CN114312513B - 一种机械记忆元件及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械记忆元件，包括菱形框架以及至少一个线性元件；所述所述菱形框架由四根长度相同的刚性杆依次首尾铰接而成，包括上、下、左、右四个铰接点；每个所述线性元件一端与左铰接点铰接，另一端与右铰接点铰接，菱形框架的上下铰接点连接外部；由于具有初始位移依赖控制策略的特点，机械记忆元件的惯质系数、弹性系数和阻尼系数随着初始位移的变化而改变，从而可以用于提高整个机械振动系统的自适应性；应用于座椅悬架系统后，改善了座椅加速度均方根值，车身加速度、悬架动行程和轮胎动载荷均方根值也有不同幅度的改善，有效提升了车辆的乘坐舒适性。

Description

一种机械记忆元件及其应用

技术领域

本发明涉及机械减振技术领域，具体涉及一种机械记忆元件及其应用。

背景技术

将惯容器装置应用在车辆悬架系统上，成功实现了汽车悬架工作性能的提升，汽车的平顺性也得以有效的提高，国际专利PCT/GB02/03056公开了一种惯容器装置，该惯容器装置的惯质系数不可变，在路面上行驶时难以承受瞬时大载荷的冲击。专利CN111059201A公开了一种线性阻尼器，该阻尼器虽然不存在摩擦卡滞现象，但由于阻尼系数固定，对冲击能量的吸收不能随载荷的变化进行调节，使之在缓冲过程中，在有限的响应时间内对冲击总能量吸收有限，且对离散性的意外冲击载荷不具备过载保护作用。基础线性元件不具有自适应性，因此这些元件在运行过程中对载荷和路况变化的适应性较差。

在研究过程中发现一些非线性元件具有显著的记忆特性，体现为元件的参数可以“记忆”某些特定物理量(如电流或相对速度)变化的整个历史。将这些元件定义为“记忆元件”，并提出了基础电路元件三角周期表。根据机电相似理论，又提出了机械元件三角周期表。该表总结了已知的机械元件之间的关系，并预测了未知的高阶记忆元件，对非线性元件及记忆元件的研究和发展具有重要意义。记忆元件对于外部变化具有记忆效应，可以适应外界条件的改变。目前如何将线性元件设计各阶非线性记忆元件还没有很好的办法，而本发明提供了一种根据三角周期表里层线性元件设计外层具有初始位移依赖控制策略的记忆元件的方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种机械记忆元件及其应用。

本发明解决上述问题的技术方案为：一种机械记忆元件，包括菱形框架以及至少一个线性元件；

所述所述菱形框架由四根长度相同的刚性杆依次首尾铰接而成，包括上、下、左、右四个铰接点；

每个所述线性元件一端与左铰接点铰接，另一端与右铰接点铰接，菱形框架的上下铰接点连接外部。

进一步的，所述线性元件包括线性惯容器、线性弹簧、线性阻尼器中的一种或几种。

上述机械记忆元件可应用于座椅悬架系统上。

进一步的，所述座椅悬架系统从下至上依次包括非簧载质量、簧载质量与座椅质量，所述机械记忆元件设置在簧载质量和座椅质量之间。

本发明具有有益效果：

本发明提供了一种机械记忆元件及其应用，根据初始位移，机械记忆元件的惯质系数、弹性系数和阻尼系数随着初始位移的变化而改变，从而可以用于提高整个机械振动系统的自适应性；应用于座椅悬架系统后，改善了座椅加速度均方根值，车身加速度、悬架动行程和轮胎动载荷均方根值也有不同幅度的改善，有效提升了车辆的乘坐舒适性。

