基于一种新型磁致负刚度结构

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1、基于一种新型磁致负刚度结构的低频隔振系统分析与设计张晓平，何琳，周炜（海军工程大学振动与噪声研究所船舶振动噪声重点实验室，武汉430033）摘要：为提高隔振系统对低频微振动的隔离能力，研究了一种新型三磁体负刚度结构，分析了该结构产生负刚度的原理。将三磁体负刚度结构与隔振系统并联使用，在不影响原隔振系统载荷性能的情况下可降低系统的固有频率。分析了隔振器刚度及磁体间初始间隙对并联系统刚度特性的影响，提出从稳定性和隔振性能两方面来进行低频隔振系统设计。关键词：负刚度；永磁体；固有频率；隔振系统中图分类号：TU317文献标识码：A【DOI】AnalysisandDe

2、signofLowFrequencyVibrationIsolationSystemUsingaNewTypeofMagneticNegative-stiffnessStructureZHANGXiao-Ping,HELin,ZHOUWei(NationalKeyLaboratoryonShipVibrationandNoise,InstituteofNoiseandVibration,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China)Abstract:Inordertoimprovethesystemisolat

3、ingabilityofmicro-vibrationunderlowfrequency,anewnegativestiffnessstructureusingthreemagnetswasstudied,themechanismofitsnegativestiffnesswasanalyzed.Ifcombinethenegativestiffnessstructureandvibrationisolatingsystem,thenaturalfrequencyofthecombinedsystemcouldbedecreasedwithoutaffect

4、ingtheloadabilityofthesystem.Theeffectofspring’sstiffnessandinitialdistancebetweenmagnetstocombinedsystem’sstiffnesswasanalyzed.Itwassuggestedtodesignthecombinedlowfrequencyvibrationisolationsystemconsideringstabilityandisolationability.Keywords:negativestiffness;magnets;naturalfre

5、quency;vibrationisolationsystem0引言随着科学技术的发展，现代光学工业、感光化学、航空航天、半导体工业等对超精密加工及测量的要求日益迫切，精密仪器设备的加工及测量精度不仅与仪器设备本身的精度有关，还受到周围环境振动的影响。振动测试发现，城市内环境因受到车辆、人员、设备的影响，在1Hz~60Hz频段内具有明显的振动，而该振动将对高精密仪器设备构成威胁[1]。解决高精密仪器设备的低频微振动控制问题已成为一项迫切的需求。被动隔振系统结构简单，制造成本低，是振动控制最基础的方式。为了实现更高的低频隔振效果，主要通过降低系统刚度及增加系统

6、质量以取得更低的系统固有频率。然而增加系统质量通常受到结构和空间的限制而无法实现，降低系统刚度成为有效的手段。隔振器由于有承载能力的要求而无法将其刚度做得很小。采用负刚度结构来实现在不影响系统静刚度的条件下降低系统的动刚度是一种有效的方法。一些负刚度结构主要有框架结构[2,3]，压杆结构[4-6]等，但由于结构复杂，实际应用非常少。本文针对一种采用永磁铁来实现负刚度的机构，分析了其产生负刚度的原理。分析结果表明，将其并联作用在原有的被动隔振系统上，可降低系统在平衡位置附近的运动刚度，从而降低系统的固有频率。1磁致负刚度结构原理分析1.1两磁体结构5两块相同的

7、永磁体C1、C2异极向对时将产生吸引力，如图1所示，理论分析[7]、仿真分析[8]和试验测试[9]均表明永磁体之间的磁力与距离之间呈非线性关系，由于理论推导较为复杂，可根据试验数据对磁力与距离之间的关系（图2(a)）进行多项式拟合，得到如下关系式[9]：（1）式中，Fm0为永磁体之间距离为L0时的原始吸力；Lg为两永磁体之间的距离；Kc1、Kc2、Kc3、Kc4为拟合的磁力系数。图1两磁体结构图2两永磁体间力与间隙曲线设两永磁体之间的初始间隙为Lg0，为计算永磁体C1产生位移x时吸引力的变化，令x=Lg0-Lg，将Lg=Lg0-x代入式（1）得：（2）式中，

8、；；；；。图2(b)给出了随x变化的曲线。永磁体C2