CN113669414A - 一种基于双稳态折纸的扭转振动吸振器单元及吸振器 - Google Patents

一种基于双稳态折纸的扭转振动吸振器单元及吸振器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双稳态折纸的扭转振动吸振器单元及吸振器。所述吸振器由多个扭转振动吸振器单元周期排列组成，吸振器单元包括Kresling振子和两个非对称布置的质量块，所述的质量块非对称地设置Kresling振子的顶面上；所述的Kresling振子的上下底面均为正n多边形，其中n为偶数，且Kresling振子的高度大于正n多边形的外接圆半径，Kresling振子具有双稳态。本发明结构简单，可以根据实际情况，在两个稳定的状态之间进行切换，从而调节需要抑制的振动频率，而且，由于本发明结构的非对称布置，振子对于扭转振动敏感，可以产生明显的扭转振动抑制效果。

Description

一种基于双稳态折纸的扭转振动吸振器单元及吸振器
技术领域
本发明属于扭转振动吸振器领域，具体涉及一种基于双稳态折纸的扭转振动吸振器单元及吸振器。
背景技术
机械振动广泛存在于航空航天、机械制造、土木工程等各个领域，机械振动将显著降低结构的可靠性，降低结构的寿命，因此，振动控制是工程技术领域中十分重要的课题。由于工程实际存在各种各样的偏心激励，扭转振动是不可避免的。
现有的吸振器单元通常针对弯曲振动或纵向振动的抑制效果比较明显，对于扭转振动的吸收效果不明显，原因是由于吸振器单元对于扭转振动不敏感。另外一方面，由于工程实际中的工况比较复杂，不同的工况情况下，结构对应的工作频率将存在差异，传统的动力吸振器单元无法根据实际情况进行需要抑制的频率的切换，因此存在一定的局限性。
发明内容
针对现有吸振器单元产品不适用于扭转振动的抑制，同时，难以适应不同的振动环境，本发明提出了一种基于Kresling折纸的非对称双稳态扭转动力吸振器单元及吸振器。本发明结构简单，可以根据实际情况，在两个稳定的状态之间进行切换，从而调节需要抑制的振动频率，而且，由于本发明结构的非对称布置，振子对于扭转振动敏感，可以产生明显的扭转振动抑制效果。
本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种基于双稳态折纸的扭转振动吸振器单元，其包括Kresling振子和两个非对称布置的质量块，包括Kresling振子和两个非对称布置的质量块，所述的Kresling振子的顶面和底面均为正n多边形，其中n为偶数，所述的质量块设置在Kresling振子的顶面的顶点上，且两个质量块关于Kresling振子底面正n多边形的任一对称轴均非对称；Kresling振子的高度大于正n多边形的外接圆半径，所述Kresling振子具有双稳态，且其处于其中一个稳态。
优选的，所述Kresling振子可以采用塑料、铝等低密度材料，所述质量块采用铁、铜等高密度金属材料，且两个质量块的材料、质量及体积均相同。
优选的，所述Kresling振子与质量块的接触为点接触。更进一步的所述的质量块为球体，粘结方式可以为胶水粘接或焊接。
质量块非对称布置对于扭转振动更为敏感，因此可以更好抑制扭转振动。
所述吸振器单元是双稳态的，因此可以根据实际情况进行工作频率的切换,可以根据实际情况组合布置不同状态的吸振器单元。
质量块质量的选择与需要抑制的频率范围有关，且质量块的质量应显著大于Kresling振子的质量，典型而非限定的，例如质量块的质量为Kresling振子质量的20-50倍。
本发明还提供了一种基于双稳态折纸的扭转振动吸振器，其包括多个上述的扭转振动吸振器单元，所述的扭转振动吸振器单元以等间距的方式排列为平面周期阵列或排列成直线。所述的扭转振动吸振器单元的个数≥6。
作为优选的，所述扭转振动吸振器单元的排列间距根据需要抑制的频率范围进行选择。
作为优选的，扭转振动吸振器中的各扭转振动吸振器单元的Kresling振子可处于彼此相同的稳态，也可处于不同的稳态，且可根据需要抑制的频率在两个稳态之间切换。
本发明的有益效果是：
本发明结构简单，可以在不更换结构部件的前提下，仅仅通过在两个状态之间切换Kresling振子，即可实现吸振器谐振频率的改变以满足实际的工况需求，而且，由于本发明结构的非对称布置，吸振器对于扭转振动更为敏感，可以更加有效抑制扭转振动。
附图说明
图1为本发明扭转吸振器单元的结构示意图：
图2为顶面质量块关于底面对称轴非对称布置的示意图；
图3为本发明实施例中扭转吸振器单元在梁上的第一种布置方式：
图4为本发明实施例中扭转吸振器单元在梁上的第二种布置方式：