附图说明

图1为实施例1中机械记忆元件的结构示意图；

图2为实施例1机械记忆元件根据初始位移控制惯性系数的等效示意图；

图3中(a)为惯质系数与相对位移的特性曲线，(b)为动量与相对速度的特性曲线，(c)为动量与相对位移的特性曲线；

图4为实施例1应用于座椅悬架系统时的结构示意图；

图5为图4中机械记忆元件在座椅悬架系统的随机输入响应特性对照图；

图6为实施例2中机械记忆元件的结构示意图；

图7为实施例2机械记忆元件根据初始位移控制惯性系数的等效示意图；

图8中(a)为惯质系数与相对位移的特性曲线，(b)为动量与相对速度的特性曲线，(c)为动量与相对位移的特性曲线；

图9为实施例3中机械记忆元件的结构示意图；

图10为实施例3机械记忆元件根据初始位移控制惯性系数的等效示意图；

图11中(a)为惯质系数与相对位移的特性曲线，(b)为动量与相对速度的特性曲线，(c)为动量与相对位移的特性曲线；

图12为实施例4中机械记忆元件的结构示意图。

具体实施方式

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，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1所示，一种机械记忆元件，包括菱形框架以及线性惯容器，所述菱形框架由四根长度相同的刚性杆依次首尾铰接而成，包括四个铰接点，分别为上、下、左、右四个铰接点，所述线性惯容器的一端与左铰接点铰接，另一端与右铰接点铰接，菱形框架的上下铰接点连接外部。

本实施例中将菱形框架下铰接点作为基点，上铰接点作为受力点，施加作用力F前后的状态分别定义为初始状态和静平衡状态，右下方铰接杆与下方水平面的初始夹角为θ，夹角的变化量为φ；定义模型中坐标原点位于装置的惯性质量中点，垂直向上为x轴正方向，水平向右为y轴正方向。根据图1中所示力学模型，得到系统的运动微分方程：

式中：b为定惯容系数，y₁为刚性杆左铰接点的水平位移，y₂为刚性杆右铰接点的水平位移，和/>分别为刚性杆左、右铰接点的加速度。

根据菱形框架的几何关系，得到：

其中，x为受力后整个装置竖直方向上的位移，和/>分别为受力后整个装置竖直方向上的速度和加速度。

假设含菱形框架惯容器装置所受外激励力为F_b0＝(F₀₊F₁)cosωt；其中，F₀为惯容激励力幅值，F₁为寄生阻尼激励力幅值，ω为激励频率。

将式(1.2)和外激励力代入式(1.1)，得到：

其中：

考虑上述函数在x＝0处连续性，在零平衡位置采用三阶泰勒级数展开，得到：

可见，第一部分与相对加速度有关，第二部分是相对速度/>的函数。因此可将装置所受外激励力F_b0等效为惯性力和阻尼力的叠加，其结构图如图1所示。那么式(1.3)可改写为：

F_b0＝F_b+F_c(1.5)

其中，F_b为惯容力，F_c为阻尼力，而惯性力的出现必然依赖于惯质系数的存在，不妨设为:

从式(1.6)看出，惯质系数B(x)是关于激励位移x的二次函数。所设计的机械记忆元件具有位移初始值依赖的等效线性惯质系数，相当于一种具有初始位移控制策略的半主动惯容器。如图2所示，机械记忆元件根据位移激励的初始值x₀，根据式(1.6)自动将的惯质系数分别调整为b₁,b₂,…,b_n。

假设一个传统的惯容器产生的惯性力为f，其两端点的相对加速度为a。那么该惯容器通常可由f-a平面上的代数关系进行定义，即

f＝b₀·a (1.7)

式中：b₀为传统惯容器的惯质系数。将式(1.7)在时域积分，得到：

式中：P₀为动量，v为传统惯容器两端的速度。

结果显示，可知传统线性惯容器可用f-a或P₀-v平面的代数关系进行定义和描述。

然而，记忆元件须由本构关系进行定义，而本构关系通常表现为两个独立变量间一一映射的代数关系。液力忆惯容器不能在f-a平面或p-v平面上进行定义，即该元件不能由以下定义，

P＝B(x)·v＝b·α(x)·v (1.9)

由于式(1.9)包含了三个动态变量，它们既不是代数关系，也不能满足非线性元件定义中的独立变量数量为两个的限制条件。因此，式(1.9)不是忆惯容器的本构关系。

对式(1.9)进行时域上积分，得到：

式中，δ为动量P在时域上的积分。

不难看出，式(1.10)仅包含了{δ，x}两个动态变量，且是一种代数关系，因此可以准确定义忆惯容器的本构关系。这也说明了忆惯容器必须在δ-x平面上进行定义，其力学特性由δ和x决定。

为进一步研究含菱形框架惯容器装置的记忆惯容特性，取余弦位移X＝Acos(2πft)作为激励，振幅A＝0.05m，频率f＝1Hz。根据式(1.5)、(1.9)、(1.10)绘制出含菱形框架惯容特性曲线，如图3所示。

