一种滚球型准零刚度隔振器的设计和特性分析

摘要

【目的】在精密仪器、航空航天等领域低频振动控制至关重要，而在低频隔振领域准零刚度隔振系统凭借其显著优势近年来备受关注。在实际工程应用中仍面临准零刚度区间范围不足导致隔振频带受限和低频隔振性能难以进一步提升的技术难题，为了解决该问题，设计了一种新型准零刚度隔振器，以扩大准零刚度区间范围并提升低频隔振性能。【方法】在经典三弹簧准零刚度结构基础上进行了创新性改进，提出了一种结构简单、紧凑且基于半圆凸轮和滚球机构的新型准零刚度隔振器。首先，通过对系统进行静力学分析，确定了准零刚度的实现条件，并推导了系统的力-位移和刚度-位移关系方程，揭示了系统在平衡位置附近的等效刚度趋近于零的特性。其次，建立了系统的动力学特性方程，通过理论分析和数值模拟研究了系统的幅频响应特性，揭示了系统的非线性动力学行为。最后，通过引入力传递率和位移传递率，深入探讨了阻尼比、非线性项系数和激励幅值变化对系统隔振性能的综合影响，优化了系统参数以实现最佳隔振效果。【结果】与传统三弹簧准零刚度隔振系统相比，新型隔振器显著扩大了准零刚度区域范围，从而能够在更宽的频率范围内实现高效的低频隔振，在低频范围内该隔振器的力传递率远低于线性隔振系统，能够更有效地隔离低频振动。【结论】通过优化结构设计和参数匹配，设计的新型准零刚度隔振器有效解决了传统准零刚度隔振系统在实际工程应用中面临的准零刚度区间范围不足和低频隔振性能有限的技术难题。与传统线性隔振系统相比，设计的隔振系统不仅具有更低的初始隔振频率，而且展现出更卓越的低频隔振性能，为工程领域的低频振动控制提供了一种全新的解决方案。

关键词

准零刚度区间 / 非线性隔振系统 / 力传递率 / 位移传递率 / 负刚度机构 / 幅频特性 / 低频隔振 / 正刚度结构