本發(fā)明涉及振動(dòng)控制領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于碟形彈簧的變剛度多穩(wěn)態(tài)慣容型非線性能量阱減振裝置及其工作方法。

背景技術(shù)：

1、有效抑制不期望振動(dòng)一直是工程領(lǐng)域的一個(gè)重要挑戰(zhàn)，尤其在各類機(jī)械的設(shè)備、建筑結(jié)構(gòu)、航空航天等領(lǐng)域。振動(dòng)問題不僅會(huì)影響結(jié)構(gòu)的性能，還可能導(dǎo)致疲勞失效，縮短設(shè)備壽命甚至安全事故。傳統(tǒng)的減振技術(shù)主要依賴于線性減振器，這類系統(tǒng)基于線性振動(dòng)理論，在設(shè)計(jì)頻率范圍內(nèi)能夠有效減少振動(dòng)。然而，外部激勵(lì)效應(yīng)引起的結(jié)構(gòu)退化、不準(zhǔn)確的阻尼設(shè)計(jì)估計(jì)以及服役期間的結(jié)構(gòu)修改等因素，往往導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度偏離預(yù)期設(shè)計(jì)。同時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)受到復(fù)雜激勵(lì)，尤其是多頻段或高幅度的非線性振動(dòng)時(shí)，傳統(tǒng)線性減振器的性能顯得不足。在應(yīng)對(duì)復(fù)雜激勵(lì)，尤其是多頻段或高幅度的非線性振動(dòng)時(shí)，其有效性受到調(diào)諧失效效應(yīng)的阻礙。

2、為了解決上述限制，非線性能量阱技術(shù)逐漸受到關(guān)注。非線性能量阱系統(tǒng)通過引入高次非線性項(xiàng)，使其能夠在寬頻率范圍內(nèi)有效響應(yīng)外部激勵(lì)的幅度特性。利用瞬態(tài)共振捕獲機(jī)制與主結(jié)構(gòu)的一系列模式引發(fā)顯著的能量交換，使能量從低頻振動(dòng)轉(zhuǎn)移到高頻振動(dòng)，最終通過附加結(jié)構(gòu)的阻尼耗散。然而，傳統(tǒng)非線性能量阱裝置存在高閾值能量傳遞機(jī)制、依賴外部激勵(lì)強(qiáng)度和附屬結(jié)構(gòu)大質(zhì)量比以及固定的非線性特性等限制，無法靈活適應(yīng)復(fù)雜振動(dòng)環(huán)境中的多頻振動(dòng)和不同振幅變化。因此，開發(fā)一種具有變剛度特性的輕量化非線性能量阱減振裝置，成為解決復(fù)雜振動(dòng)問題的關(guān)鍵。

3、近年來，一些研究提出了設(shè)計(jì)可調(diào)剛度的彈性元件或引入多穩(wěn)態(tài)機(jī)制，以改善非線性能量阱的減振效果。通過機(jī)械調(diào)節(jié)、磁性調(diào)節(jié)或智能材料的應(yīng)用，使非線性能量阱能夠根據(jù)實(shí)際振動(dòng)情況自適應(yīng)調(diào)整其剛度和穩(wěn)態(tài)特性。然而，這些方法在實(shí)踐中仍面臨諸如調(diào)節(jié)精度不足、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高等挑戰(zhàn)，限制了其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種變剛度多穩(wěn)態(tài)的慣容型非線性能量阱減振裝置，通過改變裝置的剛度和穩(wěn)態(tài)特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同頻率和振幅的振動(dòng)的有效控制。通過集成慣容元件，實(shí)現(xiàn)減振裝置的輕量化同時(shí)提供足夠的慣性效應(yīng)，提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度和動(dòng)態(tài)性能，優(yōu)化減振效果和系統(tǒng)魯棒性。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種變剛度多穩(wěn)態(tài)的慣容型非線性能量阱減振裝置，包括：

4、底板，固定在受控結(jié)構(gòu)上，底板的一端設(shè)有連接板；

5、兩塊固定擋板，通過距離調(diào)節(jié)組件相對(duì)設(shè)置在所述底板上，所述距離調(diào)節(jié)組件能夠調(diào)節(jié)兩塊固定擋板之間的間距；

6、由多組具有負(fù)剛度特性的碟簧元件通過螺桿串并聯(lián)組合而成的非線性能量阱減振組件，連接在兩塊所述固定擋板之間，形成具備多段彈性突跳行為的多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)；

