一种多线谱波阻隔振器及设计方法

技术领域

本发明涉及振动控制领域，尤其涉及一种多线谱波阻隔振器及设计方法。

背景技术

在小安装空间、质量约束和耐高温等条件下，传统隔振器难以满足隔振要求。反共振隔振器同时具有吸振和隔振的技术特点，在某些特定的频率附近能够实现较高的隔振效率，从而可以用于线谱隔振。传统的动力反共振隔振器是通过惯性元件在被隔离的设备/重量上起作用，目前实现的带宽很窄、效率低、结构复杂，且通常单个隔振器只有单个窄带线谱频带，需要安装多个不同频率惯性元件才能形成多个隔振谷，会导致隔振器质量增大、结构和安装复杂、不利于小空间的安装等问题。其次，相比同刚度单自由度隔振器，传统反共振隔振器会削弱中、高频隔振效果，不利于宽带隔振。此外，传统反共振隔振器的线谱隔离效果随着阻尼的增加而衰减，而实际的隔振器为了抑制共振峰值必须具有一定阻尼，导致实际上这类隔振器的隔离效果不佳。例如，中国专利CN110469625A公开了一种借助空气弹簧调频的液压式反共振隔振器，其包括第一端盖、隔离膜、外筒体、隔振弹簧、内筒体、第二端盖；内筒体的一端延伸至外筒体内，内筒体的另一端与第二端盖相扣接，外筒体背离第二端盖的一端与第一端盖相扣接；隔振弹簧分别与内筒体的外壁、外筒体的内壁贴合连接后，由第一端盖、外筒体、隔振弹簧、内筒体以及第二端盖共同构成一个密封腔体结构；隔离膜连接于第一端盖的内部并形成密封的弹性腔体。该液压式反共振隔振器能够很好地阻断频率恒定的振动激励向被隔振对象传递，在隔振频率附近具有较高的隔振效率。但是该液压式反共振隔振器通过附加其他结构的方式导致其同样面临前述的质量大、体积大、结构复杂等的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多线谱波阻隔振器及设计方法。

为实现上述发明目的，本发明提供一种多线谱波阻隔振器，包括：隔振支撑和局域共振结构；

所述隔振支撑在所述局域共振结构的周围设置有多个；

所述隔振支撑和局域共振结构均采用金属制成；

所述隔振支撑包括：对称且具有间隔的两个隔振支撑部；

所述隔振支撑部一端为与所述局域共振结构相连接的固定端，另一端为远离所述局域共振结构的支撑端；

两个所述隔振支撑部的所述支撑端向相互背离的方向凸出设置，其中，一个所述隔振支撑部通过所述支撑端与隔振对象相连接，另一个所述隔振支撑部通过所述支撑端与基座相连接。

根据本发明的一个方面，所述隔振支撑部包括：呈长条状板状的支撑主体和凸出结构；

所述支撑主体一端与所述凸出结构相互固定连接，另一端形成所述隔振支撑部的固定端，用于连接所述局域共振结构；

所述凸出结构形成所述隔振支撑部的支撑端，其包括：连接件和支撑件；

所述支撑主体和所述支撑件位于所述连接件的相对两侧，其中，所述连接件的一端与所述支撑主体的一端垂直连接，其另一端与所述支撑件垂直连接；

根据本发明的一个方面，所述隔振支撑中的两个所述隔振支撑部为相互独立的，或者，两个所述隔振支撑部的固定端为相互连接的。

根据本发明的一个方面，所述局域共振结构的多阶共振模态用于提供多个局域共振状态，其中，所述多阶共振模态对应所述多线谱波阻隔振器的隔振曲线的多个反共振谷值。

根据本发明的一个方面，根据所述局域共振结构的不同结构设计参数，将所述局域共振结构的局域共振频率分别调节至多个激励输入频率，用于获得所述多阶局域共振模态和所述反共振谷值；

