CN117052829B - 一种并联张拉整体式准零刚度隔振器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于振动控制技术领域，特别是涉及一种并联张拉整体式准零刚度隔振器，包括外侧张拉整体结构和内侧张拉整体结构，内侧张拉整体结构位于外侧张拉整体结构内部，内侧张拉整体结构与外侧张拉整体结构之间传动连接；外侧张拉整体结构包括上下同轴设置的外侧结构上顶盘、外侧结构下底盘，外侧结构上顶盘、外侧结构下底盘之间设置有外侧张拉部，内侧张拉整体结构包括上下同轴设置的内侧结构上顶盘、内侧结构下底盘，内侧结构下底盘固定连接在外侧结构下底盘的顶面上，内侧结构上顶盘、内侧结构下底盘之间设置有内侧张拉部，本发明在使用时，通过将外侧张拉整体结构和内侧张拉整体结构传动连接，实现低频隔振的同时仍具备静承载能力。
Description
技术领域
本发明属于振动控制技术领域，尤其涉及一种并联张拉整体式准零刚度隔振器。
背景技术
航空航天和精密仪器等工业领域的快速发展对低频/超低频隔振提出了迫切的需求，同时也对隔振结构的轻量化提出了新的挑战。传统线性隔振方法很难满足低频隔振需求，为实现低频隔振，目前较常用的方法是采用准零刚度隔振。但目前大多准零刚度隔振器一般隔离轴向振动，较少能实现扭转振动的隔离，且多数隔振器结构复杂，装配繁琐，限制了应用场景。
发明内容
本发明的目的是提供一种并联张拉整体式准零刚度隔振器，以解决上述问题，实现扭转振动的隔离的目的。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种并联张拉整体式准零刚度隔振器，包括外侧张拉整体结构和内侧张拉整体结构，所述内侧张拉整体结构位于所述外侧张拉整体结构内部，所述内侧张拉整体结构与所述外侧张拉整体结构之间传动连接；
所述外侧张拉整体结构包括上下同轴设置的外侧结构上顶盘、外侧结构下底盘，所述外侧结构上顶盘、外侧结构下底盘之间设置有外侧张拉部，所述内侧张拉整体结构包括上下同轴设置的内侧结构上顶盘、内侧结构下底盘，所述内侧结构下底盘固定连接在所述外侧结构下底盘的顶面上，所述内侧结构上顶盘与所述外侧结构上顶盘传动连接，所述内侧结构上顶盘、内侧结构下底盘之间设置有内侧张拉部。
优选的，所述外侧张拉部包括若干周向等间隔设置的外侧结构受压构件，所述外侧结构受压构件位于所述外侧结构上顶盘、外侧结构下底盘的外缘，所述外侧结构受压构件的一端与所述外侧结构上顶盘球铰接，所述外侧结构受压构件的另一端与所述外侧结构下底盘球铰接，相邻两个所述外侧结构受压构件之间设置有外侧结构受拉构件。
优选的，所述外侧结构受拉构件的两端分别与所述外侧结构上顶盘、外侧结构下底盘可拆卸连接，所述外侧结构受拉构件的一端靠近其中一个所述外侧结构受压构件的底端，所述外侧结构受拉构件的另一端靠近另一所述外侧结构受压构件的顶端，所述外侧结构受拉构件的倾斜方向与所述外侧结构受压构件的倾斜方向相反。
优选的，所述外侧结构下底盘包括第一底盘，所述第一底盘的外缘处周向等间隔开设有若干第一连接槽，所述第一连接槽内铰接有第一球铰，所述第一连接槽内嵌设有第一连接杆，所述第一底盘的顶面通过螺栓可拆卸连接有第一限位板，所述第一球铰穿过所述第一限位板与所述外侧结构受压构件固定连接，所述第一连接杆穿过所述第一限位板与所述外侧结构受拉构件的一端固定连接，所述外侧结构上顶盘包括第一顶盘，所述第一顶盘与所述第一底盘结构相同。
优选的，所述内侧张拉部包括若干周向等间隔设置的内侧结构受压构件，所述内侧结构受压构件位于所述内侧结构下底盘、内侧结构上顶盘的外缘，所述内侧结构受压构件的一端与所述内侧结构上顶盘球铰接，所述内侧结构受压构件的另一端与所述内侧结构下底盘球铰接，相邻两个所述内侧结构受压构件之间设置有内侧结构受拉构件。
优选的，所述内侧结构受拉构件的两端分别与所述内侧结构上顶盘、内侧结构下底盘可拆卸连接，所述内侧结构受拉构件的一端靠近其中一个所述内侧结构受压构件的底端，所述内侧结构受拉构件的另一端靠近另一所述内侧结构受压构件的顶端，所述内侧结构受拉构件的倾斜方向与所述内侧结构受压构件的倾斜方向相反。
