一种具有零刚度特征的被动式悬浮隔振方法及装置制造方法及图纸

一种具有零刚度特征的被动式悬浮隔振方法及装置，涉及重力环境地面模拟、低频、超低频隔振等领域。本发明专利技术是针对航天工程对空间重力地面模拟实验提出越来越高的要求，以及现有低频、超低频隔振面临的技术难题而提出的。所述悬浮隔振装置利用几何非线性的负刚度特征与其几何参数的可调性，通过竖直弹性元件、滑轨、滑块、水平弹性元件、连杆与载荷连接，经参数配置实现在装置设计范围内具有精确的零固有频率的特征，为载荷提供与其所受重力方向共线、大小与其位移无关的恒力，在设计范围内作用在载荷的合力为定值，使载荷处于某特定重力环境下。实现载荷对振动环境的全频段免疫，实现超低频隔振、模态测试的零刚度悬挂与空间重力环境的地面模拟。

【技术实现步骤摘要】
一种具有零刚度特征的被动式悬浮隔振方法及装置
本专利技术涉及一种具有零刚度特征的被动式悬浮隔振方法及装置，涉及重力环境地面模拟、低频、超低频(零频)隔振、模态测试等领域。
技术介绍
实际工程对同时具有特定静支撑刚度和低(零)动态刚度的支撑(悬挂)系统存在大量需求，如空间重力环境模拟实验、高精度隔振平台以及大型柔性系统模态测试实验等。国际上零(微)重力地面模拟实验方法主要有水浮、气浮和悬吊等。水浮法虽然可以模拟空间零(微)重力环境，但航天员必须穿着航天服，其设备需进行防水处理，因而造价昂贵。气浮法只能实现二维平动及一维转动，不能满足空间零(微)重力环境的要求。悬吊法具有结构复杂、占地空间大以及设备与悬吊系统存在耦合振动，同样无法实现零(微)重力环境。上述方法均可归结为一类本质为(其中为竖直方向加速度，为系统的固有频率，m与k分别为载荷质量与系统支撑刚度)的无量纲振动系统，上述工程需求实质上需要实现试件与基础环境的振动隔离，而传统方法仅当基础环境频率时才实现隔振，因此无论固有频率ω0多么小，均难以完成空间重力环境的地面模拟实验、超低频(低至零频)隔振以及大型柔性系统模态测试实验。为减小线性系统固有频率ω0，近年来出现了一类准零刚度系统，其无量纲动力学方程可以归结为m与k分别为载荷质量与支撑刚度。该系统仅当基础环境频率时具有隔振性能，因而同样无法精确完成空间重力环境模拟、超低频(低至零频)隔振以及大型柔性系统的模态测试实验。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：针对航天工程对空间重力地面模拟实验提出越来越高的要求，以及现有低频、超低频隔振面临的技术难题：无法精确完成空间重力环境模拟、超低频(低至零频)隔振以及大型柔性系统的模态测试实验，进而基于几何非线性的负刚度特性与几何参数可调的特点，建立一类具有零刚度特征的被动式悬浮隔振方法，提出一类具有零刚度特征的被动式悬浮隔振装置。本专利技术为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种具有零刚度特征的被动式悬浮隔振方法，所述方法通过构造一类具有零固有频率满足的零刚度系统，基于该系统的低频、超低频(低至零频)的隔振性能，用以实现超低频隔振以及在任意重力环境下对某种特定重力环境的模拟；其中ε为一包括但不限于0的定值，为竖直方向加速度；零刚度系统是通过对结构系统中的几何参数a、b和c的调节获得的。