CN114934966B - 带非稳态负刚度吸振器的基座结构 - Google Patents

带非稳态负刚度吸振器的基座结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种涉及减振抗冲技术领域的带非稳态负刚度吸振器的基座结构，包括上面板、非稳态负刚度屈曲梁、铰链、腹板、底板以及吸振器质量，非稳态负刚度屈曲梁通过铰链分别连接于基座和吸振器质量上；基座包括上面板、腹板以及底板，上面板和底板两端分别通过腹板相连，非稳态负刚度屈曲梁通过铰链连接于上面板或腹板或底板上，通过吸振器质量吸收非稳态负刚度屈曲梁受到的振动或运动能量。本发明不改变现有基座结构的形式和布置，可以以小的质量代价实现在不影响基座强度、刚度的情况下，通过小的质量代价实现低频振动能量和冲击能量吸收，具有低频实现小质量代价、吸振频率低、能量吸收效率高等优点。

Description

带非稳态负刚度吸振器的基座结构
技术领域
本发明涉及减振抗冲技术领域，具体地，涉及带非稳态负刚度吸振器的基座结构。
背景技术
基座是设备的安装基础，起着连接设备和船体的作用。一方面，基座需承受设备的静载荷和传递设备运行时产生的动载荷；另一方面，设备将船体所受的船体外部冲击载荷传递给设备。对于前者来说，基座对于设备支承的稳定性、基座传递的动载荷对船体振动和声辐射有影响；对于后者，基座本身的强度、刚度以及基座传递的冲击载荷会影响设备的精度、可靠性。因此，要求基座一方面具有较高的静刚度以承受设备载荷、具有较大的振动衰减以抑制振动传递；另一方面要求基座本身具有高的强度、基座具有较大的冲击衰减以减小船体冲击载荷影响设备。
目前基座的形式均以板架焊接结构为主，通过基座尺寸、形状的优化来使得基座满足强度、刚度要求，但是很难实现高性能的减振和抗冲击要求。
本发明提出了一种带非稳态负刚度吸振器的基座结构，在不改变现有基座结构形式的前提下，通过融入带非稳态负刚度吸振器的附加结构，通过非稳态负刚度吸振器的吸振效果实现能量的消耗，在不影响基座强度、刚度的情况下，通过小的质量代价实现低频振动能量和冲击能量吸收，从而有效抑制振动传递以及减小船体冲击载荷影响设备。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种带非稳态负刚度吸振器的基座结构。
根据本发明提供的一种带非稳态负刚度吸振器的基座结构，包括上面板、非稳态负刚度屈曲梁、铰链、腹板、底板以及吸振器质量，非稳态负刚度屈曲梁通过铰链分别连接于基座和吸振器质量上；
基座包括上面板、腹板以及底板，上面板和底板两端分别通过腹板相连，非稳态负刚度屈曲梁通过铰链连接于上面板或腹板或底板上，通过吸振器质量吸收非稳态负刚度屈曲梁受到的振动或运动能量。
一些实施例中，铰链连接在腹板上，非稳态负刚度屈曲梁插入铰链的卡槽内，非稳态负刚度屈曲梁处于压缩状态下，非稳态负刚度屈曲梁在运动过程中长度保持不变，并始终处于压缩状态。
一些实施例中，非稳态负刚度屈曲梁与吸振器质量的连接点沿着腹板方向运动时，非稳态负刚度屈曲梁所产生的力-位移特性曲线会出现负刚度、立方正刚度以及两个势阱。
一些实施例中，初始状态下，非稳态负刚度屈曲梁处于其中某个稳定状态，在上面板动态力激励下，激励基座的某些模态，铰链发生旋转，非稳态负刚度屈曲梁与吸振器质量连接点沿着基座腹板方向运动，使吸振器质量沿着腹板方向发生振动。
一些实施例中，在激励幅值及频率、基座的模态频率、非稳态负刚度屈曲梁以及吸振器质量参数匹配的情况下，吸振器质量在两个势阱之间跳跃，吸振器质量吸收某些频率下的振动能量。
一些实施例中，在某些冲击载荷幅值作用下，吸振器质量在两个势阱之间跳跃，吸振器质量吸收某些频率下的冲击能量。
一些实施例中，非稳态负刚度屈曲梁和吸振器质量分别与基座振动输入能量、振动幅值的大小相匹配。
一些实施例中，非稳态负刚度屈曲梁的几何尺寸参数和吸振器质量的质量大小按照梯度规律变化，以实现不同输入能量下宽频带的吸振。
一些实施例中，多个基座列阵排列。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明不改变现有基座结构的形式和布置，可以以小的质量代价实现在不影响基座强度、刚度的情况下，通过小的质量代价实现低频振动能量和冲击能量吸收，具有小质量代价、吸振频率低、能量吸收效率高等优点。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明的横向扩展示意图；
