一类高性能隔振器：准零刚度隔振技术

weixin

　　高超声速飞行器在飞行过程承受严酷的振动环境，高量级的振动会使设备发生功能失效，甚至发生灾难性后果。NASA在上世纪70年代对历次航天发射事件进行了统计，结果表明振动环境是导致飞行失利最重要的因素之一。为保证振动环境下的装备性能，利用隔振器将装备与动态激励隔离是振动环境适应性设计最简单、有效的方法之一。本文将介绍一类高性能新型隔振器——准零刚度隔振器的发展现状和设计方案。

　　线性隔振理论表明，只有当激励频率大于√2倍固有频率时，系统才有隔振效果。隔振系统中隔振器的压缩量(平衡位置静位移)受到安装空间的约束和侧向稳定性需求的限制，因此若要提高承载能力需要隔振器具有较高刚度，然而高刚度又势必导致较高的固有频率。高承载能力和低固有频率之间的矛盾成为被动隔振技术发展的瓶颈，而低频隔振尤其是重型设备的低频隔振也一直是被动隔振的难点问题。

　　具有高静低动刚度特性的隔振器具有随压缩量变化的刚度，在零负载时，隔振器具有大静刚度(承载刚度)以确保高承载能力和小静位移，当负载压缩隔振器至静平衡位置时，隔振器动刚度大幅降低，因此该类隔振器兼顾高承载能力和低固有频率，有效解决了被动隔振的瓶颈问题。准零刚度隔振器即为一类非常有代表性的具有高静低动刚度特性的隔振器。顾名思义，准零刚度隔振器即为动刚度接近于零的隔振器，目前常见如下三种设计形式：

　　  · 一是将负刚度机构并联到正刚度系统中实现准零刚度;

　　  · 二是利用特定形状的结构力-形变之间的非线性关系实现准零刚度;

　　  · 三是采用全新的隔振机理。

　　一、并联负刚度机构

　　根据实现负刚度特性的方式的不同，并联负刚度机构型准零隔振器存在以下两种结构形式：

　　  · 一种是利用弹簧产生负刚度，最典型的结构如图1所示，采用两个预压缩的水平弹簧作为负刚度元件，与竖直方向的弹簧和阻尼器组成准零刚度隔振系统，在一定的振动幅值范围内，预压缩的水平弹簧提供与竖直弹簧反向作用力实现准零刚度。

　　  · 另一种是利用磁力产生负刚度，典型的结构如图2所示，磁力将抵消部分正刚度系统的弹性恢复力实现准零刚度。

　　图1 预压缩水平弹簧准领刚度隔振器

　　图2 磁铁式准零刚度隔振器

　　二、利用特定形状

　　利用特定形状的结构力-形变之间的非线性关系实现准零刚度是一种更为直接的方法，如弹性曲梁结构(见图3)，梁的屈曲变形亦是一种简捷有效实现高静态低动态刚度的方式，如欧拉梁低频隔振器即是以梁的屈曲态为静平衡态，实现了低动态刚度。

　　图3 弹性曲梁式准领刚度隔振器

　　三、全新隔振机理

　　现有准零刚度隔振器，大多是在上述两类原理的基础上对机械结构进行改进和创新，普遍存在结构复杂、负载安装困难等缺点，目前少见工程应用。近年来，一些学者不再拘泥于现有原理和结构，利用全新机理实现准零刚度。

　　图4结构采用超弹形状记忆合金梁作为弹性元件实现准零刚度，当结构受到压缩时，记忆金属梁会被拉伸，通过记忆金属梁提供的非线性回复力。

　　图4记忆合金梁式准零刚度隔振器

　　悬置波纹管式隔振器也是一类新型准零刚度隔振器(见图5)，波纹管容器内封装由液压油和充气小波纹管单元体组成的液固混合介质形成波纹管隔振器，波纹管隔振器利用液压油传递压强，通过压缩充气小波纹管提供弹性。波纹管隔振器具有分段线性的刚度特性，而通过图5所示机构将波纹管容器悬置，在结构受压时使波纹管容器受拉，即可实现准零刚度。

　　5 悬置波纹管式隔振器

　　分子弹簧隔振器(见图6)也是一种新型准零刚度隔振器。分子弹簧是由含纳米级疏水微孔的疏水多微孔材料和水混合而成的新型功能材料，利用高压下水分子克服疏水作用力进入多微孔材料的疏水微孔、卸载时水分子迅速逸出疏水微孔的原理，完成能量的储存、释放，实现隔振或缓冲。由于疏水毛细管力的作用，水在常压下无法进入疏水微孔，此时分子弹簧具有极高刚度，当压强增加到某一临界值而克服毛细管力时，水分子大量进入疏水微孔，分子弹簧刚度迅速降低，从而实现准零刚度特性。

　　图6分子弹簧隔振器

　　来源：思睿咨询公众号(ID：STREAMS_Consulting)，作者：余慕春。部分文字与图片材料来源于期刊资料。