一种基于上述方法的具有零刚度特征的被动式悬浮隔振装置，所述被动式悬浮隔振装置利用几何非线性的负刚度特征与其几何参数的可调性，通过竖直弹性元件、滑块、滑轨、水平弹性元件-连杆与载荷连接，经参数配置实现在其设计范围内具有精确的零固有频率的特征，为载荷提供与其所受重力方向共线、大小与其位移无关的恒力，以实现在设计范围内作用在载荷的合力为包括但不限于零的定值，进而使载荷处于某特定重力环境下，所述某特定重力环境下包括但不限于零重力悬浮状态。进一步地，所述被动式悬浮隔振装置为双竖直滑轨长轴被动式零刚度悬浮装置，所述悬浮装置包括两个水平弹性元件、两个竖直滑轨、质量块、水平滑轨、两个连杆、两个竖直滑块、两个水平滑块、竖直弹性元件和竖直导向杆；每个水平弹性元件的一端与基础固定连接，另一端只能沿相应的水平滑道运动且两个水平滑道处于同一水平线上；每个水平弹性元件的自由端与一根连杆的一端铰接；每个竖直滑块的中心与每根连杆中的某位置铰接；每个水平滑块的中心与每根连杆的另一端铰接；水平滑轨固定安装在质量块的中心位置；两个竖直滑轨分别固定安装在质量块的左右两侧；每个竖直滑块分别被安装在每个竖直滑轨内，且可以沿滑轨自由滑动；两个水平滑块均被安装在水平滑轨内，且可以沿滑轨自由滑动；竖直弹性元件的一端与基础固定连接，另一端与质量块的底部固定连接；竖直导向杆沿垂直于基础平面的方向与基础固定连接；质量块在竖直导向杆的作用下仅可沿竖直方向运动；质量块的质量为m，每个水平滑块的中心铰接点与相应的连杆的弹性元件连接端距离为Ra，每个竖直滑块的中心铰接点与相应的连杆的弹性元件连接端距离为Rb，每根水平弹性元件的刚度为k，竖直弹性元件的刚度为k0，每根水平弹性元件在松弛状态下的自由端与相应的竖直滑轨的中轴线的距离为B；初始状态时，竖直弹性元件从松弛状态被压缩某一长度δ0，使得水平滑轨的中轴线与两个水平弹性元件处于同一水平面；当中间质量块向上运动到某一距离X时，质量块受力为：当B＝0，时，有F＝k0δ0-mg由此可得，调节初始状态时竖直弹性元件的压缩量δ0，可以使得系统动力学方程型为：其中为质量块沿竖直方向的加速度，ε为竖直方向为任一与X无关的包括但不限于0的常量；即当质量块的位移满足-Ra<X<Ra以及上述几何参数配置条件下，质量块所受重力与系统所给其提供的支持力恰好互相抵消或为一固定恒力，因而质量块始终处于零重力的“悬浮”或某指定重力状态，从而实现具有零固有频率的支撑系统。进一步地，所述被动式悬浮隔振装置为双竖直滑轨短轴被动式零刚度悬浮装置，所述悬浮装置包括两个水平弹性元件、两个竖直滑轨、质量块、两个水平滑轨、两个连杆、两个竖直滑块、两个水平滑块、竖直弹性元件和竖直导向杆；每个水平弹性元件的一端与基础固定连接，另一端只能沿相应的水平滑道运动且两个水平滑道处于同一水平线上；每个水平弹性元件的自由端与一根连杆的一端铰接；每个水平滑块的中心与每根连杆中的某位置铰接；每个竖直滑块的中心与每根连杆的另一端铰接；每个水平滑轨分别固定安装在质量块的左右两侧，且中轴线与质量块的水平中心线重合；两个竖直滑轨均固定安装在质量块上，且分别在每个水平滑轨的内侧；每个竖直滑块分别被安装在每个竖直滑轨内，且可以沿滑轨自由滑动；每个水平滑块分别被安装在每个水平滑轨内，且可以沿滑轨自由滑动；竖直弹性元件的一端与基础固定连接，另一端与质量块的底部固定连接；竖直导向杆沿垂直于基础平面的方向与基础固定连接；质量块在竖直导向杆的作用下仅可沿竖直方向运动；质量块的质量为m，每个水平滑块的中心铰接点与相应的连杆的弹性元件连接端距离为Ra，每个竖直滑块的中心铰接点与相应的连杆的弹性元件连接端距离为Rb，每根水平弹性元件的刚度为k，竖直弹性元件的刚度为k0，每根水平弹性元件在