优选的，所述内侧结构下底盘包括第二底盘，所述第二底盘的外缘处周向等间隔开设有若干第二连接槽，所述第二连接槽内铰接有第二球铰，所述第二连接槽内嵌设有第二连接杆，所述第二底盘的底面通过螺栓可拆卸连接有第二限位板，所述第二球铰穿过所述第二限位板与所述内侧结构受压构件固定连接，所述第二连接杆穿过所述第二限位板与所述内侧结构受拉构件的一端固定连接，所述内侧结构上顶盘包括第二顶盘，所述第二顶盘与所述第二底盘结构相同。
优选的，所述外侧结构上顶盘的底面固定连接有竖直设置的第一导杆、第二导杆，所述第一导杆远离所述外侧结构上顶盘的一端滑动连接有第一直线轴承，所述第一直线轴承固定连接在所述内侧结构上顶盘上，所述第二导杆远离所述外侧结构上顶盘的一端滑动连接有第二直线轴承，所述第二直线轴承固定连接在所述内侧结构上顶盘的底面上，所述第一直线轴承与所述第二直线轴承中心对称设置。
优选的，所述内侧结构下底盘的底面与所述外侧结构下底盘的顶面通过底盘连接件固定连接。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明的外侧张拉整体结构和内侧张拉整体结构在静平衡位置处正负刚度绝对值相等，并且通过将外侧张拉整体结构和内侧张拉整体结构传动连接，实现低频隔振的同时仍具备静承载能力。该隔振器在静平衡位置附近动刚度极低，振动通过该隔振器将被衰减。
可根据实际需要，通过调节外侧张拉整体结构和内侧张拉整体结构的刚度，系统准零刚度区间的动刚度也会变化，隔振频率范围将会有不同程度的扩大，利用张拉整体结构刚度特性可调节、拉伸变形与扭转变形相耦合、结构稳定且轻质等特点来构造准零刚度隔振器，可为旋转轴中扭转振动的隔离提供一种新的解决方法。
本发明的隔振器具备更加高效的空间利用率、特定环境的适用能力或特殊任务的执行能力，为航空航天、电子和机器人等复杂环境领域的低频隔振提供新途径；此外将张拉整体结构引入隔振器设计中，拓宽了结构在工程应用中的范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的轴测图；
图3为图2中A处的局部放大图；
图4为图2中B处的局部放大图；
图5为现有技术中张拉整体结构的扭转刚度-扭转角关系示意图；
图6为本发明的外侧张拉整体结构的扭转刚度-扭转角关系示意图；
图7为本发明的内侧张拉整体结构的扭转刚度-扭转角关系示意图。
其中，1、外侧结构上顶盘；101、第三限位板；102、第一顶盘；2、第一导杆；3、第一直线轴承；4、外侧结构受压构件；5、外侧结构受拉构件；6、底盘连接件；7、外侧结构下底盘；701、第一限位板；702、第一底盘；8、第二导杆；9、内侧结构上顶盘；901、第四限位板；902、第二顶盘；10、第二直线轴承；11、内侧结构受压构件；12、内侧结构受拉构件；13、内侧结构下底盘；1301、第二限位板；1302、第二底盘；14、第一连接槽；15、第一连接杆；16、第二连接槽；17、第二连接杆。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-图7，本发明提供一种并联张拉整体式准零刚度隔振器，包括外侧张拉整体结构和内侧张拉整体结构，内侧张拉整体结构位于外侧张拉整体结构内部，内侧张拉整体结构与外侧张拉整体结构之间传动连接；
外侧张拉整体结构包括上下同轴设置的外侧结构上顶盘1、外侧结构下底盘7，外侧结构上顶盘1、外侧结构下底盘7之间设置有外侧张拉部，内侧张拉整体结构包括上下同轴设置的内侧结构上顶盘9、内侧结构下底盘13，内侧结构下底盘13固定连接在外侧结构下底盘7的顶面上，内侧结构上顶盘9与外侧结构上顶盘1传动连接，内侧结构上顶盘9、内侧结构下底盘13之间设置有内侧张拉部。
外侧结构上顶盘1、外侧结构下底盘7、内侧结构上顶盘9、内侧结构下底盘13的材质为轻质高强的缓冲吸能材料，包括但不限于铝合金、不锈钢或多孔泡沫金属。
