磁环型准零刚度隔振系统动态特性_李占龙.pdf

第 44 卷第 6 期2 0 2 3 年 6 月兵工学报ACTA AMAMENTAIIVol 44 No 6Jun2023DOI:10 12382/bgxb 2022 0194磁环型准零刚度隔振系统动态特性李占龙1，张正1，姜稳稳2，刘琪1，任志曌1，王瑶1，宋勇1(1 太原科技大学 机械工程学院，山西 太原 030024;2 吉林大学 机械与航空航天工程学院，吉林 长春 130022)摘要:特种车辆由于其作战、行驶环境复杂多变，使乘员及车载大型精密设备常暴露于低频大幅振动环境中，直接影响作战功效，甚至危及生命安全、引发严重的设备故障。为有效隔离其低频振动，开发了一种磁环型准零刚度隔振系统，对其系统刚度特性和隔振特性进行了理论与实验研究。基于磁电理论和刚度耦合理论，建立正、负刚度理论模型，获得了系统等效刚度，对其刚度机理与参数特性进行分析;进一步建立准零刚度隔振系统的非线性动力学模型，采用谐波平衡法和牛顿拉夫森迭代法对系统非线性动力学方程进行求解，分析与评估其隔振特性，并搭建实验台进行验证。研究结果表明:负刚度机构具有明显的负刚度效应，与正刚度系统配合，可产生较宽的准零刚度区间;与线性系统相比，该准零刚度隔振系统隔振频带向低频区拓宽 71.9%，共振峰值降低65.7%，稳态区间下位移响应幅值下降 75%，加速度响应幅值下降 80%，具有更宽的隔振频带和更大的振动衰减率。关键词:特种车辆;准零刚度;磁环;非线性动力学;低频隔振中图分类号:TH113.1文献标志码:A文章编号:1000-1093(2023)06-1784-11收稿日期:2022-03-28基金项目:国家自然科学基金项目(52272401);中国博士后科学基金项目(2019M661058);山西省高校科技创新项目(2019L0635)Dynamic Characteristics of Quasi Zero Stiffness VibrationIsolation System with Magnetic ingsLI Zhanlong1，ZHANG Zheng1，JIANG Wenwen2，LIU Qi1，EN Zhizhao1，WANG Yao1，SONG Yong1(1 School of Mechanical Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，Shanxi，China;2 School of Mechanical and Aerospace Engineering，Jilin University，Changchun 130022，Jilin，China)Abstract:Due to the complexity and changeability of the operational and driving environment of specialvehicles，personnel and large onboard precision equipment are often exposed to the low-frequency andlarge-amplitude vibration environment，which directly affects the operational efficiency，even endangerspersonnel safety and causes serious equipment failure In order to effectively isolate its low-frequencyvibrations，a quasi-zero-stiffness vibration isolation system with magnetic rings is developed，and itssystem stiffness characteristics and vibration isolation characteristics are studied theoretically andexperimentally Based on the magnetoelectric theory and stiffness coupling theory，the theoretical modelsof positive and negative stiffness are established and the equivalent stiffness of the system is obtained，andits stiffness mechanism and parameter characteristics are analyzed The nonlinear dynamic model of thequasi-zero stiffness vibration isolation system is further developed，and the nonlinear dynamic equations ofthe system are solved by the harmonic balance method and the Newton-aphson iterative method，itsvibration isolation characteristics are analyzed and evaluated，and an experimental bench is built for第 6 期磁环型准零刚度隔振系统动态特性verification The results show that:the negative stiffness mechanism has obvious negative stiffness effectand can