图5为本发明实施例中扭转吸振器单元在梁上的第三种布置方式：
图6为不同扭转吸振器单元布置下的频响曲线；
1-Kresling振子；2-质量块；3-需减振的梁。
具体实施方式
注意这里所描述的应用实例仅仅是本发明的一部分实施案例，并不是全部的实施案例。
本实施例的扭转吸振器单元的结构如图1所示，其包括双稳态Kresling振子1(本实施例中，其材料为折纸，为顶面和底面均为正六边形结构，即n＝6)，两个质量块2(本实施例的质量块为球体，材质为钢珠)。两个钢珠固定在Kresling振子顶面两个相对的顶点上，且关于Kresling振子底面正六边形的任一对称轴均非对称；钢珠的位置可以随着Kresling折纸的压缩而改变，从而调控扭转波带隙。同时，由于质量块的非对称布置，利用弹性波的耦合可以实现更宽、更低频的扭转波带隙。
除了本发明已经给定的结构外，Kresling折纸的几何可以选择为其它正多边形，但正多边形的边数要求为偶数。两个质量块设置在Kresling振子的顶面的顶点上，两个质量块关于Kresling振子底面正n多边形的任一对称轴均非对称；如图1和2所示，Kresling振子的高度大于正n多边形的外接圆半径。所述Kresling振子具有双稳态，且其处于其中一个稳态，通过组合布置处于不同稳态状态的吸振器单元，可以实现更加丰富的带隙调节效果。
将图1所述的单元结构布置在需要减振的铝梁3上构成扭转吸振器，如图3-5所示，本实施例采用8周期均匀布置，周期单元的长度为100mm，单元结构直线排列。本案例中铝梁参数为32mm*3mm*800mm，本案例中，Kresling振子的材料选择为纸，质量块的材料选择为钢。考虑三种不同情况的布置，分别是(1)八个吸振器单元均在第一稳态，图3所示；(2)前四个吸振器单元在第一稳态，后四个振子在第二稳态，图4所示；(3)八个吸振器单元均在第二稳态，图5所示。Kresling振子具有双稳态，其中，第一稳态是指，Kresling振子处于高度较高的状态；第二稳态是指，Kresling振子处于高度较低的状态。Kresling振子在不同的状态下，吸振器单元的刚度和集中质量相较于梁的位置将不同，但本质上仍是“弹簧-质量”系统，因此三种情况下，结构都具备扭转吸振效果，但对应的工作频率范围不同。
图3-图5三种不同的布置条件下，当一侧进行扭转振动激励，另一侧的位移响应的有限元仿真情况如图6所示，从图6可以发现，随着扭转吸振器单元布置于不同的状态，扭转波的带隙位置发生了变化，情况(1)的带隙频率为150-200Hz,310-390Hz,430-567Hz；情况(2)的带隙频率为135-172Hz，320-402Hz；情况(3)的带隙频率为280-350Hz，说明可根据需要抑制的频率对各个单元的Kresling振子在两个稳态之间切换选择，达到根据实际情况调控扭转振动的效果。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于双稳态折纸的扭转振动吸振器单元，其特征在于，包括Kresling振子和两个非对称布置的质量块，所述的Kresling振子的顶面和底面均为正n多边形，其中n为偶数，所述的质量块设置在Kresling振子的顶面的顶点上，且两个质量块关于Kresling振子底面正n多边形的任一对称轴均非对称；Kresling振子的高度大于正n多边形的外接圆半径，所述Kresling振子具有双稳态，且其处于其中一个稳态。
2.根据权利要求1所述的优选的基于双稳态折纸的扭转振动吸振器单元，其特征在于，所述两个质量块的质量及体积均相同。
3.根据权利要求1所述的优选的基于双稳态折纸的扭转振动吸振器单元，其特征在于，所述Kresling振子与质量块的接触方式为点接触。
4.根据权利要求3所述的优选的基于双稳态折纸的扭转振动吸振器单元，其特征在于，所述的质量块为球体。
5.根据权利要求1所述的优选的基于双稳态折纸的扭转振动吸振器单元，其特征在于，质量块的质量为Kresling振子质量的20-50倍。
6.一种基于双稳态折纸的扭转振动吸振器，其包括多个权利要求1-5任一项所述的扭转振动吸振器单元，所述的扭转振动吸振器单元以等间距方式排列为周期阵列或排列成，。所述的扭转振动吸振器单元的个数≥6。
7.根据权利要求6所述的基于双稳态折纸的扭转振动吸振器，其特征在于，各扭转振动吸振器单元所处的稳态可相同或不同。
8.根据权利要求6所述的基于双稳态折纸的扭转振动吸振器，其特征在于，各扭转振动吸振器单元所处的稳态可切换。
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