本发明的外侧张拉整体结构和内侧张拉整体结构在静平衡位置处正负刚度绝对值相等，并且通过将外侧张拉整体结构和内侧张拉整体结构传动连接，实现低频隔振的同时仍具备静承载能力。该隔振器在静平衡位置附近动刚度极低，振动通过该隔振器将被衰减。
可根据实际需要，通过调节外侧张拉整体结构和内侧张拉整体结构的刚度，系统准零刚度区间的动刚度也会变化，隔振频率范围将会有不同程度的扩大，利用张拉整体结构刚度特性可调节、拉伸变形与扭转变形相耦合、结构稳定且轻质等特点来构造准零刚度隔振器，可为旋转轴中扭转振动的隔离提供一种新的解决方法。
进一步优化方案，外侧张拉部包括若干周向等间隔设置的外侧结构受压构件4，外侧结构受压构件4位于外侧结构上顶盘1、外侧结构下底盘7的外缘，外侧结构受压构件4的一端与外侧结构上顶盘1球铰接，外侧结构受压构件4的另一端与外侧结构下底盘7球铰接，相邻两个外侧结构受压构件4之间设置有外侧结构受拉构件5。
进一步优化方案，外侧结构受拉构件5的两端分别与外侧结构上顶盘1、外侧结构下底盘7可拆卸连接，外侧结构受拉构件5的一端靠近其中一个外侧结构受压构件4的底端，外侧结构受拉构件5的另一端靠近另一外侧结构受压构件4的顶端，外侧结构受拉构件5的倾斜方向与外侧结构受压构件4的倾斜方向相反。
进一步优化方案，外侧结构下底盘7包括第一底盘702，第一底盘702的外缘处周向等间隔开设有若干第一连接槽14，第一连接槽14内铰接有第一球铰，第一连接槽14内嵌设有第一连接杆15，第一底盘702的顶面通过螺栓可拆卸连接有第一限位板701，第一球铰穿过第一限位板701与外侧结构受压构件4固定连接，第一连接杆15穿过第一限位板701与外侧结构受拉构件5的一端固定连接，外侧结构上顶盘1包括第一顶盘102，第一顶盘102与第一底盘702结构相同。
第一顶盘102靠近第一底盘702的一侧通过螺栓可拆卸连接有第三限位板101，用于保证外侧结构受拉构件5、外侧结构受压构件4与第一顶盘102的可拆卸连接。
进一步优化方案，内侧张拉部包括若干周向等间隔设置的内侧结构受压构件11，内侧结构受压构件11位于内侧结构下底盘13、内侧结构上顶盘9的外缘，内侧结构受压构件11的一端与内侧结构上顶盘9球铰接，内侧结构受压构件11的另一端与内侧结构下底盘13球铰接，相邻两个内侧结构受压构件11之间设置有内侧结构受拉构件12。
进一步优化方案，内侧结构受拉构件12的两端分别与内侧结构上顶盘9、内侧结构下底盘13可拆卸连接，内侧结构受拉构件12的一端靠近其中一个内侧结构受压构件11的底端，内侧结构受拉构件12的另一端靠近另一内侧结构受压构件11的顶端，内侧结构受拉构件12的倾斜方向与内侧结构受压构件11的倾斜方向相反。
进一步优化方案，内侧结构下底盘13包括第二底盘1302，第二底盘1302的外缘处周向等间隔开设有若干第二连接槽16，第二连接槽16内铰接有第二球铰，第二连接槽16内嵌设有第二连接杆17，第二底盘1302的底面通过螺栓可拆卸连接有第二限位板1301，第二球铰穿过第二限位板1301与内侧结构受压构件11固定连接，第二连接杆17穿过第二限位板1301与内侧结构受拉构件12的一端固定连接，内侧结构上顶盘9包括第二顶盘902，第二顶盘902与第二底盘1302结构相同。
第二顶盘902靠近第二底盘1302的一侧通过螺栓可拆卸连接有第四限位板901，用于保证内侧结构受压构件11、内侧结构受拉构件12与第二顶盘902的可拆卸连接。
进一步优化方案，外侧结构上顶盘1的底面固定连接有竖直设置的第一导杆2、第二导杆8，第一导杆2远离外侧结构上顶盘1的一端滑动连接有第一直线轴承3，第一直线轴承3固定连接在内侧结构上顶盘9上，第二导杆8远离外侧结构上顶盘1的一端滑动连接有第二直线轴承10，第二直线轴承10固定连接在内侧结构上顶盘9的底面上，第一直线轴承3与第二直线轴承10中心对称设置。