松弛状态下的自由端与相应的竖直滑轨的中轴线的距离为B；初始状态时，竖直弹性元件从松弛状态被压缩某一长度δ0，使得水平滑轨的中轴线与两个水平弹性元件处于同一水平面；当中间质量块向上运动到某一距离X时，质量块受力为：当B＝0，时，有F＝k0δ0-mg由此可得，调节初始状态时竖直弹性元件的压缩量δ0，可以使得系统动力学方程型为：其中为质量块沿竖直方向的加速度，ε为竖直方向为任一与X无关的包括但不限于0的常量；即当质量块的位移满足-Ra<X<Ra以及上述几何参数配置条件下，质量块所受重力与系统所给其提供的支持力恰好互相抵消或为一固定恒力，因而质量块始终处于零重力的“悬浮”或某指定重力状态，从而实现具有零固有频率的支撑系统。进一步地，所述被动式悬浮隔振装置为单竖直滑轨长轴被动式零刚度悬浮装置，所述悬浮装置包括两个水平弹性元件、竖直滑轨、质量块、两个水平滑轨、两个连杆、竖直滑块、两个水平滑块、竖直弹性元件和竖直导向杆；每个水平弹性元件的一端与基础固定连接，另一端只能沿相应的水平滑道运动且两本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有零刚度特征的被动式悬浮隔振方法，其特征在于，所述方法通过构造一类具有零固有频率满足

【技术特征摘要】
1.一种具有零刚度特征的被动式悬浮隔振方法，其特征在于，所述方法通过构造一类具有零固有频率满足的零刚度系统，基于该系统的低频、超低频(低至零频)的隔振性能，用以实现超低频隔振以及在任意重力环境下对某种特定重力环境的模拟；其中ε为一包括但不限于0的定值，为竖直方向加速度；零刚度系统是通过对结构系统中的几何参数a、b和c的调节获得的。2.一种基于权利要求1所述方法的具有零刚度特征的被动式悬浮隔振装置，其特征在于，所述被动式悬浮隔振装置利用几何非线性的负刚度特征与其几何参数的可调性，通过竖直弹性元件、滑块、滑轨、水平弹性元件-连杆与载荷连接，经参数配置实现在其设计范围内具有精确的零固有频率的特征，为载荷提供与其所受重力方向共线、大小与其位移无关的恒力，以实现在设计范围内作用在载荷的合力为包括但不限于零的定值，进而使载荷处于某特定重力环境下，所述某特定重力环境下包括但不限于零重力悬浮状态。3.根据权利要求2所述的一种具有零刚度特征的被动式悬浮隔振装置，其特征在于，所述被动式悬浮隔振装置为双竖直滑轨长轴被动式零刚度悬浮装置，所述悬浮装置包括两个水平弹性元件(1)、两个竖直滑轨(2)、质量块(3)、水平滑轨(4)、两个连杆(5)、两个竖直滑块(6)、两个水平滑块(7)、竖直弹性元件(8)和竖直导向杆(9)；每个水平弹性元件(1)的一端与基础固定连接，另一端只能沿相应的水平滑道运动且两个水平滑道处于同一水平线上；每个水平弹性元件(1)的自由端与一根连杆(5)的一端铰接；每个竖直滑块(6)的中心与每根连杆(5)中的某位置铰接；每个水平滑块(7)的中心与每根连杆(5)的另一端铰接；水平滑轨(4)固定安装在质量块(3)的中心位置；两个竖直滑轨(2)分别固定安装在质量块(3)的左右两侧；每个竖直滑块(6)分别被安装在每个竖直滑轨(2)内，且可以沿滑轨自由滑动；两个水平滑块(7)均被安装在水平滑轨(4)内，且可以沿滑轨自由滑动；竖直弹性元件(8)的一端与基础固定连接，另一端与质量块(3)的底部固定连接；竖直导向杆(9)沿垂直于基础平面的方向与基础固定连接；质量块(3)在竖直导向杆(9)的作用下仅可沿竖直方向运动；质量块的质量为m，每个水平滑块(7)的中心