7、質(zhì)量塊，串接在所述螺桿上且位于多組所述具有負(fù)剛度特性的碟簧元件之間，質(zhì)量塊一側(cè)的幾何中心固接有滾珠絲桿，滾珠絲桿的自由端依次穿過一塊所述固定擋板、固定在所述底板上且平行布置的兩塊固定板以及底板的豎板部分，所述滾珠絲桿的自由端上位于兩塊所述固定板之間安裝有滾珠螺母；所述滾珠螺母的外周設(shè)有外齒；

8、兩個(gè)飛輪，對(duì)稱嚙合在所述滾珠螺母的兩側(cè)；

9、在質(zhì)量塊的慣性推力作用下，所述滾珠絲桿能夠沿軸線移動(dòng)，使所述滾珠螺母旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)兩個(gè)飛輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生慣性質(zhì)量效應(yīng)。

10、所述非線性能量阱減振組件包括沿受力方向依次同軸連接的：

11、加載頭，為帶中心孔的圓盤形組件，由環(huán)形底座和同軸設(shè)置的環(huán)形約束筒組成，用于安裝時(shí)提供定位并傳遞外部載荷；

12、核心固定筒，同軸套接于所述環(huán)形約束筒外側(cè)；

13、多個(gè)方向相同的碟形彈簧并聯(lián)在一起的碟簧組，同軸套接于所述核心固定筒的外壁上，多個(gè)方向相同的碟形彈簧之間通過內(nèi)墊圈和內(nèi)外墊連接，其中，所述內(nèi)墊圈設(shè)置在碟形彈簧的內(nèi)圈邊緣接頭處，所述內(nèi)外墊圈同軸設(shè)置在所述內(nèi)墊圈外側(cè)，通過調(diào)控所述內(nèi)外墊圈的直徑，使其在組合不同參數(shù)的蝶形彈簧時(shí)能夠共同受力，縮小力矩并放大出力；

14、兩組方向相反的所述碟簧組以橡膠中心筒為中心左、右對(duì)稱串聯(lián)在一起構(gòu)成碟簧減振組件，所述橡膠中心筒為中間設(shè)有貫穿孔的環(huán)形元件，橡膠中心筒的兩端分別與相鄰兩個(gè)碟形彈簧的內(nèi)圈邊緣相接觸；

15、外墊圈，同軸設(shè)置在所述橡膠中心筒的外側(cè)，使碟形彈簧在壓縮過程中能夠充分變形，確保碟形彈簧?負(fù)剛度特性的有效發(fā)揮；

16、所述螺桿一端與位于一側(cè)的固定擋板固定連接，另一端貫穿至少一組所述碟簧減振組件、所述質(zhì)量塊的中心以及至少另一組所述碟簧減振組件后與位于底板另一側(cè)的固定擋板固定連接，形成非線性能量阱減振組件。

17、所述螺桿兩端設(shè)有螺紋，通過螺紋和螺母配合實(shí)現(xiàn)與所述固定擋板的固定連接；

18、螺桿表面沿軸向設(shè)有矩形凹槽，所述質(zhì)量塊的中心孔的孔內(nèi)壁上設(shè)有能夠插入所述矩形凹槽內(nèi)的導(dǎo)向凸起；

19、螺桿中心設(shè)有貫通孔，所述滾珠絲桿通過所述貫通孔與所述質(zhì)量塊固結(jié)。

20、所述距離調(diào)節(jié)組件為直線滑軌組件，包括：

21、滑軌，固定在所述底板上；

22、滑塊，滑動(dòng)設(shè)置在所述滑軌內(nèi)，且能夠通過第一螺栓與滑軌相對(duì)固定；

23、所述固定擋板的底部與所述滑塊之間通過第二螺栓連接。

24、所述內(nèi)墊圈、內(nèi)外墊圈以及外墊圈的材料均為尼龍材料，內(nèi)墊圈和內(nèi)外墊圈與碟形彈簧以圓周線形式接觸。

25、所述核心固定筒、中心筒的材料均為橡膠材料。

26、本發(fā)明進(jìn)一步公開了所述的變剛度多穩(wěn)態(tài)的慣容型非線性能量阱減振裝置的工作方法，

27、當(dāng)外部環(huán)境激勵(lì)作用于受控結(jié)構(gòu)時(shí)，減振裝置與受控結(jié)構(gòu)產(chǎn)生瞬時(shí)共振，促使非線性能量阱減振組件中的質(zhì)量塊沿螺桿左、右滑動(dòng)；此滑動(dòng)導(dǎo)致碟形彈簧軸向壓縮，產(chǎn)生非線性恢復(fù)力；在此過程中，碟形彈簧的內(nèi)部平衡狀態(tài)發(fā)生劇烈變化，伴隨著應(yīng)變能的釋放及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重分布，通過高頻擠壓橡膠材料和滑動(dòng)摩擦有效地耗散外部輸入的振動(dòng)能量；

