CN114278703B - 一种双几何非线性结构集成的低频准零刚度隔振器 - Google Patents

Abstract

一种双几何非线性结构集成的低频准零刚度隔振器，属于低频准零刚度隔振装置领域，本发明为了解决现有的非线性准零刚度隔振系统无法在更低频率、更大工作区间和更宽频率范围内实现隔振效果，无法在低频隔振的同时保证结构稳定性的问题，本发明提供的一种双几何非线性结构集成的低频准零刚度隔振器，以X型结构作为支撑主体保证了隔振器在工作过程中具有更好的承载能力和稳定性，引入水平弹簧(或两根斜弹簧)结构提供正刚度来消除结构中存在的负刚度，在工作过程中保证结构不会失稳破坏，同时拓宽了结构的准零刚度区间，可以在更低频率、更大工作区间和更宽频率范围内实现隔振效果，并在低频隔振的同时保证结构稳定性。

Description

一种双几何非线性结构集成的低频准零刚度隔振器

技术领域

本发明属于低频准零刚度隔振装置领域，具体涉及一种双几何非线性结构集成的低频准零刚度隔振器。

背景技术

振动问题无处不在且亟待解决，提高隔振性能将大幅提高工作性能和设备使用寿命。被动隔振系统因其成本低、结构简单和易于维护等特点被广泛使用，但传统的隔振器要降低隔振频率，就必须牺牲其承载能力，这就要求更先进的隔振方法。非线性准零刚度隔振器由于结构的整体刚度具有高静低动的非线性刚度特性，大刚度区间可以为结构提供优异的承载能力，而准零刚度区间则具有优异的隔振性能，从而可以在有效提高系统的隔振性能同时，保持结构稳定性以及承载能力。

由于现代化装备迅速发展，其所面临的振动控制问题日益突出，在更低频率、更大工作区间和更宽频率范围内实现隔振成为新的追求。但单一的非线性隔振结构已经难以满足实际要求，无法实现预期的隔振效果，因此将不同机理的非线性隔振结构进行耦合，取长补短，促使隔振器实现更高的工作性能，成为新的改进和设计方法。在此背景下，进一步设计发明一种双几何非线性结构集成的低频准零刚度隔振器来解决实际问题，具有实际意义。

发明内容

本发明为了解决现有的非线性准零刚度隔振系统无法在更低频率、更大工作区间和更宽频率范围内实现隔振效果，无法在低频隔振的同时保证结构稳定性的问题，进而提供了一种双几何非线性结构集成的低频准零刚度隔振器；

一种双几何非线性结构集成的低频准零刚度隔振器，所述隔振器包括承载平台、底板、主承载组件和辅助承载组件；

所述承载平台设置在底板的正上方，且承载平台的轴线与底板的轴线共线设置，主承载组件设置在承载平台与底板之间，且主承载组件的顶部与承载平台的底部固定连接，主承载组件的底部与承载平台的顶部固定连接，辅助承载组件套设设置在主承载组件的外侧，且辅助承载组件的顶部与承载平台的底部固定连接，辅助承载组件的底部与承载平台的顶部固定连接；

进一步地：所述承载平台和底板均为角部带有切口的正N边形板，N为正整数，底板的边长大于承载平台的边长；

进一步地：所述主承载组件包括N个X型隔振结构，N为正整数，每个X型隔振结构与承载平台中的一个切口处对应设置，每个X型隔振结构的顶端与承载平台的底部固定连接，每个X型隔振结构的底端与底板的顶部固定连接；

进一步地：所述X型隔振结构包括两个固定座、一根横弹簧和四根连杆，四根连杆首尾顺次相连组成菱形框架，且相邻两根连杆之间通过一个轴承组件转动连接，两个固定座相对设置在菱形框架的上下两端，且位于菱形框架上端的固定座安装在菱形框架顶端的轴承组件上，位于菱形框架下端的固定座安装在菱形框架底端的轴承组件上，横弹簧水平设置在菱形框架的外侧，且横弹簧的一端与菱形框架中左端的轴承组件相连，横弹簧的另一端与菱形框架中右端的轴承组件相连，位于菱形框架上端的固定座与承载平台的底部固定连接，位于菱形框架下端的固定座与底板的顶部固定连接；

进一步地：所述轴承组件包括两个轴承和一个轴承杆，两个轴承沿轴承杆的轴线方向依次套装在轴承杆上，每个轴承的轴承内圈与轴承杆固定连接，每个轴承嵌装在连杆的一端上，且每个轴承的轴承外圈与连杆固定连接，横弹簧的每端与对应轴承组件中的轴承杆相连；