铰接点与相应的连杆(5)的弹性元件连接端距离为Ra，每个竖直滑块(6)的中心铰接点与相应的连杆(5)的弹性元件连接端距离为Rb，每根水平弹性元件(1)的刚度为k，竖直弹性元件(8)的刚度为k0，每根水平弹性元件(1)在松弛状态下的自由端与相应的竖直滑轨(2)的中轴线的距离为B；初始状态时，竖直弹性元件(8)从松弛状态被压缩某一长度δ0，使得水平滑轨(4)的中轴线与两个水平弹性元件(1)处于同一水平面；当中间质量块向上运动到某一距离X时，质量块(3)受力为：当B＝0，时，有F＝k0δ0-mg由此可得，调节初始状态时竖直弹性元件的压缩量δ0，可以使得系统动力学方程型为：其中为质量块(3)沿竖直方向的加速度，ε为竖直方向为任一与X无关的包括但不限于0的常量；即当质量块(3)的位移满足-Ra<X<Ra以及上述几何参数配置条件下，质量块(3)所受重力与系统所给其提供的支持力恰好互相抵消或为一固定恒力，因而质量块(3)始终处于零重力的“悬浮”或某指定重力状态，从而实现具有零固有频率的支撑系统。4.根据权利要求2所述的一种具有零刚度特征的被动式悬浮隔振装置，其特征在于，所述被动式悬浮隔振装置为双竖直滑轨短轴被动式零刚度悬浮装置，所述悬浮装置包括两个水平弹性元件(1)、两个竖直滑轨(2)、质量块(3)、两个水平滑轨(4)、两个连杆(5)、两个竖直滑块(6)、两个水平滑块(7)、竖直弹性元件(8)和竖直导向杆(9)；每个水平弹性元件(1)的一端与基础固定连接，另一端只能沿相应的水平滑道运动且两个水平滑道处于同一水平线上；每个水平弹性元件(1)的自由端与一根连杆(5)的一端铰接；每个水平滑块(7)的中心与每根连杆(5)中的某位置铰接；每个竖直滑块(6)的中心与每根连杆(5)的另一端铰接；每个水平滑轨(4)分别固定安装在质量块(3)的左右两侧，且中轴线与质量块(3)的水平中心线重合；两个竖直滑轨(2)均固定安装在质量块(3)上，且分别在每个水平滑轨(4)的内侧；每个竖直滑块(6)分别被安装在每个竖直滑轨(2)内，且可以沿滑轨自由滑动；每个水平滑块(7)分别被安装在每个水平滑轨(4)内，且可以沿滑轨自由滑动；竖直弹性元件(8)的一端与基础固定连接，另一端与质量块(3)的底部固定连接；竖直导向杆(9)沿垂直于基础平面的方向与基础固定连接；质量块(3)在竖直导向杆(9)的作用下仅可沿竖直方向运动；质量块的质量为m，每个水平滑块(7)的中心铰接点与相应的连杆(5)的弹性元件连接端距离为Ra，每个竖直滑块(6)的中心铰接点与相应的连杆(5)的弹性元件连接端距离为Rb，每根水平弹性元件(1)的刚度为k，竖直弹性元件(8)的刚度为k0，每根水平弹性元件(1)在松弛状态下的自由端与相应的竖直滑轨(2)的中轴线的距离为B；初始状态时，竖直弹性元件(8)从松弛状态被压缩某一长度δ0，使得水平滑轨(4)的中轴线与两个水平弹性元件(1)处于同一水平面；当中间质量块向上运动到某一距离X时，质量块(3)受力为：当B＝0，时，有F＝k0δ0-mg由此可得，调节初始状态时竖直弹性元件的压缩量δ0，可以使得系统动力学方程型为：其中为质量块(3)沿竖直方向的加速度，ε为竖直方向为任一与X无关的包括但不限于0...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹庆杰，朱光楠，刘吉晔，徐超，张潇汉，杨涛，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23