所述结构设计参数包括厚度、质量、刚度、质量分布方式、材料参数中的至少一种。

根据本发明的一个方面，为了降低结构重量并调节局域共振频率，优化的所述局域共振结构呈框架结构，其包括：相互固定连接的横梁和纵梁；

所述横梁平行的排列设置有多个，所述纵梁平行的排列设置有多个；

所述横梁和所述纵梁为一体的。

根据本发明的一个方面，所述横梁上设置有用于减重和调节频率的镂空结构；

沿所述横梁的长度方向，所述镂空结构位于所述横梁与所述纵梁相连接的位置之间，且所述镂空结构的轴向与所述纵梁的长度方向相平行。

根据本发明的一个方面，所述隔振支撑与所述局域共振结构采用焊接连接或一体成型。

所述隔振支撑和局域共振结构均采用不锈钢、钛合金或铝合金制成。

为实现上述发明目的，本发明提供一种用于前述的多线谱波阻隔振器的设计方法，包括：

S1.确定所承载的隔振对象的重量M；

S2.基于所述隔振对象的安装定位结构确定用于连接所述隔振对象和基座的隔振支撑结构、数量和分布位置；其中，所述隔振支撑包括：对称且具有间隔的两个隔振支撑部；

所述隔振支撑部一端为与所述局域共振结构相连接的固定端，另一端为远离所述局域共振结构的支撑端；

两个所述隔振支撑部的所述支撑端向相互背离的方向凸出设置，其中，一个所述隔振支撑部通过所述支撑端与隔振对象相连接，另一个所述隔振支撑部通过所述支撑端与基座相连接；

S3.假设所述多线谱波阻隔振器为质量m的节点，并在所述节点附加一个用于连接所述隔振支撑且用于改变振动能量传递通道的局域共振结构，其中，所述局域共振结构的局域共振频率为：

f

其中，m

根据本发明的一个方面，所述局域共振结构的质量m

根据本发明的一种方案，本发明的隔振器具有阻波隔振特性，其中的局域共振结构的共振局限在整个隔振器中，在振动传递率曲线上形成了反共振谷值，实现了线谱隔离的同时保证了宽带隔离效果。

根据本发明的一种方案，本发明的隔振器可实现低频多线谱宽带隔振；其中，利用局域共振结构的共振实现线谱隔振，局域共振结构的共振局限在整个隔振器中，不会传递到主质量块。局域共振结构的多阶共振模态对应着传递率的多个反共振衰减谷值，且低阶模态频率较低。此外，通过改变局域共振结构的设计方法(改变厚度、质量、刚度、质量分布方式、材料参数中的至少一种)，可以将不同局域共振频率分别调节至多个激励输入频率，实现低频多线谱宽带隔振。

根据本发明的一种方案，结构一体化设计，利用隔振器本身质量和刚度，附加质量小。

根据本发明的一种方案，本发明的隔振器通过一体化设计，利用隔振器本身的质量和刚度，不需要附加额外的弹簧/橡胶结构，附加质量小，安装简单，占用空间小。

根据本发明的一种方案，本发明将隔振器质量耦合至局域共振结构设计中，用较小的附加质量实现更低频、且具有多个隔振谷的隔振器。

根据本发明的一种方案，本发明的隔振器为可以采用纯金属结构制备，耐高温，耐腐蚀，可靠性和适应性高。

根据本发明的一种方案，本发明的隔振器振动传递曲线在局域共振频率附近形成反共振的隔振谷值，在不改变承载刚度的前提下，既可以用于隔离宽带振动，也可以高效隔离线谱振动。

附图说明

图1示意性表示根据本发明的一种实施方式的多线谱波阻隔振器的结构；

图2示意性表示根据本发明的一种实施方式的多线谱波阻隔振器的多阶共振模态图；

图3示意性表示根据本发明的波阻隔振器的的简化离散动力学模型图；

图4示意性表示根据本发明的波阻隔振器的典型振动传递率曲线图；

图5示意性表示根据本发明的实施例1的多线谱波阻隔振器与隔振对象的仿真模型图；

图6示意性表示图5中仿真模型的位移传递率曲线图；

图7示意性表示根据本发明的实施例2的多线谱波阻隔振器的实物样件图；

图8示意性表示基于图7中实物样件构建的实验测试系统图；

图9示意性表示图8中实验测试系统的随机振动加速度功率谱密度函数图；

图10示意性表示图8中实验测试系统的试验结果图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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方式，对于本领域普通技术人员而言，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。

