一种曲梁结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及曲梁优化技术领域，尤其是涉及一种曲梁结构及其设计方法。

背景技术

隔振结构中，减小隔振结构的支撑刚度，可降低隔振结构固有频率，但会增加整个隔振结构的静变形而降低其承载能力。为解决该问题，人们提出了准零刚度的隔振结构，它能够同时兼顾高承载力和低固有频率两方面的技术要求。

目前，对准零刚度的隔振结构中的负刚度件进行研究的报道很少，隔振结构常常面临着负刚度件的负刚度特性不明显或者进入负刚度的变形量大等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的第一个目的是提供一种曲梁结构的设计方法，以解决负刚度特性不明显或者进入负刚度的变形量大的技术问题。

本发明的第二个目的是提供一种曲梁结构。

为了实现上述第一个目的，本发明提供了如下方案：

一种曲梁结构的设计方法，所述曲梁结构包括曲梁、竖向直梁以及水平直梁，所述曲梁的两端分别连接至少1个所述竖向直梁，所述水平直梁的两端分别连接至少1个所述竖向直梁，所述设计方法包括：

步骤S1：通过2根顶端连接的弹性件等效所述曲梁，以获得所述曲梁的等效模型；

步骤S2：对所述等效模型进行受力分析，获取所述等效模型沿着竖向移动预设距离后的位置信息，并获取所述等效模型的弹性回复力与刚度之间的第一关系式；

步骤S3：对所述第一关系式进行无量纲化处理，并获取所述等效模型的无量纲刚度-无量纲位移的第二关系式；

步骤S4：基于所述第二关系式，获取影响所述等效模型的无量纲刚度的影响参数，并通过设置所述影响参数，优化所述曲梁。

在一个具体的实施方案中，所述步骤S1中，2根所述弹性件关于过所述曲梁的顶点的竖向线对称设置，且2根所述弹性件的底端，一者位于所述曲梁的一端，另一者位于所述曲梁的另一端。

在另一个具体的实施方案中，所述步骤S2中，对所述等效模型进行受力分析具体包括对2根所述弹性件的连接点施加下压的力，使得2根所述弹性件的连接点产生向下的变形量，并压缩2根所述弹性件。

在另一个具体的实施方案中，所述步骤S2中获取所述第一关系式具体包括：

根据几何关系对所述弹性件的受力进行分析，获得所述弹性件提供的竖向回复分力F

其中，F

根据上述公式，可得所述第一关系式

其中，F

在另一个具体的实施方案中，所述步骤S3中对所述第一关系式进行无量纲化处理具体包括：

对所述弹性件提供的竖向回复分力F

对所述弹性件沿着水平方向的初始长度a进行无量纲化处理，获取无量纲初始长度

对2根所述弹性件的连接点产生向下的变形量x进行无量纲化处理，获取无量纲位移

在另一个具体的实施方案中，所述步骤S3中获取所述第二关系式具体包括：

将

对所述无量纲回复分力

在另一个具体的实施方案中，所述步骤S4中，m＝sinθ

在另一个具体的实施方案中，所述步骤S4中通过设置所述影响参数，优化所述曲梁结构具体包括：

为所述初始夹角θ

在另一个具体的实施方案中，所述初始夹角θ

根据本发明的各个实施方案可以根据需要任意组合，这些组合之后所得的实施方案也在本发明范围内，是本发明具体实施方式的一部分。

为了实现上述第二个目的，本发明提供了如下方案：

一种曲梁结构，包括曲梁、竖向直梁以及水平直梁，所述曲梁的两端分别连接至少1个所述竖向直梁，所述水平直梁的两端分别连接至少1个所述竖向直梁；

所述曲梁采用如上述中任意一项所述的设计方法获取。

本发明提供的曲梁结构的设计方法，通过将曲梁结构中的负刚度件，也就是曲梁等效为2根顶端连接的弹性件，获得等效模型；对等效模型进行受力分析，并获取等效模型的弹性回复力与刚度之间的第一关系式；对第一关系式进行无量纲化处理，并获取等效模型的无量纲刚度-无量纲位移的第二关系式；基于第二关系式，找到影响等效模型的无量纲刚度的影响参数，并通过设置影响参数，实现对曲梁的优化，从而解决曲梁的负刚度特性不明显或者进入负刚度的变形量大的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的曲梁结构的设计方法的流程图；

图2为本发明提供的曲梁结构的主视结构示意图；

图3为本发明提供的曲梁受到竖向作用力变形后的主视结构示意图；

图4为本发明提供的曲梁受到水平作用力变形后的主视结构示意图；

图5为本发明提供的曲梁不同位置点与所受力之间的曲线示意图；

图6为本发明提供的等效模型的结构示意图；

图7为本发明提供的不同初始角度所对应的曲线的示意图；

图8为本发明提供的初始角度为30°所对应的曲线的示意图。

其中，图1-图8中：

曲梁101、曲梁结构100、竖向直梁102、水平直梁103。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图1-8，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶面”、“底面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的位置或元件必须具有特定方位、以特定的方位构成和操作，因此不能理解为本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