进一步地：所述固定座的顶面沿固定座宽度方向的中心线相对设有两个连接耳，每个连接耳的中心处加工有连接孔，轴承组件中的两个轴承设置在两个连接耳之间的间隙中，轴承组件中轴承杆的每端穿过一个连接耳并设置在连接耳的外侧，且轴承杆与两个连接耳拆卸连接；

进一步地：所述辅助承载组件包括N个正刚度发生单元，N为正整数，每个正刚度发生单元设置在一个X型隔振结构的外侧，且每个正刚度发生单元固接在底板的顶部；

进一步地：所述正刚度发生单元包括水平弹簧和两根支撑圆柱，两根支撑圆柱沿X型隔振结构的宽度方向的中心线对称设置在底板上，且每根支撑圆柱的底端与底板的顶部固定连接，水平弹簧设置在两根支撑圆柱之间，且水平弹簧靠近支撑圆柱的顶端设置，水平弹簧的每端与一根支撑圆柱的外圆面固定连接，水平弹簧套设在所在X型隔振结构中位于上端固定座中的轴承杆上，且水平弹簧与所套设的轴承杆固定连接；

进一步地：所述每个X型隔振结构中位于上端的固定座的边缘处与承载平台的一个切口处重合设置；

进一步地：所述承载平台相对于底板偏转180°/N，N为承载平台的边数。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明提供的一种双几何非线性结构集成的低频准零刚度隔振器，以X型结构作为支撑主体保证了隔振器在工作过程中具有更好的承载能力和稳定性，相对于现有技术中的X型准零刚度隔振器，引入水平弹簧提供正刚度来消除结构中存在的负刚度，在工作过程中保证结构不会失稳破坏，同时拓宽了结构的准零刚度区间。

2、本发明提供的一种双几何非线性结构集成的低频准零刚度隔振器，充分发挥了两种结构(X型隔振结构和水平弹簧辅助支撑)各自的优点，取长补短，通过将两种非线性结构耦合，增大了承载区间的刚度，拓宽准零刚度区间，增加了隔振器的工作范围和最优隔振区间，低频隔振区间占整个工作范围的2/3，使结构可活动范围得到充分利用，另外，两种非线性结构耦合，获得了振动响应幅度降低的有益效应。

3、本发明提供的一种双几何非线性结构集成的低频准零刚度隔振器，可以通过改变横弹簧和水平弹簧的弹簧刚度、斜弹簧的初始安装角度或X型结构的初始安装角度实现对隔振器准零刚度区间和承载能力的调节，可以从多个方面实现对结构性能的灵活调控，保证其可以适应不同质量、不同位置的隔振要求。

4、本发明提供的一种双几何非线性结构集成的低频准零刚度隔振器，所用横弹簧和水平弹簧均为线性拉力弹簧，相比于压力弹簧和非线性弹簧，不需要特别设计非线性弹簧或额外设计弹簧限位器或弹簧导杆，大大降低了结构设计和安装难度，更易于实际应用。

5、本发明提供的一种双几何非线性结构集成的低频准零刚度隔振器，将N个X型组合结构以正多边形形状组装成主承载组件，利用正多边形的稳定性(实际应用中多以正三角形)，使得隔振器在工作过程中更加稳定，保持只在竖直方向运动，且不需要额外设置竖向的限位器或导杆，去除了冗杂的辅助设计，简化了结构形式。

6、本发明提供的一种双几何非线性结构集成的低频准零刚度隔振器，均采用常用工程金属材料，造价低廉，结构简单，实用性和可替换性强，经济可行。

附图说明

图1为本发明的单个X型组合结构示意图

图2为本发明的单个X型组合结构变形前后示意图；

图3为本发明的单个X型组合结构主视图；

图4为本发明的主视图；

图5为本发明的俯视图；

图6为本发明的后视图；

图7为本发明的轴侧图；

图8为本发明与X型结构隔振器和水平弹簧结构的力-位移曲线对比图；

图9为本发明与X型结构隔振器和水平弹簧结构的刚度-位移曲线对比图；

图10为本发明与X型结构隔振器的位移传递率曲线对比图。

图中1固定座、2水平弹簧、3横弹簧、4轴承、5连杆、6支撑圆柱、7轴承杆、8承载平台和9底板。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1至图7说明本实施方式，本实施方式提供了一种双几何非线性结构集成的低频准零刚度隔振器，所述隔振器包括承载平台8、底板9、主承载组件和辅助承载组件；