外侧结构上顶盘1固定连接有竖直设置的第一导杆2、第二导杆8，第一导杆2远离外侧结构上顶盘1的一端滑动连接有第一直线轴承3，第一直线轴承3固定连接在内侧结构上顶盘9的底面上，第二导杆8远离外侧结构上顶盘1的一端滑动连接有第二直线轴承10，第二直线轴承10固定连接在内侧结构上顶盘9的底面上，第一直线轴承3与第二直线轴承10中心对称设置。
内侧结构上顶盘9与外侧结构上顶盘1通过第一导杆2、第二导杆8、第一直线轴承3、第二直线轴承10进行传动连接，使得内外侧的四棱柱状张拉整体结构扭转同步且释放轴向运动。
进一步优化方案，内侧结构下底盘13的底面与外侧结构下底盘7的顶面通过底盘连接件6固定连接。
底盘连接件6连接内侧结构下底盘13与外侧结构下底盘7的同时，起到高度补偿的作用。
本发明的工作过程如下：
参照图5-图7，外侧张拉整体结构提供正刚度，内侧张拉整体结构提供负刚度。在扭转载荷作用下，本发明的构型会发生转变，实现正刚度到负刚度区间的调节。在满足外侧结构受拉构件5与内侧张拉整体结构不干涉的前提下，调节出具有正刚度的外侧张拉整体结构并与具有相同负刚度的内侧张拉整体结构传动连接，实现准零刚度，同时结构稳定性由处于预拉伸状态下的内侧张拉整体结构提供。
伴随扭转刚度的变化，结构扭转刚度随上顶盘和下底盘的相对扭转角θ的变化曲线如图5所示。对于四棱柱状张拉整体结构，定义结构稳定的自平衡构型的相对扭转角为零，此时结构刚度处于局部极值且为正。在变形区间-π/4＜θ＜5π/4内，受压构件和受拉构件均不会发生干涉。结构受扭转载荷作用时，结构的相对扭转角逐渐变大，结构的扭转刚度呈现非线性变化，且由正到负。具体为：当-π/4＜θ＜θc1时结构刚度为正；当θc1＜θ＜5π/4时结构刚度为负。其中，正负刚度区间转换点θc1的值与受拉构件的材质和预拉伸状态有关。
提供正刚度的外侧张拉整体结构的扭转刚度随扭转角的变化曲线如图6所示。选取稳定平衡位置处(也即正刚度极值处)的四棱柱状张拉整体结构作为外侧张拉整体结构的初始构型；提供负刚度的内侧张拉整体结构的扭转刚度随扭转角的变化曲线如图7所示。选取平衡位置处(也即负刚度极值处)的四棱柱状张拉整体结构作为内侧张拉整体结构的初始构型。在这两种平衡位置下，将外侧结构上顶盘1、内侧结构上顶盘9通过第一直线轴承3、第二直线轴承10和第一导杆2、第二导杆8进行传动连接，外侧结构下底盘7、内侧结构下底盘13通过底盘连接件6固定，便可构造有效的准零刚度隔振器。
本发明的工作原理是当隔振器置于轴系结构中时，隔振器的外侧结构上顶盘1和外侧结构下底盘7受到负载转动惯量，隔振器处于平衡位置。外侧结构的棱柱状张拉整体结构产生正的扭转刚度，提供静态承载力矩；内侧结构产生负的扭转刚度，根据正负刚度相消原理，系统此时的刚度为零，使得整个系统具有很低的固有频率，从而实现低频/超低频隔振。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“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发明，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发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种并联张拉整体式准零刚度隔振器，其特征在于，包括外侧张拉整体结构和内侧张拉整体结构，所述内侧张拉整体结构位于所述外侧张拉整体结构内部，所述内侧张拉整体结构与所述外侧张拉整体结构之间传动连接；
所述外侧张拉整体结构包括上下同轴设置的外侧结构上顶盘(1)、外侧结构下底盘(7)，所述外侧结构上顶盘(1)、外侧结构下底盘(7)之间设置有外侧张拉部，所述内侧张拉整体结构包括上下同轴设置的内侧结构上顶盘(9)、内侧结构下底盘(13)，所述内侧结构下底盘(13)固定连接在所述外侧结构下底盘(7)的顶面上，所述内侧结构上顶盘(9)与所述外侧结构上顶盘(1)传动连接，所述内侧结构上顶盘(9)、内侧结构下底盘(13)之间设置有内侧张拉部；
