器8增大质量效应的特性与波纹管阻尼器11提供刚度和阻尼效应并允许大变形的特点结合，相比传统阻尼器显著提高减振效果，同时结构简单、紧凑，空间适配程度高，使用灵活，且设置成本和维护成本低。
实施例二
本实施例提供一种多自由度隔振装置，参考图2和图3，包括支腿机构7、载物平台1和基础平台2，该支腿机构7应用有实施例一的机械减振机构；载物平台1和基础平台2通过6个支腿机构7连接，支腿机构7的上端与载物平台1铰接，支腿机构7的下端与基础平台2铰接。
需要说明的是，本实施例优选的铰接方式为，载物平台1的底面圆周均匀布设有3个上球铰座5，基础平台2的表面圆周均匀布设有与上球铰座5的位置相适配的6个下球铰座6；上球铰座5开设有两个上球铰接口，下球铰座6开设有一个下球铰接口，支腿机构7的上端设置上球铰3与上球铰座5连接，支腿机构7的下端设置下球铰4与下球铰座6连接。
可以理解的是，在其他实施例中，本装置还可以通过其他方式铰接如虎克铰，具体为，包括第一虎克铰和第二虎克铰，第一虎克铰连接支腿机构7的上端和载物平台1，第二虎克铰连接支腿机构7的下端和基础平台2；在其他实施例中，应根据本装置的适用环境确定其铰接方式。
进一步的，上球铰座5的布设周径小于下球铰座6的布设周径，即斜向布置支腿机构7。
需要说明的是，通常惯容与作动筒式液压阻尼器连接使用，其仅可隔离轴向振动；本实施例的支腿机构7结合惯容和波纹管，利用波纹管特性，通过多条斜向布置的支腿机构7和上下平台组合提供多方向减振。
本实施例的多自由度隔振装置，当基础平台2受到振动激励时，振动通过具有减振功能的6条支腿机构7传至载物平台1。当基础平台2受到大冲击时，波纹管阻尼器11不像采用弹簧和传统作动筒式液压阻尼的减振器那样容易产生塑性变形，其通过自身允许的大变形和弹簧辅助起到缓冲作用，同时，惯容两端的加速度差陡增，产生迅速增大的惯性力，阻碍载物平台1的运动。因此，载物平台1的振动更小、运动更平稳；本装置的载物平台1、基础平台2在不同位置嵌入辅助弹簧的惯容-波纹管支腿构成减振结构，提供更优的减振功能；同时，该结构在保证承载能力的基础上，有效提升本装置的振动控制效果。
实施例三
本实施例提供一种多自由度隔振系统，应用有实施例二的多自由度隔振装置，其中，载物平台1上连接有第一质量模组，基础平台2固设于任一平面或与第二质量模组连接。
其中，第一质量模组、第二质量模组均为根据多自由度隔振装置的应用情形决定，本实施例对其本身不做限制。
本系统在假设各支腿、载荷及基础平台2均为弹性体的基础上，将图3所示的整个平台划分为载物平台1、支腿机构、基础平台2三个弹性子结构，其中，以下所述的载物平台1子结构均包括第一质量模组。
采用基于传递矩阵的弹性子结构综合法对该隔振平台进行动力学建模。
对载物平台1(上标为P)和基础平台2(上标为B)子结构分别进行建模，得出其传递特性分别可表示为:
Figure GDA0004052192350000101
Figure GDA0004052192350000102
式中:H为传递矩阵，x为位移向量、f为节点受力向量，下标i为内点(一般为外激励点或感兴趣的响应点)，下标C为连接点。
根据式(1)和式(2)，可得整个系统在子结构综合前的频响函数矩阵:
Figure GDA0004052192350000111
参考图4支腿机构7的简化力学模型，惯容模组与波纹管阻尼模组的连接点处内力的计算方式：
Figure GDA0004052192350000112
Figure GDA0004052192350000113
其中，f1为支腿与载物平台1连接点处内力，f2为支腿与基础平台2连接点处内力，fm为支腿机构的等效质量m与惯容器b和第一弹簧连接点处内力，第一弹簧的刚度为k1，波纹管阻尼器的等效并联弹簧刚度为k2，波纹管阻尼器的等效串联弹簧刚度为k3，s是拉普拉斯变换的复参变量，x1、x2、xb分别为所在处的位移。
本支腿机构7的阻抗矩阵可表示为：
Figure GDA0004052192350000114
R是考虑隔振装置安装角度的旋转矩阵。
Figure GDA0004052192350000115
Figure GDA0004052192350000121
其中I是单位阵，r＝[rx ry rz]是由旋转前、后同一向量叉乘得到的单位旋转向量，θ是两个向量的夹角。
为满足载物平台1和基础平台2子结构在连接点处位移协调条件和受力平衡条件，得:
Figure GDA0004052192350000122
Figure GDA0004052192350000123
Z＝RZ'R-1 (10)
Figure GDA0004052192350000124
Figure GDA0004052192350000125
Figure GDA0004052192350000126
Figure GDA0004052192350000127
其中，
Figure GDA0004052192350000128
和
Figure GDA0004052192350000129
定义为综合后的连接处的位移向量，
Figure GDA00040521923500001210
和
Figure GDA00040521923500001211
定义为施加在连接处的外力向量，Z定义为隔振装置的安装角度的阻抗矩阵。
如图4所示，本惯容器8等效质量为b，惯容器8的第一弹簧刚度为k1，波纹管阻尼器11的阻尼为c，波纹管阻尼器11的等效并联弹簧刚度为k2、波纹管阻尼器11的等效串联弹簧刚度为k3，则单个支腿机构7的振动传递函数T1为
