用于航天器微振动试验的高静刚度–低动刚度隔振器研究进展

随着高精度航天器有效载荷的发展,对隔振的要求越来越高。在航天器地面微振动试验中测试微振动时,要求在支撑航天器重力的情况下,模拟航天器在轨自由状态,并隔离来自地面的低频振动。为此,可以引入具有高静刚度–低动刚度特性的隔振器。文章综述了用于航天器微振动隔离的高静刚度–低动刚度隔振器,包括实际应用中的常用类型和近年来具有应用前景的类型,对各类型隔振器的研发热点进行分析,并就此种隔振器的结构特点限制提出下一步研究方向。

一种电磁式高静-低动刚度隔振系统建模与特性分析

为改善传统线性隔振系统尺寸参数确定后就无法取得更低起始隔振频率的缺陷,基于电磁线圈嵌套永磁体结构,提出一种具有高静-低动刚度特性的电磁式可变刚度隔振系统.采用分子电流法建立隔振系统磁力的数学模型;充分考虑隔振系统力学模型中二次与三次非线性刚度项的影响,建立单自由度被动隔振系统强非线性动力学模型;采用增量谐波平衡法(IHB)求解动力学模型,分析激励、电流等对隔振系统位移传递率的影响规律;构建实验测试系统,验证所提出新型隔振系统的有效性.实验结果和理论计算表明:通入电流比未通入电流时隔振系统的起始隔振频率降低了19.25%,拓宽了隔振频带,实现了其对不同振源的适应性.

一种负刚度可调的高静低动刚度隔振系统特性分析及实验研究

针对现有高静低动刚度隔振器的设计参数均已固定,磁负刚度机构无法在线调整的问题,本文设计一种新型负刚度可调的电磁隔振器。利用永磁体与螺旋线圈设计电磁负刚度元件,并对其进行有限元仿真分析。通过静力分析,推导负刚度可调高静低动刚度隔振器力-位移-电流和刚度-位移-电流的数学表达式,得到系统在平衡位置获得准零刚度特性的条件。建立高静低动刚度隔振系统动态模型,利用平均法研究不同参数对系统幅频特性及力传递率的影响。研制原理样机,搭建试验台架并进行隔振性能测试试验,试验结果表明本文研究的高静低动刚度隔振器具有更宽的有效隔振频域和更低的传递率峰值。

时滞立方位移反馈控制的高静低动刚度隔振器动力学分析

为了克服增加线性阻尼能够抑制共振但会导致隔振系统高频性能变差的矛盾,提出时滞立方位移反馈控制策略。建立反馈控制的高静低动刚度隔振器动力学方程,采用多尺度法得到控制系统的稳态响应。分析反馈增益与滞后时间对控制系统动态特性的影响,并分析不同滞后时间下稳态响应的稳定性。定义控制系统的位移传递率,分析反馈参数对系统位移传递率的影响并和被动隔振系统的性能进行比较。结果表明:合适的反馈参数能够有效减小隔振系统共振区的位移传递率,却不影响高频区域的隔振性能;该控制策略对改善高静低动刚度隔振器的隔振性能具有理论指导意义。

高静低动刚度型三维隔震系统的力学性能和地震响应研究

文章提出一种具有高静低动刚度特性(High-Static-Low-Dynamic Stiffness, HSLD)的新型三维隔震系统,由能提供正刚度并具有较大承载能力的斜置橡胶支座和提供负刚度的负刚度装置构成,静载阶段主要由斜置支座提供较大刚度以控制静位移,动载阶段由正负刚度装置联合实现较小隔震刚度减小加速度响应,克服了传统三维隔震支座低隔震刚度与高承载能力的矛盾。进一步对斜置橡胶支座和负刚度装置进行变形分析,得到正负刚度装置力学模型和参数关系,并开展斜置橡胶支座和负刚度装置的静力试验,建立斜置橡胶支座和负刚度装置的理论力学模型。将所提出的HSLD隔震系统应用于建筑结构,通过分析不同水准地震下的结构动力响应,发现HSLD隔震系统适应不同水准抗震性能设计需求,整体结构的静载位移和地震响应均可得到有效控制。