所述承载平台8设置在底板9的正上方，且承载平台8的轴线与底板9的轴线共线设置，主承载组件设置在承载平台8与底板9之间，且主承载组件的顶部与承载平台8的底部固定连接，主承载组件的底部与承载平台8的顶部固定连接，辅助承载组件套设设置在主承载组件的外侧，且辅助承载组件的顶部与承载平台8的底部固定连接，辅助承载组件的底部与承载平台8的顶部固定连接。

本实施方式中，以主承载组件为支撑主体保证了隔振器在工作过程中具有更好的承载能力和稳定性，通过在主承载组件外侧设置辅助承载组件，进而提供正刚度来消除结构中存在的负刚度，在工作过程中保证结构不会失稳破坏，同时拓宽了结构的准零刚度区间。

具体实施方式二：参照图1至图7说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的承载平台8和底板9作进一步限定，本实施方式中所述承载平台8和底板9均为角部带有切口的正N边形板，N为正整数，底板9的边长大于承载平台8的边长。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

本实施方式中，承载平台8和底板9优选为正三角形，正三角形由于本身结构的稳定性，使得隔振器在工作过程中更加稳定，保持只在竖直方向运动，且不需要额外设置竖向的限位器或导杆，去除了冗杂的辅助设计，简化了结构形式。

具体实施方式三：参照图1至图7说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的主承载组件作进一步限定，本实施方式中所述主承载组件包括N个X型隔振结构，N为正整数，每个X型隔振结构与承载平台8中的一个切口处对应设置，每个X型隔振结构的顶端与承载平台8的底部固定连接，每个X型隔振结构的底端与底板9的顶部固定连接。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：参照图1至图7说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的X型隔振结构作进一步限定，本实施方式中所述X型隔振结构包括两个固定座1、一根横弹簧3和四根连杆5，四根连杆5首尾顺次相连组成菱形框架，且相邻两根连杆5之间通过一个轴承组件转动连接，两个固定座1相对设置在菱形框架的上下两端，且位于菱形框架上端的固定座1安装在菱形框架顶端的轴承组件上，位于菱形框架下端的固定座1安装在菱形框架底端的轴承组件上，横弹簧3水平设置在菱形框架的外侧，且横弹簧3的一端与菱形框架中左端的轴承组件相连，横弹簧3的另一端与菱形框架中右端的轴承组件相连，位于菱形框架上端的固定座1与承载平台8的底部固定连接，位于菱形框架下端的固定座1与底板9的顶部固定连接。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

本实施方式中，连杆5上设置了多处轴承孔，减轻了结构质量，同时利用不同的轴承孔进行组装，可以得到不同杆长、关于y轴对称或不对称、关于x轴对称或不对称的X型组合结构，提升了结构的灵活性和适用性，连杆5的初始安装水平角度为θ，取值范围为0-π/2；横弹簧3连接在X型结构中水平两处的轴承杆上，刚度系数为kh，长度为L1，根据几何关系，L1取值为2Lcosθ。

具体实施方式五：参照图1至图7说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的轴承组件作进一步限定，本实施方式中所述轴承组件包括两个轴承4和一个轴承杆7，两个轴承4沿轴承杆7的轴线方向依次套装在轴承杆7上，每个轴承4的轴承内圈与轴承杆7固定连接，每个轴承4嵌装在连杆5的一端上，且每个轴承4的轴承外圈与连杆5固定连接，横弹簧3的每端与对应轴承组件中的轴承杆7相连。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：参照图1至图7说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的固定座1作进一步限定，本实施方式中所述固定座1的顶面沿固定座1宽度方向的中心线相对设有两个连接耳，每个连接耳的中心处加工有连接孔，轴承组件中的两个轴承4设置在两个连接耳之间的间隙中，轴承组件中轴承杆7的每端穿过一个连接耳并设置在连接耳的外侧，且轴承杆7与两个连接耳拆卸连接。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：参照图1至图7说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的辅助承载组件作进一步限定，本实施方式中所述辅助承载组件包括N个正刚度发生单元，N为正整数，每个正刚度发生单元设置在一个X型隔振结构的外侧，且每个正刚度发生单元固接在底板9的顶部。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