produce a wider quasi-zero stiffness interval with the positive stiffness system;compared with thelinear system，the isolation frequency band of the quasi-zero stiffness vibration isolation system is widenedto the low-frequency region by 71.9%，and the resonance peak reduced by 65.7%，the displacementresponse amplitude decreased by 75%，and the acceleration response amplitude decreased by 80%in thesteady-state interval，meaning that the system has a wider vibration isolation frequency band and a largervibration decay rateKeywords:special vehicle;quasi-zero stiffness;magnetic rings;nonlinear dynamics;low-frequencyvibration isolation0引言特种车辆常作为重型精密仪器或战略武器的运载工具，其行驶工况非常复杂1。特种车辆乘员在作战或训练过程中要实现高强度高灵敏度地驾驶与操纵、瞄准与射击等作战任务，在真正的战场上，更要面临着来自车体底部地雷及简易爆炸物爆炸引起的巨幅冲击2。长时间暴露于低频大幅振动环境中对乘员健康和设备造成严重损害，因此不仅要求特种车辆具有良好的通过性、动力性和隐蔽性，而且还需具备较强的抗振性能。由线性隔振理论可知，只有当载荷频率和固有频率之比大于槡2倍时，该频率区间隔振系统才能发挥作用3。在工程上往往采用降低固有频率的方式来扩展有效隔振带宽，提高隔振性能，但是它也会同时降低承载能力。理想的隔振器应具有高静态低动态刚度(HSLDS)的特性，该特性不仅能支撑较大的重量负载，还能有效地隔离大带宽上的振动。文献 4 5 研究发现，准零刚度隔振器具有非线性被动隔振特性，依靠正负刚度并联的方式，使其具有 HSLDS 的非线性刚度特性，解决了低频隔振频带和承载能力相互矛盾的问题，成为国内外学者的研究热点。通常具有负刚度的机构有轴向受压的欧拉杆机构6 10，以及用线性的竖直弹簧和两根斜弹簧并联来实现11 13。Valeev 等14 提出了单独碟簧和环形结构组合而成的碟簧模型。任旭东15 采用两个水平对称空气弹簧作为负刚度。徐道临等16 将 5 个线性弹簧并联组合，设计了非线性低频隔振器。蓝双等17 在新的结构设计中弃用了压缩弹簧，采用拉伸弹簧的准零刚度隔振器，与前者对比后发现拉伸式具有更宽的准零刚度区间以及结构上的优势。杜宁等18 通过利用平行四边形的不稳定性来产生负动刚度。Liu 等19 设计了凸轮滚子非线性弹簧机构，并讨论了水平阻尼对系统隔离力激励和位移激励的能力的影响。张春辉等20 通过在平衡位置设置一定预紧力的准零刚度隔冲器来提高平衡位置附近的鲁棒性。Dong 等21 展开磁力准零刚度隔振技术研究，开发了由螺旋结合构成的高静态低动态刚度的多维低频隔振器。文献 22 25分别利用等效磁荷法建立矩形永磁铁和双环形永磁铁的磁力和刚度解析模型。Kim 等26 将准零刚度隔振器应用于超精密测量传感器，实现对低频微幅振动的有效控制，大幅提高传感器精度。本文针对特种车辆的低频隔振问题，基于非接触多磁环负刚度机构(NCNS)和气动人工肌肉(PAM)正刚度平台构建了一种磁环型准零刚度隔振系统，对其系统刚度机理、参数特性和隔振特性进行了理论建模研究，并搭建实验平台对其进行验证。研究结果为后期特种车辆低频隔振系统的工程应用与实验提供一定的理论依据。1磁环型准零刚度隔振系统结构建立了一种磁环型准零刚度隔振系统，如图 1所示。负刚度机构(NCNS)包括上、下两个外部固定磁环和中间的自由磁环，自由磁环安装在中轴上，中轴和正刚度机构连接，振动通过球铰平台传递给中心轴，中心轴带动内磁环在上、下磁环之间运动，由于磁力作用产生负刚度。正刚度机构是由气动人工肌肉结构(PAM)单元构造的空间 6 自由度 Stew-art 平台，主要功能是静态支撑和抵消磁负刚度，以适应承载刚度并降低隔振系统的隔振频率。承载平台由球铰与中心轴连接，通过直线轴承，可有效适应偏载工况。实际工程中隔振系统配套有上、下连接机构，上端的球铰结构更拓宽了隔振系统的使用领域和使用寿命。NCNS 负刚度机构主要由同轴排列的上、下磁5871兵工学报第 44 卷图 1磁环型准零刚度隔振系统Fig 1Quasi-zero-stiffness vibration isolation systemwith magnetic rings环和内磁环组成，如图 2 所示。将 Onxnyn面与内磁环下表面中心点重合，内磁环垂向运动为 zn轴，且向上为正。内磁环与上、下磁环沿轴向等距设置，距离为 l;上、下磁环间距离为 h;内磁环的内径、外径和厚度分别为 di、Di、Ti，上、下磁环的内径、外径和厚度分别为 do、Do、To，下角标 i 表示内磁环变量，下角标 o 表示上、下磁环变量，下角标 oa 指代上磁环变量，下角标 ob 指代下磁环变量。图 2负刚度机构坐标系Fig 2Negative stiffness mechanism coordinate systemPAM 正刚度平台为包含多环闭链结构的复杂多体系统，如图3 所示。定义参考坐标系 Oxyz，在上平台建立坐标系 Ouxuyuzu，在下平台建立坐标系Odxdydzd，上、下平台铰点绕轴线旋转对称分布，6 个PAM 简化为线性阻尼弹簧单