图4为本发明的横向或竖向扩展俯视图；
图5为本发明的竖向扩展示意图；
图6为本发明的非稳态负刚度屈曲梁所产生的力-位移特性曲线；
图7为本发明的振子位移-势能关系图；
图8为图1的底板的响应；
图9为图1的吸振器质量的响应。
图中标号：
上面板1、非稳态负刚度屈曲梁2、铰链3、腹板4、底板5、吸振器质量6。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本发明提供的一种带非稳态负刚度吸振器的基座结构，如图1-2所述，包括上面板1、非稳态负刚度屈曲梁2、铰链3、腹板4、底板5以及吸振器质量6，非稳态负刚度屈曲梁2通过铰链3分别连接于基座和吸振器质量6上。基座包括上面板1、腹板4以及底板5，上面板1和底板5两端分别通过腹板4相连。优选的，非稳态负刚度屈曲梁2通过铰链3连接于基座腹板4或面板1或底板5上。
铰链3连接在腹板4上，非稳态负刚度屈曲梁2插入铰链3的卡槽内，非稳态负刚度屈曲梁2处于压缩状态下，非稳态负刚度屈曲梁2在运动过程中长度保持不变，并始终处于压缩状态。非稳态负刚度屈曲梁2与吸振器质量6的连接点沿着腹板4方向运动时，非稳态负刚度屈曲梁2所产生的力-位移特性曲线会出现负刚度、立方正刚度以及两个势阱。当输入的面板振动能量或底板冲击能量使吸振器质量6发生不同振幅的运动时，吸振器质量6可能处于某一势阱内运动、负刚度区域运动、或在两个势阱之间跳跃、或混沌运动，起到最大限度消耗能量的作用。
初始状态下，非稳态负刚度屈曲梁2处于其中某个稳定状态，在上面板1动态力激励下，激励基座的某些模态(比如说和腹板变形相关的模态)，铰链3发生旋转，非稳态负刚度屈曲梁2与吸振器质量6连接点沿着基座腹板4方向(基座面板法向方向)运动，使吸振器质量6沿着腹板4方向发生振动。在激励幅值及频率、基座的模态频率、非稳态负刚度屈曲梁2以及吸振器质量6参数匹配的情况下，吸振器质量6在两个势阱之间跳跃，吸振器质量6最大限度地吸收某些频率下的振动能量。在同一激励幅值下，基座结构的不同模态频率处的响应，发生势阱间跳跃的非稳态负刚度屈曲梁2和吸振器质量6参数会不一样，这也为分布式的非稳态负刚度吸振器的设计提供了理论基础。
初始状态下，非稳态负刚度屈曲梁2处于其中某个稳定状态，在上面板1动态力激励下，激励基座的某些模态，铰链3发生旋转，非稳态负刚度屈曲梁2与吸振器质量6连接点沿着基座腹板方向运动，使吸振器质量6沿着腹板4方向发生振动。在某些冲击载荷幅值作用下，吸振器质量6在两个势阱之间跳跃，吸振器质量6最大限度地吸收某些频率下的冲击能量。
实施例2
本实施例2是在实施例1的基础上完成的，由多个基座横向扩展或竖向扩展，具体的如下：
如图3-5所示，基座结构可以通过横向和竖向不断扩展的方式形成多排和多层的带非稳态负刚度吸振器的基座结构，横向和竖向扩展的个数根据空间允许尺寸而定。当基座结构进行横向和竖向扩展后，每个基座结构元胞中的非稳态负刚度动力吸振器形成分布式的非稳态负刚度动力吸振器，可以根据需控制的模态变形特征，在不同的元胞中设计不同的非稳态负刚度动力吸振器：通过欧拉屈曲梁的厚度、长度、倾斜角度等几何参数以及吸振器质量6的大小。设计方法为：非稳态负刚度屈曲梁2、吸振器质量6按照基座振动所需控制模态的输入能量、振动幅值的大小进行匹配设计，使得输入能量和振动幅值能够激发吸振器质量6跨越势阱，为满足一定范围内输入能量和振动幅值均可以起到效果，每个基座结构元胞中的非稳态负刚度屈曲梁2的几何尺寸(屈曲梁厚度、长度等)和吸振器质量6的质量大小按照梯度规律变化，以实现不同输入能量下吸振器质量6均可以发生势阱间跳跃，最大限度耗能，从而实现不同输入能量下宽频带的吸振。其中，基座结构元胞指非稳态负刚度屈曲梁2与腹板4连接的基座结构。
带非稳态负刚度吸振器的基座结构可以采用其他的具有双屈曲态的结构替代非稳态负刚度屈曲梁2，具有双屈曲态的结构所产生的力-位移特性曲线会出现负刚度、立方正刚度以及两个势阱，如图6所示。