由图3(a)可知，含菱形框架惯容器装置的惯质系数随着相对位移的变化而变化，这证明它是一种位移相关的惯容器。惯容器的动量积分与位移变量之间的单值映射关系定义成一个忆惯容器元件，这种定义关系是忆惯容器的本构关系，如图3(c)所示。事实上，图3(b)所示的曲线是一条扭曲的滞回环，它在电学里已经被认为是辨别记忆元件的标志。

对式(1.9)两边求导，得出含菱形框架惯容器装置的惯性力为：

其中，

可见，惯性力F_b的第一部分与相对加速度a有关，第二部分是与相对速度v的函数。为了避免赘述，这里将第一项定义为惯性力的惯性项，记作F_α；第二项为惯性力的阻尼项，记作F_β。从式(1.11)可知，惯性力F_b由惯性项F_α和阻尼项F_β构成，结合式(1.5)可推出X形装置所受阻尼力F_c为：

将式(1.3)(1.4)及(1.11)代入式(1.12)可得:

其中，c(x，v)定义为装置所受阻尼力的阻尼系数，且

根据式(1.13)可以看出，装置的阻尼系数是其两端点间相对位移和相对速度的函数，说明装置也是与位移、速度相关的非线性阻尼。

如图4所示，将本实施例中的机械记忆元件、线性的弹簧和线性的阻尼器并联在座椅悬架系统中的簧载和座椅中间，形成X形MISD座椅悬架，m₁为非簧载质量，m₂为簧载质量，m₃为座椅质量。对座椅悬架系统进行随机输入时域仿真并与传统座椅悬架和ISD座椅悬架进行对比，得到如图5所示的座椅悬架响应特性指标。由图5可以看出，座椅悬架系统的座椅加速度均方根值改善明显，为28.7％，而车身加速度、悬架动行程和轮胎动载荷均方根值也有不同幅度的改善，有效提升了车辆的乘坐舒适性。

实施例2

如图6所示，一种机械记忆元件，包括菱形框架以及线性弹簧，所述菱形框架由四根长度相同的刚性杆依次首尾铰接而成，包括四个铰接点，分别为上、下、左、右四个铰接点，所述线性弹簧的一端与左铰接点铰接，另一端与右铰接点铰接，菱形框架的上下铰接点连接外部。

本实施例中将菱形框架下铰接点作为基点，上铰接点作为受力点，施加作用力F前后的状态分别定义为初始状态和静平衡状态。菱形框架由四根长度为l的等长刚性铰接杆组成，右下方铰接杆与下方水平面的初始夹角为θ，夹角的变化量为φ；定义模型中坐标原点位于装置的质量中点，垂直向上为X轴正方向，水平向右为y轴正方向。根据图6中所示力学模型，得到系统的运动微分方程：

F＝k·(y₁-y₂)·tan(θ-φ) (2.1)

式中：k为弹簧弹性系数，y₁为刚性杆左铰接点的水平位移，y₂为刚性杆右铰接点的水平位移。

根据菱形框架的几何关系，得到：

其中，x为受力后整个装置竖直方向上的位移。

假设含菱形框架弹簧装置所受外激励力为

F＝k·η(x) (2.3)

同样考虑上述函数在x＝0处连续性，在零平衡位置采用三阶泰勒级数展开，得到：

设含菱形框架弹簧装置的弹性刚度系数为：

式(2.4)仅包含了{F，x}两个动态变量，且是一种代数关系，因此可以准确定义弹簧的本构关系。这也说明了其必须在F-x平面上进行定义，其力学特性由F和x决定。此外，弹性刚度系数k(x)是关于激励位移x的二次函数，这说明所设计的忆弹簧具有位移初始值依赖的等效线性弹性刚度系数，相当于一种具有初始位移控制策略的半主动弹簧。如图7所示，机械记忆元件根据位移激励的初始值x₀，根据式(2.5)自动将的惯质系数分别调整为k₁,k₂,…,k_n。