在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其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装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种多线谱波阻隔振器，包括：隔振支撑1和局域共振结构2。在本实施方式中，隔振支撑1在局域共振结构2的周围设置有多个。例如，在局域共振结构2的周围隔振支撑1设置有4个，用于实现对隔振对象的四点支撑。在本实施方式中，隔振支撑1在局域共振结构2的侧边连接，以使得隔振支撑1和局域共振结构2基本处于同一平面内，有效降低了隔振器的整体高度，实现了本发明在小空间的灵活安装。在本实施方式中，隔振支撑1和局域共振结构2均采用金属制成。

在本实施方式中，隔振支撑1用于实现对隔振对象的连接支撑，其直接影响整个隔振器的动刚度和隔振频率。在本实施方式中，隔振支撑1包括：对称且具有间隔的两个隔振支撑部11；其中，两个隔振支撑部11沿局域共振结构2的厚度方向，上下间隔的相对设置。在本实施方式中，隔振支撑部11一端为与局域共振结构2相连接的固定端，另一端为远离局域共振结构2的支撑端；其中，两个隔振支撑部11的支撑端向相互背离的方向凸出设置。在本实施方式中，两个隔振支撑部11中的一个通过支撑端与隔振对象相连接，另一个通过支撑端与基座相连接。其中，隔振支撑部11的支撑端可通过螺纹连接件、焊接、胶接等方式与隔振对象和基座连接。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，隔振支撑部11包括：呈长条状板状的支撑主体111和凸出结构112。在本实施方式中，支撑主体111一端与凸出结构112相互固定连接，另一端形成隔振支撑部11的固定端，用于连接局域共振结构2。在本实施方式中，凸出结构112形成隔振支撑部11的支撑端，其包括：连接件112a和支撑件112b；其中，连接件112a和支撑件112b分别呈长条板状。支撑主体111和支撑件112b位于连接件112a的相对两侧，其中，连接件112a的一端与支撑主体111的一端垂直连接，其另一端与支撑件112b垂直连接。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，隔振支撑1中的两个隔振支撑部11为相互独立的。通过上述设置，可以方便的实现隔振支撑1与局域共振结构2的一体化设置，加工方便且结构稳定牢固。或者，两个隔振支撑部11的固定端为相互连接的。通过上述设置，可使得隔振支撑1单独加工后与局域共振结构2焊接连接，有效保证了隔振支撑1的结构精度和结构稳定性。

结合图1和图2所示，根据本发明的一种实施方式，局域共振结构2的多阶共振模态用于提供多个局域共振状态，其中，多阶共振模态对应多线谱波阻隔振器的隔振曲线的多个反共振谷值。在本实施方式中，隔振器的隔振位移传递率衰减谷取决于隔振器中局域共振结构2的共振模态，可适用于不同结构的隔振应用。在本实施方式中，通过改变局域共振结构的结构设计参数(厚度、质量、刚度、质量分布方式、材料中的至少一种)，可以将不同局域共振频率分别调节至多个激励输入频率，用于获得相应的多阶共振模态，可有效实现本发明低频多线谱宽带隔振。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，局域共振结构2呈框架结构，其包括：相互固定连接的横梁21和纵梁22。在本实施方式中，横梁21平行的排列设置有多个，纵梁22平行的排列设置有多个，且横梁21和纵梁22为一体的。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，横梁21上设置有用于减重和调节频率的镂空结构211。在本实施方式中，沿横梁21的长度方向，镂空结构211位于横梁21与纵梁22相连接的位置之间，且镂空结构211的轴向与纵梁22的长度方向相平行。

根据本发明的一种实施方式，隔振支撑1与局域共振结构2采用焊接连接或一体成型。通过上述设置，隔振支撑与局域共振结构一体化设计，利用隔振器本身的质量和刚度，不需要附加额外的弹簧/橡胶结构，附加质量小，安装简单，占用空间小。

根据本发明的一种实施方式，隔振支撑1和局域共振结构2均可采用不锈钢、钛合金或铝合金等金属材料制成。通过上述设置，隔振支撑1和局域共振结构2设置为纯金属结构，耐高温，耐腐蚀，可靠性和适应性高。当然，在其他的实施方式中，隔振支撑和局域共振还可采用尼龙塑料等材料。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的多线谱波阻隔振器外形尺寸根据安装空间限制(例如，高度限制30mm)和隔振支撑的安装孔距确定。在本实施方式中，隔振器通过隔振支撑1的支撑端与隔振对象连接。通过仿真软件对本发明的隔振器的振动模态进行仿真，选择振动局限在局域共振结构的模态，如图2所示，此时，振动和能量将不会沿着隔振器四个隔振支撑1的支撑端传递到隔振对象。其中，图2(a)所示的一阶共振模态频率最低，有助于实现低频隔振。图2(b)所示的模态利用了整个隔振器的质量的共振，因此位移传递率局域共振峰带宽最宽，可以将此模态频率调节至主要激励输入频率。此外，还存在多个可产生局域共振状态的隔振器模态(参见图2(c)和2(d))，用于多线谱宽带隔振。