两自由度高静低动刚度隔振系统的广义混沌同步化

针对目前潜艇动力机械系统的线谱控制方法难以实现小能量控制混沌化、变工况下持续混沌化和小振幅混沌化难题,提出了基于状态反馈和开环加非线性闭环耦合的两自由度高静低动刚度隔振系统广义混沌同步化方法。首先,建立两自由度高静低动刚度隔振系统的动力学模型,分析其全局性态;然后,利用Chen系统作为驱动信号,采用Hooke&Jeeves方法优化控制增益,通过状态反馈实现变工况下的持续混沌化;最后,利用开环加非线性闭环耦合的广义混沌同步实现高静低动刚度隔振系统大参数范围和小振幅混沌化。仿真结果表明,虽然基于状态反馈的广义混沌同步能实现两自由度高静低动隔振系统持续混沌化且线谱强度有所降低,但基座的振动幅值相比未混沌化前急剧加大;而基于开环加非线性闭环耦合的广义混沌同步能同时实现两自由度高静低动隔振系统变工况下的持续混沌化和小振幅下的混沌化,不仅能显著降低线谱强度,而且能有效抑制被隔振物体的振幅,解决了一般意义的混沌化方法无法解决的线谱抑制和振动隔离之间的冲突。

双环永磁体型高静低动刚度隔振器设计、建模与试验研究

为了改善机械设备的低频隔振效果,设计了一种具有高静低动刚度(HSLDS)特性的隔振器.该隔振器由提供正刚度的机械弹簧与提供负刚度的双环永磁体(DRPMS)结构并联而成,其中,双环永磁体结构由两个径向磁化的磁环同轴嵌套组成&首先利用等效磁荷法推导了双环永磁体结构的轴向磁力解析计算模型,然后利用Ansoft软件对双环永磁体结构进行有限元分析,验证了解析计算模型的正确性,进一步讨论了结构参数对负刚度特性的影响规律并对磁环参数设计流程进行了分析,在此基础上,设计了隔振器原理样机,并开展了试验研究.试验结果表明:与无双环永磁体结构的等效线性隔振器相比,所设计隔振器能有效降低隔振系统固有频率,拓宽隔振频带,具有更优越的低频隔振性能.

一类双层高静低动刚度隔振系统动力学特性和应用局限性研究

高静低动刚度隔振系统低频隔振性能优越,双层隔振系统对高频振动衰减迅速。将二者结合,提出基于欧拉屈曲梁负刚度调节器的一类双层高静低动刚度隔振系统,该类双层高静低动刚度隔振系统的特点是上下层的负刚度调节器安装于同一基础。对该系统进行了静力学分析,给出了此类隔振系统的负刚度适用范围;采用积极隔振模型,建立了双层高静低动刚度隔振系统的动力学方程,并使用谐波平衡法求解了系统动力学响应,根据上下层刚度之间存在的约束关系,且上下层刚度不能同时达到准零刚度等限制条件,给出了上下层线性刚度系数的有效取值范围,围绕有效取值范围的边界讨论上下层刚度系数对系统隔振性能的影响,并将其与普通的双层线性隔振系统的隔振性能进行比较。此外,还定义了双层非线性隔振系统的力传递率,研究了外激励幅值和阻尼比的大小对动力学响应和隔振性能的影响。结果表明,上下层分别使用负刚度来获取准零刚度隔振系统带来的性能迥异,上层刚度完全线性,下层为准零刚度时系统的隔振性能最好。

永磁体型高静低动刚度隔振器试验研究

高静低动刚度隔振器是一种将正负刚度弹性元件并联在静平衡位置附近获得零刚度的组合式被动隔振装 置,能有效解决低固有频率和小静态变形难以兼得的矛盾。研制并装配双环永磁体型和三磁体型两种高静低动刚度 隔振器原理样机,搭建试验台架系统,开展谐波位移激励下的双环永磁体型隔振器和谐波力激励下的三磁体型隔振器 的性能测试,并与相应等效线性隔振系统的传递特性进行对比,从而对永磁体型高静低动刚度隔振系统低频隔振的优 越性进行验证。试验结果表明,引入磁负刚度能降低系统的固有频率,拓宽系统的隔振频带,降低系统的传递率峰值。

具有高静低动刚度特性的浮置板隔振器设计方法研究

在对浮置板隔振器载荷特征分析的基础上,提出了隔振器优化设计目标,基于非线性隔振理论,设计了具有高静低动刚度特性的非线性刚度曲线,并对其静态和动态特性进行了分析;针对所设计的非线性刚度曲线存在的缺陷,设计了与之匹配的最优隔振器阻尼曲线,进一步提高其隔振性能。通过对浮置板轨道用隔振器刚度和阻尼参数的非线性设计,使得隔振器兼具低频隔振和动态位移控制的能力。理论研究表明:相比线性隔振器,所设计的非线性隔振器具有更低的主共振频率,且共振峰值明显低于线性系统;相比采用既有线性钢弹簧隔振器的浮置板减振轨道系统(以下简称线性系统),采用非线性隔振器的浮置板减振轨道系统可有效控制轨道板动态位移,轨道板动态位移可降低约50%;可显著降低轨道板的振动加速度响应,振动加速度有效值可降低约46%;在低频段(≤20 Hz)的隔振效果优于线性系统,尤其在10 Hz左右处的衰减效果最为明显,分频最大振级插入损失达到11.83 dB。