由图8(a)可知，含菱形框架弹簧装置的弹簧弹性系数随着相对位移的变化而变化，这证明它是一种位移相关的弹簧。弹簧的弹性力与位移变量之间的单值映射关系定义成一个忆弹簧元件，这种定义关系是忆弹簧的本构关系，如图8(c)所示。事实上，图8(b)所示的曲线是一条扭曲的滞回环，在电学里已经被认为是辨别记忆元件的标志。

实施例3

如图9所示，一种机械记忆元件，包括菱形框架以及线性阻尼器，所述菱形框架由四根长度相同的刚性杆依次首尾铰接而成，包括四个铰接点，分别为上、下、左、右四个铰接点，所述线性阻尼器的一端与左铰接点铰接，另一端与右铰接点铰接，菱形框架的上下铰接点连接外部。

本实施例中将菱形框架下铰接点作为基点，上铰接点作为受力点，施加作用力F前后的状态分别定义为初始状态和静平衡状态。菱形框架由四根长度为l的等长刚性铰接杆组成，右下方铰接杆与下方水平面的初始夹角为θ，夹角的变化量为φ；定义模型中坐标原点位于装置的惯性质量中点，垂直向上为X轴正方向，水平向右为y轴正方向。根据图9中所示力学模型，得到系统的运动微分方程：

式中：c为阻尼系数；y₁为刚性杆左铰接点的水平位移，y₂为刚性杆右铰接点的水平位移，和/>分别为刚性杆左、右铰接点的速度。

根据菱形框架的几何关系，得到：

其中，x为受力后整个装置竖直方向上的位移，为受力后整个装置竖直方向上的速度。

假设含菱形框架阻尼器装置所受外激励力为

同样考虑上述函数在x＝0处连续性，在零平衡位置采用三阶泰勒级数展开，因此不妨设含菱形框架阻尼器装置的阻尼系数为：

不难看出，式(3.3)仅包含了两个动态变量，且是一种代数关系，因此可以准确定义阻尼器的本构关系。这也说明了其必须在/>平面上进行定义，其力学特性由F和/>决定。

此外，弹性刚度系数c(x)是关于激励位移x的二次函数，这说明所设计的忆阻尼器具有位移初始值依赖的等效线性阻尼系数，相当于一种具有初始位移控制策略的半主动阻尼器。如图10所示，机械记忆元件根据位移激励的初始值x₀，根据式(3.4)自动将的惯质系数分别调整为c₁,c₂,…,c_n。

由图11(a)可知，含菱形框架阻尼器装置的阻尼系数随着相对位移的变化而变化，这证明它是一种位移相关的阻尼器。阻尼器的动量与位移变量之间的单值映射关系定义成一个忆阻尼器元件，这种定义关系是忆阻尼器的本构关系，如图11(c)所示。事实上，图11(b)所示的曲线是一条扭曲的滞回环，它在电学里已经被认为是辨别记忆元件的标志

实施例4

如图12所示，一种机械记忆元件，包括菱形框架、线性阻尼器、线性弹簧，所述菱形框架由四根长度相同的刚性杆依次首尾铰接而成，包括四个铰接点，分别为上、下、左、右四个铰接点，所述线性阻尼器和线性弹簧并联在左右铰接点之间，并且分别与左右铰接点铰接连接，菱形框架的上下铰接点连接外部。

本实施例中将菱形框架下铰接点作为基点，上铰接点作为受力点，施加作用力F前后的状态分别定义为初始状态和静平衡状态。菱形框架由四根长度为l的等长刚性铰接杆组成，右下方铰接杆与下方水平面的初始夹角为θ，夹角的变化量为φ；定义模型中坐标原点位于装置的惯性质量中点，垂直向上为X轴正方向，水平向右为y轴正方向。根据图12中所示力学模型，得到系统的运动微分方程：