本实施方式中，引入正刚度发生单元来为隔振器提供正刚度来消除结构中存在的负刚度，在工作过程中保证结构不会失稳破坏，同时拓宽了结构的准零刚度区间，通过正刚度发生单元与X型隔振结构相互配合，充分发挥了两种结构各自的优点，取长补短，通过将两种非线性结构耦合，增大了承载区间的刚度，拓宽准零刚度区间，增加了隔振器的工作范围和最优隔振区间，低频隔振区间占整个工作范围的2/3，使结构可活动范围得到充分利用，另外，两种非线性结构耦合，获得了振动响应幅度降低的有益效应。

具体实施方式八：参照图1至图7说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的正刚度发生单元作进一步限定，本实施方式中所述正刚度发生单元包括水平弹簧2和两根支撑圆柱6，两根支撑圆柱6沿X型隔振结构的宽度方向的中心线对称设置在底板9上，且每根支撑圆柱6的底端与底板9的顶部固定连接，水平弹簧2设置在两根支撑圆柱6之间，且水平弹簧2靠近支撑圆柱6的顶端设置，水平弹簧2的每端与一根支撑圆柱6的外圆面固定连接，水平弹簧2套设在所在X型隔振结构中位于上端固定座1中的轴承杆7上，且水平弹簧2与所套设的轴承杆7固定连接。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

本实施方式中，水平弹簧2的刚度系数为kb，长度为L2，其初始长度为连杆5长度的2倍，初始安装竖直角度为α(图1中为π/2)，横弹簧3和水平弹簧2的具体弹簧刚度系数可根据承载要求确定，但水平弹簧2和横弹簧3的刚度比值为γ，较好的γ取值范围为0.1-0.3，在实际应用中，可以将水平弹簧2用两根斜弹簧来代替，每根斜弹簧的一端与支撑圆柱6相连，每根斜弹簧的另一端与X型隔振结构中位于上端固定座1中的轴承杆7相连，斜弹簧的初始长度与连杆5的长度相同，如此设置，有利于使正刚度提供的更为稳定，更加有利于抵消装置内部产生的负刚度。

具体实施方式九：参照图1至图7说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的X型隔振结构进行进一步限定，本实施方式中所述每个X型隔振结构中位于上端的固定座1的边缘处与承载平台8的一个切口处重合设置。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式十：参照图1至图7说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的承载平台8和底板9进行进一步限定，本实施方式中所述承载平台8相对于底板9偏转180°/N，N为承载平台8的边数。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

工作原理

本发明在使用时首先将各个部件按照具体实施方式一至具体实施方式十中的连接方式组装在一起，对承载平台8进行增加负载，通过X型隔振结构中菱形框架和横弹簧3的形态变化和正刚度产生组件中水平弹簧2(或两根斜弹簧的压力变化，具体参见图1和图2)吸收装置受到负载后产生的振幅，进而达到低频隔振的效果。

如附图8-9所示，区域a表示本发明的准零刚度区间，区域c斜弹簧结构的准零刚度区间，区域b表示X型准零刚度隔振器的准零刚度区间，相互对比可以看到本发明的最优隔振范围比其他两种结构更大，并且由图可以得出，水平弹簧2(或两根斜弹簧)结构仅前半段为有效工作区间，后半段虽然刚度大，但仅能承载，无法实现低频隔振，X型结构可活动范围后半段出现负刚度，无法工作，而本发明的工作区间为X型结构的整个可活动范围，在保证承载力与其他两种隔振器相同的前提下，准零刚度隔振区间更大。

如附图10所示，区域A表示本发明在2.5-8Hz内的隔振区域，区域B表示斜弹簧结构在5-8Hz内的隔振区域。通过新数值计算方法，获得具有非线性特点的位移传递率曲线，即其中红色曲线在峰值点出现向右偏转的现象，更加准确的理论结果可以更好地指导实际应用，更准确地设计隔振器，实现预期的工作要求。

基于上述方法设计的一种双几何非线性结构集成的低频准零刚度隔振器，通过理论计算得到了本设计与X型准零刚度隔振器和斜弹簧结构的力-位移曲线和刚度-位移曲线的比较图，如附图8和附图9所示，从中可以看出，在承载能力相同的前提下，并且各弹簧采取相同的固定连接方式，本设计得到的准零刚度区间比传统的X型准零刚度隔振器更宽，并且承载能力更优，对于X型准零刚度隔振器，如果外载荷过大，隔振器整体刚度会出现负刚度区域，导致结构失稳破坏，对于斜弹簧结构，如果外载荷过大，则很难将振动控制在准零刚度区间内，而在大刚度区间振动会降低隔振性能，而对于本设计，则通过斜弹簧设计提供正刚度，不仅避免了负刚度致使结构失稳破坏，而且扩大了整个工作区间和准零刚度区间。