如图3和图4所示，根据本发明的一种实施方式，本发明还提出了一种用于前述的多线谱波阻隔振器的设计方法，包括：

S1.确定所承载的隔振对象的重量M；

S2.基于隔振对象的安装定位结构确定用于连接隔振对象和基座的隔振支撑1结构、数量和分布位置；其中，隔振支撑1包括：对称且具有间隔的两个隔振支撑部11；

隔振支撑部11一端为与局域共振结构2相连接的固定端，另一端为远离局域共振结构2的支撑端；

两个隔振支撑部11的支撑端向相互背离的方向凸出设置，其中，一个隔振支撑部11通过支撑端与隔振对象相连接，另一个隔振支撑部11通过支撑端与基座相连接；通过上述设置，使得隔振支撑1的刚度由上下两部分构成。

S3.假设多线谱波阻隔振器为质量m的节点，并在节点附加一个用于连接隔振支撑1且用于改变振动能量传递通道的局域共振结构2，其中，局域共振结构2的局域共振频率为：

f

其中，m

根据本发明的一种实施方式，局域共振结构2的质量m

如图4所示，本发明的隔振器振动传递曲线在局域共振频率附近形成反共振的隔振谷值，在不改变承载刚度的前提下，既可以用于隔离宽带振动，也可以高效隔离线谱振动。

图3中，M为隔振对象的重量；m为多线谱波阻隔振器的重量；m

为进一步说明本发明，对其进行举例。

实施例1

如图5所示，构建仿真模型进行验证。具体的，选用铝材料制成的主质量块作为隔振对象，其总质量为30kg，安装孔距为500×255mm。所采用的多线谱波阻隔振器由钛合金制造，隔振频率f

T＝20log

其中，W为主质量块的平均位移响应，W

利用COMSOL仿真得到所构建的上述隔振器与隔振对象的组合模型的位移传递率T，同时仿真具有相同隔振频率的传统橡胶隔振器作为对比，如图6所示，两者在隔振频率附近的传递率衰减斜率基本一致。相比于传统橡胶隔振器，所设计多线谱波阻隔振器在70Hz、250Hz、695Hz、840Hz、970Hz和1085Hz附近存在明显的反共振峰，位移传递率衰减幅度大，特别是250Hz附近(图2(b)所示模态)衰减带宽较宽，能够有效抑制不同激励输入频率引起的振动，实现了低频、多线谱宽带隔振。

此外，通过改变局域共振结构的厚度、质量、刚度、质量分布方式、材料中的至少一种可以有效的调节上述反共振峰的频率和带宽。面对不同的隔振对象(质量不同)或者不同的隔振频率f

实施例2

如图7所示，构建实物进行验证。根据实施例1中仿真模型设计，加工钛合金的隔振器样件，隔振器质量仅1.1kg。同时，由隔振器、隔振对象(30kg的铝制主质量块)、振动台和加速度传感器等构成实验测试系统(如图8所示)。在本实施方式中，隔振器通过隔振支撑1中的支撑端分别与振动台和隔振对象实现稳定连接。以及分别对隔振对象和振动台连接加速度传感器。实验中选择随机振动激励条件，加速度功率谱密度函数如图9所示，其加速度RMS值为12.5G。

进而，分别测试振动台和主质量块的加速度响应，分析隔振器的隔振特性，实验得到的位移传递率如图10所示，隔振频率为10Hz。相对于传统隔振器，所设计多线谱隔振器的位移传递率在80-1000Hz范围内存在多个反共振峰，衰减带宽，隔振效率高。此外，在20-65Hz内的位移传递率衰减斜率更大。实验验证了所设计多线谱波阻隔振器低频、多线谱宽带隔振效果。

上述内容仅为本发明的具体方案的例子，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。

以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。