所述内侧张拉部包括若干周向等间隔设置的内侧结构受压构件(11)，所述内侧结构受压构件(11)位于所述内侧结构下底盘(13)、内侧结构上顶盘(9)的外缘，所述内侧结构受压构件(11)的一端与所述内侧结构上顶盘(9)球铰接，所述内侧结构受压构件(11)的另一端与所述内侧结构下底盘(13)球铰接，相邻两个所述内侧结构受压构件(11)之间设置有内侧结构受拉构件(12)；
所述内侧结构受拉构件(12)的两端分别与所述内侧结构上顶盘(9)、内侧结构下底盘(13)可拆卸连接，所述内侧结构受拉构件(12)的一端靠近其中一个所述内侧结构受压构件(11)的底端，所述内侧结构受拉构件(12)的另一端靠近另一所述内侧结构受压构件(11)的顶端，所述内侧结构受拉构件(12)的倾斜方向与所述内侧结构受压构件(11)的倾斜方向相反；
所述内侧结构下底盘(13)包括第二底盘(1302)，所述第二底盘(1302)的外缘处周向等间隔开设有若干第二连接槽(16)，所述第二连接槽(16)内铰接有第二球铰，所述第二连接槽(16)内嵌设有第二连接杆(17)，所述第二底盘(1302)的底面通过螺栓可拆卸连接有第二限位板(1301)，所述第二球铰穿过所述第二限位板(1301)与所述内侧结构受压构件(11)固定连接，所述第二连接杆(17)穿过所述第二限位板(1301)与所述内侧结构受拉构件(12)的一端固定连接，所述内侧结构上顶盘(9)包括第二顶盘(902)，所述第二顶盘(902)与所述第二底盘(1302)结构相同；
所述外侧结构上顶盘(1)的底面固定连接有竖直设置的第一导杆(2)、第二导杆(8)，所述第一导杆(2)远离所述外侧结构上顶盘(1)的一端滑动连接有第一直线轴承(3)，所述第一直线轴承(3)固定连接在所述内侧结构上顶盘(9)上，所述第二导杆(8)远离所述外侧结构上顶盘(1)的一端滑动连接有第二直线轴承(10)，所述第二直线轴承(10)固定连接在所述内侧结构上顶盘(9)的底面上，所述第一直线轴承(3)与所述第二直线轴承(10)中心对称设置。
2.根据权利要求1所述的一种并联张拉整体式准零刚度隔振器，其特征在于，所述外侧张拉部包括若干周向等间隔设置的外侧结构受压构件(4)，所述外侧结构受压构件(4)位于所述外侧结构上顶盘(1)、外侧结构下底盘(7)的外缘，所述外侧结构受压构件(4)的一端与所述外侧结构上顶盘(1)球铰接，所述外侧结构受压构件(4)的另一端与所述外侧结构下底盘(7)球铰接，相邻两个所述外侧结构受压构件(4)之间设置有外侧结构受拉构件(5)。
3.根据权利要求2所述的一种并联张拉整体式准零刚度隔振器，其特征在于，所述外侧结构受拉构件(5)的两端分别与所述外侧结构上顶盘(1)、外侧结构下底盘(7)可拆卸连接，所述外侧结构受拉构件(5)的一端靠近其中一个所述外侧结构受压构件(4)的底端，所述外侧结构受拉构件(5)的另一端靠近另一所述外侧结构受压构件(4)的顶端，所述外侧结构受拉构件(5)的倾斜方向与所述外侧结构受压构件(4)的倾斜方向相反。
4.根据权利要求2所述的一种并联张拉整体式准零刚度隔振器，其特征在于，所述外侧结构下底盘(7)包括第一底盘(702)，所述第一底盘(702)的外缘处周向等间隔开设有若干第一连接槽(14)，所述第一连接槽(14)内铰接有第一球铰，所述第一连接槽(14)内嵌设有第一连接杆(15)，所述第一底盘(702)的顶面通过螺栓可拆卸连接有第一限位板(701)，所述第一球铰穿过所述第一限位板(701)与所述外侧结构受压构件(4)固定连接，所述第一连接杆(15)穿过所述第一限位板(701)与所述外侧结构受拉构件(5)的一端固定连接，所述外侧结构上顶盘(1)包括第一顶盘(102)，所述第一顶盘(102)与所述第一底盘(702)结构相同。
5.根据权利要求1所述的一种并联张拉整体式准零刚度隔振器，其特征在于，所述内侧结构下底盘(13)的底面与所述外侧结构下底盘(7)的顶面通过底盘连接件(6)固定连接。
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