如附图10所示，得到了具有X型组合结构的低频准零刚度隔振器的位移传递率曲线。由图可见，本发明能够在更低频率和更宽频率范围内隔振，并且位移传递率更小，这是两种非线性结构耦合而得到的有益效应。

Claims (1)

1.一种双几何非线性结构集成的低频准零刚度隔振器，其特征在于：所述隔振器包括承载平台(8)、底板(9)、主承载组件和辅助承载组件；

所述承载平台(8)设置在底板(9)的正上方，且承载平台(8)的轴线与底板(9)的轴线共线设置，主承载组件设置在承载平台(8)与底板(9)之间，且主承载组件的顶部与承载平台(8)的底部固定连接，主承载组件的底部与底板(9)的顶部固定连接，辅助承载组件套设设置在主承载组件的外侧，且辅助承载组件的顶部与承载平台(8)的底部固定连接，辅助承载组件的底部与底板(9)的顶部固定连接；

所述承载平台(8)和底板(9)均为角部带有切口的正N边形板，N为正整数，底板(9)的边长大于承载平台(8)的边长；

所述主承载组件包括N个X型隔振结构，N为正整数，每个X型隔振结构与承载平台(8)中的一个切口处对应设置，每个X型隔振结构的顶端与承载平台(8)的底部固定连接，每个X型隔振结构的底端与底板(9)的顶部固定连接；

所述X型隔振结构包括两个固定座(1)、一根横弹簧(3)和四根连杆(5)，四根连杆(5)首尾顺次相连组成菱形框架，且相邻两根连杆(5)之间通过一个轴承组件转动连接，两个固定座(1)相对设置在菱形框架的上下两端，且位于菱形框架上端的固定座(1)安装在菱形框架顶端的轴承组件上，位于菱形框架下端的固定座(1)安装在菱形框架底端的轴承组件上，横弹簧(3)水平设置在菱形框架的外侧，且横弹簧(3)的一端与菱形框架中左端的轴承组件相连，横弹簧(3)的另一端与菱形框架中右端的轴承组件相连，位于菱形框架上端的固定座(1)与承载平台(8)的底部固定连接，位于菱形框架下端的固定座(1)与底板(9)的顶部固定连接；

所述轴承组件包括两个轴承(4)和一个轴承杆(7)，两个轴承(4)沿轴承杆(7)的轴线方向依次套装在轴承杆(7)上，每个轴承(4)的轴承内圈与轴承杆(7)固定连接，每个轴承(4)嵌装在连杆(5)的一端上，且每个轴承(4)的轴承外圈与连杆(5)固定连接，横弹簧(3)的每端与对应轴承组件中的轴承杆(7)相连；

所述固定座(1)的顶面沿固定座(1)宽度方向的中心线相对设有两个连接耳，每个连接耳的中心处加工有连接孔，轴承组件中的两个轴承(4)设置在两个连接耳之间的间隙中，轴承组件中轴承杆(7)的每端穿过一个连接耳并设置在连接耳的外侧，且轴承杆(7)与两个连接耳拆卸连接；

所述辅助承载组件包括N个正刚度发生单元，N为正整数，每个正刚度发生单元设置在一个X型隔振结构的外侧，且每个正刚度发生单元固接在底板(9)的顶部；

所述正刚度发生单元包括水平弹簧(2)和两根支撑圆柱(6)，两根支撑圆柱(6)沿X型隔振结构的宽度方向的中心线对称设置在底板(9)上，且每根支撑圆柱(6)的底端与底板(9)的顶部固定连接，水平弹簧(2)设置在两根支撑圆柱(6)之间，且水平弹簧(2)靠近支撑圆柱(6)的顶端设置，水平弹簧(2)的每端与一根支撑圆柱(6)的外圆面固定连接，水平弹簧(2)套设在所在X型隔振结构中位于上端固定座(1)中的轴承杆(7)上，且水平弹簧(2)与所套设的轴承杆(7)固定连接；

水平弹簧2的刚度系数为kb，长度为L2，其初始长度为连杆5长度的2倍，初始安装竖直角度为α(图1中为π/2)，横弹簧3和水平弹簧2的具体弹簧刚度系数可根据承载要求确定，但水平弹簧2和横弹簧3的刚度比值为γ，γ取值范围为0.1-0.3；

所述每个X型隔振结构中位于上端的固定座(1)的边缘处与承载平台(8)的一个切口处重合设置；

所述承载平台(8)相对于底板(9)偏转180°/N，N为承载平台(8)的边数。