一种新型高静低动刚度气囊隔振装置结构设计及其试验研究

目前的船用隔振装置对低频振动的隔离效果不够理想,严重影响船舶声隐身性能。本文针对船舶机械激发的低频振动,提出一种基于气囊的新型高静低动刚度结构。首先,通过力学模型推导该结构的静力学特性,并分析无量纲参数对系统特性的影响;其次,通过谐波平衡法推导动力学方程,并对力传递率特性进行分析;最后,设计制造原理样机并进行试验,讨论不同气压条件下的装置刚度。理论与试验结果表明,该结构设计能够通过侧向气囊隔振器和万向节连杆机构引入负刚度,可以在保证静承载能力不变的情况下有效降低整体动刚度,同时,得到侧向气囊隔振器的气压值是影响该装置刚度的关键因素。

一种双简支―悬臂梁反共振隔振器设计分析与试验

[目的]为探究三元件型反共振隔振器的实现形式,提出一种由一根悬臂端含质量块的双简支-悬臂梁与一根双支撑梁所组成的机械装置(BAVI)。[方法]首先,分析双简支-悬臂梁的动态特性,推导其阻抗方程;然后,根据驱动点阻抗函数综合其低阶模型是单惯容与单弹簧二元件的串联结构,并解析低阶模型的等效参数;最后,通过装置试件设计与试验,验证其反共振特性和理论方法有效性,并在此基础上分析装置刚度特性及不同阻尼形式的效果。[结果]结果表明,当跨度比共振隔振器结构,具有“高静低动”刚度特性;在双简支-悬臂梁上采取阻尼措施后,可实现隔振区传递率以最大速率衰减的同时抑制共振峰的效果。[结论]所提机械装置证明了三元件型反共振隔振器的可实现性,提供了一种简易可行的工程结构。

带局域共振单元液固混合介质隔振器的动力学特性研究

针对被动振动控制技术中大载荷设备的低频振动隔离难点,提出了带有附加质量单元体的液固混合介质隔振方案。基于双质量振子的单元体模型,建立了液固混合介质隔振装置的整体动态方程,推导出隔力和隔幅两种隔振情形下的传递率理论公式,计算出传递率曲线上的解析极值点。在给定隔振器参数下,比对考虑附加质量单元体与仅考虑弹性的一般性单元体对传递率特性的影响,结果表明:附加质量不影响隔振装置的静态承载能力,但会降低共振频率;更重要的,附加质量的存在使得传递率曲线出现了最小极值点,即最佳的隔振频率点,这大幅提升了对应频段的隔振性能;解析结果证实,有效面积比、单元体数量是调控隔振性能的重要参数。

基于SD振子理论的浮置板几何非线性隔振器研究

基于SD(smooth and discontinuous)振子几何非线性理论,根据城市轨道交通实际载荷条件和隔振需求,对钢弹簧浮置板隔振器的非线性刚度曲线及其浮置板轨道系统的动态性能进行优化设计,研发了一种浮置板用几何非线性隔振器,其同时具有良好的低频隔振性能和振动位移控制能力。对非线性隔振器进行了理论分析、结构参数设计、仿真分析及试验验证,研究表明:非线性隔振器对浮置板的振动位移具有较好的控制能力和低频隔振效果,单隔振器试验表明,相对传统的钢弹簧隔振器,非线性隔振器后浮置板的振动位移可以降低40%以上;隔振器支反力在4 Hz,6 Hz,8 Hz,11 Hz,15 Hz和20 Hz分别有3.25%,15.47%,18.77%,25.18%,31.27%和37.60%的振动衰减量。

双非线性变压器基础隔振降噪研究

为降低居民区内变压器的振动和噪声对居民生活舒适性的不利影响,基于新型磁性负刚度和几何非线性阻尼设计了一种应用于变压器减振降噪的双非线性隔振系统。采用分子电流方法建立了磁性负刚度弹簧的理论模型,开展了磁力和磁性负刚度性能仿真分析。基于电磁分支电路阻尼提出一种位移-速度依赖的几何非线性阻尼,结合等效磁荷法研究了几何非线性阻尼的机电耦合特性,开展了相应的参数优化设计。应用谐波平衡法仿真分析了应用于变压器减振降噪的双非线性隔振系统的动力学特性,开展了变压器的低频减振降噪性能分析。结果表明:磁性负刚度降低了系统的共振频率,拓宽了隔振频带,有效隔离了变压器低频振动在固体结构中的传播;同时,几何非线性阻尼抑制共振而不影响非共振区振动的衰减,高效抑制了变压器振动噪声的传播。