Figure GDA0004052192350000131
参考图5，该支腿由惯容器与传统作动筒式液压阻尼器组成，惯容等效质量依然设为b，惯容的辅助弹簧刚度为k1，传统作动筒式液压阻尼器的刚度为k2、阻尼为c，则单个支腿的振动传递函数T2为：
Figure GDA0004052192350000132
参考图1所示的传统被动六自由度平台中典型支腿的力学简化模型，假设刚度为k2、阻尼为c，则其支腿的振动方程T3为：
Figure GDA0004052192350000133
通过对比T1、T2、T3可知三者传递函数的不同，T1中的可调参数多余其余两种，有助于隔振系统的性能调节与优化，能够实现更好的减振效果。
需要说明的是，本实施例中惯容器与第一弹簧9并联组成惯容模组，波纹管阻尼器11与第二弹簧10串联后并联一第三弹簧12组成波纹管阻尼模组；其中，为便于建模计算，惯容模组与载物平台1连接，波纹管阻尼模组与基础平台2连接；在其他实施例中，对二者位置替换等不做限制，计算方式仍可参考上述计算方式推导。
本实施例的一种多自由度隔振系统基于多自由度隔振装置建立了并推导其动力学方程等计算方法，其振动方程包括支腿传递特性以及阻抗矩阵推导，为实现其应用提供保障，同时基于此与现有各六自由度平台实现精确对比，有助于实现更优的减振效果。
以上是对本发明一种多自由度隔振系统进行的阐述，用于帮助理解本发明，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，任何未背离本发明原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多自由度隔振系统，其特征在于，包括支腿机构、载物平台和基础平台，所述支腿机构包括惯容模组和波纹管阻尼模组；所述惯容模组包括第一弹簧，所述第一弹簧套设于惯容器；所述波纹管阻尼模组包括波纹管阻尼器、第二弹簧以及第三弹簧，所述波纹管阻尼器的第一端安装有所述第三弹簧，所述波纹管阻尼器的外部套设有所述第二弹簧；所述载物平台和所述基础平台通过6个所述支腿机构连接，所述支腿机构的上端与所述载物平台铰接，所述支腿机构的下端与所述基础平台铰接；所述载物平台上连接有第一质量模组，所述基础平台固定设置于任一平面或连接有第二质量模组；
所述多自由度隔振系统传递特性计算方法为：使用基于传递矩阵的弹性子结构法建模，所述弹性子结构分别为：所述载物平台、所述支腿机构、所述基础平台；
所述计算方法包括：设H为传递矩阵，x为位移向量、f为节点受力向量，下标i为内点，下标C为连接点；所述内点包括外激励点和感兴趣的响应点；载物平台设为P，基础平台设为B；
载物平台的传递特性表示为，
Figure QLYQS_1
基础平台的传递特性表示为，
Figure QLYQS_2
所述多自由度隔振系统的频响函数矩阵计算方法为，根据式(1)和式(2)得出：
Figure QLYQS_3
惯容模组与波纹管阻尼模组的连接点处内力计算方法通过公式(4)和公式(5)计算得到；
Figure QLYQS_4
Figure QLYQS_5
其中，所述支腿机构与所述载物平台的连接点处内力为f1，支腿与基础平台连接点处内力设为f2，支腿机构框架的等效基本质量设为m，惯容器的等效质量设为b，fm为m与惯容器b和第一弹簧连接点处内力，第一弹簧的刚度为k1，波纹管阻尼器的阻尼为c，波纹管阻尼器的等效并联弹簧刚度为k2，波纹管阻尼器的等效串联弹簧刚度为k3，s是拉普拉斯变换的复参变量，x1、x2、xb分别为所在处的位移。
2.根据权利要求1所述的一种多自由度隔振系统，其特征在于，所述支腿机构的抗阻矩阵的计算方法为：设Z'为抗阻矩阵，
Figure QLYQS_6
3.根据权利要求2所述的一种多自由度隔振系统，其特征在于，所述多自由度隔振系统考虑安装角度的方法为：设定旋转矩阵R，设定I为单位阵，
Figure QLYQS_7
是由旋转前、后同一向量叉乘得到的单位旋转向量，θ是两个向量的夹角，
Figure QLYQS_8
4.根据权利要求3所述的一种多自由度隔振系统，其特征在于，满足载物平台和所述基础平台所处的子结构在连接点处的位移协调条件和受力平衡条件的计算方法为：
Figure QLYQS_9
Figure QLYQS_10
Z＝RZ'R-1 (10)
Figure QLYQS_11
Figure QLYQS_12
Figure QLYQS_13
Figure QLYQS_14
其中，
Figure QLYQS_15
和
Figure QLYQS_16
定义为综合后的连接处的位移向量，
Figure QLYQS_17
和
Figure QLYQS_18
定义为施加在连接处的外力向量，Z定义为隔振装置的安装角度的阻抗矩阵。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种多自由度隔振系统，其特征在于，任一所述支腿机构的振动传递函数计算方式为：设振动传递函数为T1，
Figure QLYQS_19
6.根据权利要求1-4任一所述的一种多自由度隔振系统，其特征在于，所述载物平台的底面圆周均匀布设有3个上球铰座，所述基础平台的表面圆周均匀布设有6个下球铰座；所述上球铰座开设有两个上球铰接口，所述下球铰座开设有一个下球铰接口，所述支腿机构的上端设有上球铰与所述上球铰座连接，所述支腿机构的下端设有下球铰与所述下球铰座连接。
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