结合图1-图7所示，本发明第一方面提供了一种曲梁结构100的设计方法，具体地，曲梁结构100为具有准零刚度的隔振结构，其中，如图2所示，曲梁结构100包括曲梁101、竖向直梁102以及水平直梁103，曲梁101的两端分别连接至少1个竖向直梁102，水平直梁103的两端分别连接至少1个竖向直梁102。根据曲梁101屈曲理论，当曲梁101在受到压缩载荷时，达到临界力时，曲梁101就会从一个稳定状态突跳到另一个稳定状态，发生跃越屈曲，该过程曲梁101的刚度存在小于零的情况，如图5所示，也就是说，曲梁101为负刚度件，提供负刚度的作用。竖向直梁102与水平直梁103均为正刚度件，竖向直梁102提供竖直方向的正刚度，水平直梁103提供水平方向的正刚度。

对该曲梁结构100进行优化设计，如图1所示，设计方法包括：

步骤S1：通过2根顶端连接的弹性件等效曲梁101，以获得曲梁101的等效模型。

如图2所示，以曲梁结构100中，曲梁101的两端分别连接1个竖向直梁102，水平直梁103的两端分别连接1个竖向直梁102为例。由于曲梁101沿着水平方向的两端分别与竖向直梁102连接，竖向直梁102对曲梁101的两端进行了约束，曲梁101受到竖直向下的压力时，其两端的位置不变，因此，可以将曲梁101等效为2根顶端连接的倾斜的弹性件，如图6所示。为了便于表述，命名2根弹性件的连接点为A点。可以理解地，A点即为曲梁101的顶端受力点。

具体地，弹性件可以是钢弹簧等。

为了提高曲梁结构100的稳定性，曲梁101关于曲梁101的竖向对称线对称设置，需要说明的是，竖向对称线为过曲梁101的顶点的竖向线。

对应地，等效模型中，2根弹性件关于过曲梁101的顶点的竖向线(即曲梁101的竖向对称线)对称设置，且2根弹性件的底端，一者位于曲梁101的一端，另一者位于曲梁101的另一端。

步骤S2：对等效模型进行受力分析，获取等效模型沿着竖向移动预设距离后的位置信息，并获取等效模型的弹性回复力与刚度之间的第一关系式。

对等效模型的A点施加竖向的压力，A点产生向下的变形x，带动倾斜的弹性件压缩，弹性件产生一个沿弹性件的长度方向的回复力F

由于弹性件的初始长度为L

根据图6所示，a为弹性件沿着水平方向的初始长度，H

θ为弹性件变形后与水平方向所呈夹角，根据几何关系，可得：

将

步骤S3：对第一关系式进行无量纲化处理，并获取等效模型的无量纲刚度-无量纲位移的第二关系式。

其中，对第一关系式进行无量纲化处理具体包括分别对弹性件提供的竖向回复分力F

对弹性件提供的竖向回复分力F

获取第二关系式具体包括：将

步骤S4：基于第二关系式，获取影响等效模型的无量纲刚度的影响参数，并通过设置影响参数，优化曲梁101。

由于

通过设置影响参数，优化曲梁结构100具体包括：为初始夹角θ

分别令θ

进一步地，本发明公开了初始夹角θ

以初始角度θ

如图2所示，本发明第二方面提供了一种曲梁结构100，其中，曲梁结构100包括曲梁101、竖向直梁102以及水平直梁103，曲梁101为余弦曲梁，两端分别连接至少1个竖向直梁102，水平直梁103的两端分别连接至少1个竖向直梁102。具体地，以竖向直梁102的个数为2个，水平直梁103的个数为1个为例，如图2所示。

当曲梁101承受竖直方向的载荷时，曲梁101需要提供竖向的负刚度，此时，曲梁101的受力变形情况如图3所示，为了确保预制的曲梁101能够发生从一个稳定状态突跳到另一个稳定状态的跃越屈曲，从而体现出负刚度的特性，需要横向直梁提供一个横向的正刚度，限制曲梁101两端的横向位移；同时，竖向直梁102提供竖向的正刚度，与曲梁101提供的负刚度进行叠加，产生准零刚度的特性。

同理，当曲梁101承受水平方向的载荷时，曲梁101需要提供水平方向的负刚度，此时，曲梁101的受力变形情况如图4所示，竖向直梁102提供了一个竖向的正刚度，限值曲梁101竖向的位移；同时，横向直梁提供水平方向的正刚度，与曲梁101提供的负刚度进行叠加，产生准零刚度的特性。

曲梁101采用如上述中任意一项实施例中的设计方法获取。

本发明对曲梁101进行了优化设计，从而解决了曲梁101的负刚度特性不明显或者进入负刚度的变形量大的技术问题。

需要说明的是，本文中表示方位的词，例如，竖向、水平方向等均是以图2中的方向进行的设定，仅为了表述的方便，并不具有其它特定含义。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和创造特点相一致的最宽的范围。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。