28、同時(shí)，質(zhì)量塊的線性運(yùn)動(dòng)通過與其幾何中心固接的滾珠絲桿傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為飛輪的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生遠(yuǎn)超其自身物理質(zhì)量的慣性質(zhì)量效應(yīng)；

29、通過串、并聯(lián)具有負(fù)剛度特性的碟形彈簧元件，形成多穩(wěn)態(tài)能量耗散機(jī)制，裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)不同頻率和振幅振動(dòng)的精準(zhǔn)控制；

30、通過所述距離調(diào)節(jié)組件，精準(zhǔn)調(diào)控碟簧元件的預(yù)壓位移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)裝置的非線性剛度調(diào)節(jié)；

31、滾珠絲桿與飛輪的協(xié)同作用進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的慣性阻尼效果，顯著提升了受控結(jié)構(gòu)的減振性能及系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。

32、1.本發(fā)明將具有負(fù)剛度特性的碟形彈簧進(jìn)行串并聯(lián)組合構(gòu)建了具有鋸齒狀力位移曲線的非線性能量阱。不同碟形彈簧單元因彈性突跳產(chǎn)生剛度突變，使得裝置內(nèi)部碟形彈簧的平衡狀態(tài)發(fā)生劇烈變化,?產(chǎn)生多穩(wěn)態(tài)特性。通過高頻擠壓橡膠材料和滑動(dòng)摩擦有效地耗散外部輸入的振動(dòng)能量。該設(shè)計(jì)能夠在更廣泛的頻率和振幅范圍內(nèi)提供高效的振動(dòng)控制，有效消散振動(dòng)能量，顯著提高減振效果。

33、2.本發(fā)明通過距離調(diào)節(jié)組件能夠調(diào)節(jié)兩塊固定擋板之間的間距，能夠?qū)崿F(xiàn)碟形彈簧預(yù)壓縮位移的精確調(diào)控，從而靈活調(diào)整裝置的非線性剛度，實(shí)現(xiàn)了變剛度特性。減振裝置具備更強(qiáng)的適應(yīng)性，可根據(jù)不同工況需求進(jìn)行優(yōu)化。

34、3.本發(fā)明在非線性能量阱裝置中集成慣容元件，通過滾珠絲桿與飛輪組件的協(xié)同設(shè)計(jì)，顯著增強(qiáng)了慣性質(zhì)量效應(yīng)。慣容元件利用其獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)特性，提供額外的動(dòng)態(tài)剛度和阻尼，實(shí)現(xiàn)減振裝置的輕量化同時(shí)，顯著提升了整體減振效果。

35、4.本發(fā)明中的核心固定筒和橡膠中心筒等組件均采用橡膠材料制成，在碟形彈簧變形前提供柔性的固定，防止碟形彈簧滑移。同時(shí)在響應(yīng)過程中不影響碟形彈簧內(nèi)外邊緣的橫向變形，確保碟形彈簧力學(xué)性能的穩(wěn)定性。

36、5.本發(fā)明中的尼龍內(nèi)墊圈和尼龍內(nèi)外墊圈與碟形彈簧以圓周線形式接觸，減少摩擦阻力的影響，確保碟形彈簧的性能穩(wěn)定。同時(shí)可調(diào)控尼龍內(nèi)外墊圈的平面直徑，縮小碟形彈簧軸向力力矩并放大出力，優(yōu)化碟簧的受力性能。

37、6.本發(fā)明的螺桿采用剛性材料制成，兩端帶有螺紋，用于約束多組碟形彈簧元件。螺桿表面沿長(zhǎng)度方向設(shè)有矩形凹槽，并在中心開有貫通孔，能夠與質(zhì)量塊和滾珠絲桿組件精密配合。該螺桿不僅用于串接碟形彈簧元件，還作為質(zhì)量塊的滑動(dòng)軌道，同時(shí)具備調(diào)節(jié)碟簧預(yù)壓位移的功能，集多種功能于一體。

38、7.本發(fā)明的滑軌系統(tǒng)采用剛性材料制成，通過固定塊上的螺栓將減振裝置穩(wěn)固地固定在滑軌的任意位置，并在兩端設(shè)置封塊以防止裝置脫軌。通過調(diào)整固定塊的位置，可以精確調(diào)節(jié)碟形彈簧的預(yù)壓位移。

39、8.本發(fā)明所用材料成本低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝和維護(hù)。各組件可以通過標(biāo)準(zhǔn)化工廠機(jī)加工或3d打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)，材料和規(guī)格可根據(jù)不同需求進(jìn)行選擇和調(diào)整，制作工藝簡(jiǎn)單，具有較高的實(shí)用性和適應(yīng)性。