图7为振子位移-势能关系图：u2为不稳定平衡位置，u1、u3为稳定平衡位置。振子可能在稳定平衡位置振动，也可能在不稳定平衡位置振动。当激励幅值较小时，振子在稳定平衡位置振动时，基座响应表现出响应幅值在控制模态频率处向左偏的特点；振子在不稳定平衡位置振动时，基座响应表现出响应幅值在控制模态频率处向右偏的特点。随着激励幅值的增大，基座的响应存在响应幅值在两个势阱间来回跳跃。在某些情况下，基座的响应幅值可能出现处于大幅值的情形，但是由于船体本身处于非稳态工作环境，在极小扰动下，吸振器质量6会回复到势阱间跳跃最大限度吸能的工作状态。
图8-9分别为图1所示的元胞结构底板5的响应、吸振器质量6的响应(吸振器质量为2％系统质量，频率为20Hz)，可见底板5的响应得到了有效控制，吸振器质量6在势阱间来回跳跃耗能，最后稳定在某一个稳定平衡位置。
带非稳态负刚度吸振器的基座结构不改变现有基座结构的形式和布置，可以以小的质量代价实现在不影响基座强度、刚度的情况下，通过小的质量代价实现低频振动能量和冲击能量吸收，具有小质量代价、吸振频率低、能量吸收效率高等优点。
上述实现方式中，负刚度不限于采用欧拉屈曲梁，欧拉屈曲梁负刚度具有结构紧凑、负刚度能力强、在静平衡位置附近静刚度接近于0的优点，在小吸振器质量的情况下，两个势阱可更加对称。此外，欧拉屈曲梁和吸振器质量6的连接可靠，运动更为平稳，在较大位移的情况下能够自动限位。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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申请和简化描述，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申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种带非稳态负刚度吸振器的基座结构，其特征在于，包括上面板(1)、非稳态负刚度屈曲梁(2)、铰链(3)、腹板(4)、底板(5)以及吸振器质量(6)；
所述基座包括上面板(1)、腹板(4)以及底板(5)，所述上面板(1)和所述底板(5)两端分别通过所述腹板(4)相连，所述非稳态负刚度屈曲梁(2)通过铰链(3)连接于所述上面板(1)或所述腹板(4)或所述底板(5)和所述吸振器质量(6)上，通过所述吸振器质量(6)吸收所述非稳态负刚度屈曲梁(2)受到的振动或运动能量；
初始状态下，所述非稳态负刚度屈曲梁(2)处于其中某个稳定状态，在所述上面板(1)动态力激励下，激励所述基座的某些模态，所述铰链(3)发生旋转，所述非稳态负刚度屈曲梁(2)与所述吸振器质量(6)连接点沿着基座腹板方向运动，使所述吸振器质量(6)沿着所述腹板(4)方向发生振动；
在某些冲击载荷幅值作用下，所述吸振器质量(6)在两个势阱之间跳跃，所述吸振器质量(6)吸收某些频率下的冲击能量。
2.根据权利要求1所述的带非稳态负刚度吸振器的基座结构，其特征在于，所述铰链(3)连接在所述腹板(4)上，所述非稳态负刚度屈曲梁(2)插入所述铰链(3)的卡槽内，所述非稳态负刚度屈曲梁(2)处于压缩状态下，所述非稳态负刚度屈曲梁(2)在运动过程中长度保持不变，并始终处于压缩状态。
3.根据权利要求2所述的带非稳态负刚度吸振器的基座结构，其特征在于，所述非稳态负刚度屈曲梁(2)与所述吸振器质量(6)的连接点沿着所述腹板(4)方向运动时，所述非稳态负刚度屈曲梁(2)所产生的力-位移特性曲线会出现负刚度、立方正刚度以及两个势阱。
4.根据权利要求1所述的带非稳态负刚度吸振器的基座结构，其特征在于，在激励幅值及频率、所述基座的模态频率、所述非稳态负刚度屈曲梁(2)以及所述吸振器质量(6)参数匹配的情况下，所述吸振器质量(6)在两个势阱之间跳跃，所述吸振器质量(6)吸收某些频率下的振动能量。
5.根据权利要求1所述的带非稳态负刚度吸振器的基座结构，其特征在于，所述非稳态负刚度屈曲梁(2)和所述吸振器质量(6)分别与所述基座振动输入能量、振动幅值的大小相匹配。
6.根据权利要求1所述的带非稳态负刚度吸振器的基座结构，其特征在于，所述非稳态负刚度屈曲梁(2)的几何尺寸参数和所述吸振器质量(6)的质量大小按照梯度规律变化，以实现不同输入能量下宽频带的吸振。
7.根据权利要求1所述的带非稳态负刚度吸振器的基座结构，其特征在于，多个所述基座列阵排列。
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