基于正负刚度并联的低频隔振器研究

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstronauticaSinicaJuI．252016VoI．37No．72189—2199ISSN1000．6893CN11—1929／Vhltp：∥hkxb．buaaedu．cnhkxb匡》buaa．edu．cn基于正负刚度并联的低频隔振器研究董光旭，罗亚军，严博，张希农*西安交通大学航天航空学院机械结构强度与振动国家重点实验室，西安710049摘要：为了能够抑制微振动对在轨运行航天器造成的不利影响，提出了一种由螺旋柔性弹簧(SFS)与磁性弹簧并联构成的低频隔振器；其中，螺旋柔性弹簧作为正刚度元件为系统提供承

2、载能力，并通过有限元建模对其轴向刚度特性进行了数值分析；由两两相吸、同轴配置的3块环形永磁体构成的磁性弹簧为该隔振系统沿轴向提供负刚度以降低系统的固有频率；基于等效电流模型分析讨论了该磁性弹簧的磁刚度特性，并在平衡位置附近对磁刚度作了线性近似。通过分析所设计的低频隔振器与其相应线性隔振系统的位移传递率，比较了2种隔振器的隔振性能。研究结果表明：所提出的低频隔振系统能够有效地隔离低频微幅振动，降低系统的固有频率，进而拓宽了隔振频带；同时，进一步改善了隔振系统在共振区域附近的阻尼特性，有效地降低了共振峰值。关键词：隔振；螺旋柔性弹簧；磁性弹簧；负刚度；位移传递

3、率中图分类号：V214．3+3文献标识码：A文章编号：1000一6893(2016)072189—11微振动，一般被定义为在微重力作用下的低振幅振动，其频带分布可由低于lHz至1000Hz；主要特点是幅值小、频带宽、控制难。大型在轨航天器的内部机械系统中，如制冷机、反作用轮、快反镜等引起的在轨航天器的微振动效应得到了国内外许多学者的关注[1‘2]。这些扰动将会恶化在轨航天器设备的工作环境；降低敏感光学仪器的测量精度，缩短仪表仪器的使用寿命；同时，以高分辨率遥感卫星为代表的高精度航天器对星体上的各种微小扰动十分敏感；因此，航天器振动控制已经从原先的简单满足结

4、构的动力学特性、舒适性等要求逐渐向高精度、高分辨率等方向发展。因此，对于微振动的控制问题成为了目前研究的热门领域。被动式隔振技术由于其具有机构简单、低功耗、高稳定性等特征被广泛地应用于结构的抑振、减振控制当中。然而，由传统的线性隔振理论可知，当外界扰动的频率大于隔振系统无阻尼固有频率的√2倍时，隔振系统才能发挥隔振性能[3]；对于中一高频带的振动而言，传统的被动式线性隔振方式具有良好的隔振效果，但对于低频振动，如大型在轨航天器的微振动问题，往往难以有效地控制。目前，对于低频振动的控制，常采用的方法有：①降低系统的支撑刚度；②增加被隔振物体的质量。在实际工程

5、中，降低系统的刚度会产生较大的静变形，进而会降低系统的稳定性[41；改变被隔振物体质量的能力也很有限。目前，在低频振动控制领域主要采用主动、半主动隔振技术，但这2种隔振技术均需要外界提供能量，有时会引起一定的污染；因此，采用正负刚度元件并联构成的准零刚度隔振器或具有高静态一低动态刚度的隔振系统成为了当前国内外的研究热点。收稿日期：2015—07—23；退修日期：2015—10—15；录用日期：2015—11·03；网络出版时间：2015．11—2314：26网络出版地址：www．cnkinet／kcms／detail／111929v．20151123．14

6、26002html基金项目：国家自然科学基金(11172225)*通讯作者Tel．：029·82668482E—mai

7、：xnzhang@ma¨_xjtu．educn引翘格武{董光旭，罗亚军．严博，等i基f正负礤疫并联的低频隔振器研究￡Jj兢空学报．2016．37(7)：2189．2199．DONGGx，LUOYJ．YAN8．eta

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11、．2016，37(7)：2189—2{99．航空学报通过在线性隔振系统的基础上引入负刚度机构，设计出具有高静态一低动态刚度的低频隔振器，解决了传统线性隔振系统难以隔离超低频振动的难题；该类隔振系统均采用负刚度机构与正刚度弹簧并联，在其工作位置附近具有较高的承载能力和极低的运动刚度，使得系统呈现一定的非线性特征，进而能够有效隔离低频区域的微幅振动。对此，很多学者给予了相关的研究。彭献和黎大志[5]对准零刚度隔振器进行了定义和分类，并进一步对包含负刚度机构的非线性隔振原理进行了相关研究口1]，最后提出了一种由4根等长斜杆、2根等长水平杆以及一根拉簧构成的负刚度

12、机构；Carrella等[81采用竖直弹簧与2个倾斜弹簧设计了一个