式中：c为阻尼系数，k为弹簧弹性系数，y₁为刚性杆左铰接点的水平位移，y₂为刚性杆右铰接点的水平位移。

根据菱形框架的几何关系，得到：

其中，x为受力后整个装置竖直方向上的位移，为受力后整个装置竖直方向上的速度。

假设含菱形框架弹簧和阻尼器并联装置所受外激励力为

同样考虑上述函数在x＝0处连续性，在零平衡位置采用三阶泰勒级数展开，因此不妨设含菱形框架弹簧和阻尼器并联装置的弹性刚度系数k(x)和阻尼系数c(x)分别为：

对含菱形框架弹簧和阻尼器并联装置的弹簧弹性系数和阻尼器阻尼系数分别分析。并联装置的弹簧弹性系数随着相对位移的变化而变化，这证明它是一种位移相关的弹簧。弹簧的弹性力与位移变量之间的单值映射关系定义成一个忆弹簧元件，这种定义关系是忆弹簧的本构关系，如实施例2中所示。并联装置的阻尼器的动量与位移变量之间的单值映射关系定义成一个忆阻尼器元件，这种定义关系是忆阻尼器的本构关系，实施例3中所示。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种机械记忆元件，其特征在于：包括菱形框架以及至少一个线性元件；

所述所述菱形框架由四根长度相同的刚性杆依次首尾铰接而成，包括上、下、左、右四个铰接点；

每个所述线性元件一端与左铰接点铰接，另一端与右铰接点铰接，菱形框架的上、下铰接点连接外部；

菱形框架下铰接点作为基点，上铰接点作为受力点，施加作用力F前后的状态分别定义为初始状态和静平衡状态，右下方铰接杆与下方水平面的初始夹角为θ，夹角的变化量为φ；定义模型中坐标原点位于装置的惯性质量中点，垂直向上为x轴正方向，水平向右为y轴正方向；根据力学模型，得到系统的运动微分方程：

式中：b为定惯容系数，y₁为刚性杆左铰接点的水平位移，y₂为刚性杆右铰接点的水平位移，和/>分别为刚性杆左、右铰接点的加速度；

根据菱形框架的几何关系，得到：

其中，x为受力后整个装置竖直方向上的位移，和/>分别为受力后整个装置竖直方向上的速度和加速度；

假设含菱形框架惯容器装置所受外激励力为F_b0＝(F₀₊F₁)cosωt；其中，F₀为惯容激励力幅值，F₁为寄生阻尼激励力幅值，ω为激励频率；

将式(1.2)和外激励力代入式(1.1)，得到：

其中：

考虑上述函数在x＝0处连续性，在零平衡位置采用三阶泰勒级数展开，得到：

将装置所受外激励力F_b0等效为惯性力和阻尼力的叠加，那么式(1.3)可改写为：

F_b0＝F_b+F_c (1.5)

其中，F_b为惯容力，F_c为阻尼力，设:

机械记忆元件根据位移激励的初始值x₀，根据式(1.6)自动将的惯质系数分别调整为b₁,b₂,…,b_n；

假设一个传统的惯容器产生的惯性力为f，其两端点的相对加速度为a；那么该惯容器通常可由f-a平面上的代数关系进行定义，即

f＝b₀·a (1.7)

式中：b₀为传统惯容器的惯质系数；将式(1.7)在时域积分，得到：

式中：P₀为动量，v为传统惯容器两端的速度；

液力忆惯容器不能在f-a平面或p-v平面上进行定义，即该元件不能由以下定义，

P＝B(x)·v＝b·α(x)·v (1.9)

对式(1.9)进行时域上积分，得到：

式中，δ为动量P在时域上的积分；

对式(1.9)两边求导，得出含菱形框架惯容器装置的惯性力为：

其中，

将第一项定义为惯性力的惯性项，记作F_α；第二项为惯性力的阻尼项，记作F_β；从式(1.11)可知，惯性力F_b由惯性项F_α和阻尼项F_β构成，结合式(1.5)可推出X形装置所受阻尼力F_c为：

将式(1.3)(1.4)及(1.11)代入式(1.12)可得:

其中，c(x，v)定义为装置所受阻尼力的阻尼系数，且

根据式(1.13)可以看出，装置的阻尼系数是其两端点间相对位移和相对速度的函数，说明装置也是与位移、速度相关的非线性阻尼。

2.如权利要求1所述的一种机械记忆元件，其特征在于：所述线性元件包括线性惯容器、线性弹簧、线性阻尼器中的一种或几种。

3.如权利要求1或2所述的一种机械记忆元件的应用，其特征在于：所述机械记忆元件应用于座椅悬架系统上。

4.如权利要求3所述的一种机械记忆元件，其特征在于：所述座椅悬架系统从下至上依次包括非簧载质量、簧载质量与座椅质量，所述机械记忆元件设置在簧载质量和座椅质量之间。