CN113309784B - 一种几何非线性可调多稳态装置 - Google Patents

一种几何非线性可调多稳态装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种几何非线性可调多稳态装置，解决现有多稳态机构存在结构复杂、行程无法调整、稳态数目调整困难等缺点，且对于具有高次准零刚度特征的几何非线性多稳态***的设计及其应用的研究甚少的问题。该几何非线性可调多稳态装置通过弹性元件与支座和第二质量块的配置提供基础多稳态单元，利用几何参数可调的性质，可以实现不同多稳态机构之间的变体，变体过程不需要添加任何其他的器件，有效避免***由于装卸不同多稳态机构而引起的效率和成本问题，具有实用、能耗小、造价低等特点。

Description

一种几何非线性可调多稳态装置
技术领域
本发明属于非线性动力学与控制技术领域，涉及一种几何非线性可调多稳态装置。
背景技术
几何非线性***已经在航天、航空、航海、武器装备、医疗、机械加工、能量收集等领域得到了广泛的应用。几何非线性***最简单的形式是单自由度单稳态结构，***只有一个稳定平衡状态和一个振荡质量。近年来，国内外学者利用单稳态正刚度元件与双稳态负刚度元件并联的方法提出了一类新型几何非线性准零刚度隔振器。准零刚度隔振***具有高静态、低动态刚度等优良特性，可以提高隔振精度及实现较低频隔振，但仍然存在超低频、共振等难题。由于受限于几何非线性动力学的研究进展，几何非线性多稳态***的设计理论、控制策略及应用仍处于探索阶段，特别是满足多个特定功能的可调多稳态机构已成为制约机械设备性能精度提高的关键。
目前，中国专利CN100837947A、CN101799086均提出了采用单个柔性双稳态机构结合多级连杆滑块机构的多稳态机构；中国专利CN102556934A提出了采用四个导槽和一个动滑块结合多个磁铁设计的多稳态机构；美国专利US2009/0186196A1和US2007/01200011A1提出了依靠残余应力使结构产生多级塑性变形的多稳态机构。但上述现有多稳态机构存在结构复杂、行程无法调整、稳态数目调整困难等缺点，而对于具有高次准零刚度特征的几何非线性多稳态***的设计及其应用的研究甚少。
因此，从航空航天、装备、机械加工、能量收集等发展需求出发，目前迫切需要设计满足多个特定功能的几何非线性可调多稳态机构，提升超低频能量收集和隔振领域的技术水平和技术成熟度，促进航空航天、机械加工、能量收集等质量和品质的提高。
发明内容
本发明的目的在于解决现有多稳态机构存在结构复杂、行程无法调整、稳态数目调整困难等缺点，且对于具有高次准零刚度特征的几何非线性多稳态***的设计及其应用的研究甚少的不足之处，而提供了一种满足多个特定功能的几何非线性可调多稳态装置。
为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：
一种几何非线性可调多稳态装置，其特殊之处在于：包括矩形框架、多稳态单元、第一连杆、第一质量块以及第一导轨；
所述矩形框架由上侧调节架、下侧调节架以及两侧的固定架组成；
所述第一导轨的两端分别与上侧调节架和下侧调节架连接，且第一导轨与两侧的固定架的平行设置，上侧调节架和下侧调节架均可沿第一导轨上下移动，调节间距；
所述第一质量块滑动设置在第一导轨上；
所述多稳态单元位于在第一导轨与其中一侧的固定架之间，其包括支座以及弹性元件；
所述弹性元件为上下对称的元件，其两端通过支座分别安装在上侧调节架和下侧调节架上；其中心点通过第一连杆与第一质量块连接；
定义：上侧调节架和下侧调节架与中心点之间的距离为a，支座与第一导轨之间的距离为b，第一连杆的长度为c；
通过调节a、b、c，便可调节第一质量块的位移以及稳态个数。a的大小通过改变上侧调节架和下侧调节架在第一导轨上的位置实现，b通过改变支座位置，c通过改变第一连杆的长度。
进一步地，所述弹性元件为任意形状的可产生恢复力的弹性元件；比如：梁、板、机械弹簧或电磁弹簧，及由此构建的弹性机构，其排列方式和数目是任意的。相应的，支座根据弹性元件的不同，与弹性元件间可设计为铰接或固接。
进一步地，所述弹性元件包括第二质量块、第二导轨以及两个弹簧；所述第二导轨的一端安装在固定架的中点，且第二导轨与第一导轨垂直设置；所述第二质量块滑动设置在第二导轨上，其相对的两侧分别通过一个线性弹簧与设置在上侧调节架和下侧调节架上的支座连接；或者，所述弹性元件为屈曲梁。
该几何非线性可调多稳态装置利用几何参数可调的性质，通过弹性元件与支座和第二质量块的配置提供基础多稳态单元，以实现第二导轨在预设位移范围内的B个稳态***，进而使得固定在第一导轨上的第一质量块最多具有A＝B*2个稳态,通过调节a、b、c可以调节第一质量块的位移和稳态个数。多稳态单元的稳态数目是任意的，包括单稳态、双稳态、多稳态，乃至具有无穷稳态的零刚度机构。
进一步地，所述连杆、第一质量块和第二质量块均为任意形状的刚性元件，比如：杆、轴、梁、板或曲面结构。
在上述几何非线性可调多稳态装置的基础上，本发明还公开了以下三个***，分别是：
一、基于上述几何非线性可调多稳态装置的多稳态振动能量收集***，其特殊之处在于：
所述第一质量块和弹性元件上均设置有机电转换元件。
具体表现为:在第一质量块和第二质量块上均安装有机电转换元件；在弹簧的最大形变处粘贴有机电转换元件，在屈曲梁靠近两端的位置分别粘贴有机电转换元件。
进一步地，所述机电转换元件采用电磁式机电转换元件(比如：永磁体+导电线圈)或压电式机电转换元件(比如：压电陶瓷或压电薄膜)。其中，各个组件上的机电转换元件可相同也可不同，从而构成电磁式、压电式或电磁-压电混合式振动能量收集***。
利用上述装置，具体振动能量收集方法步骤如下：
1)调节参数a、b和c，使得多稳态单元处于预设的多稳态状态，即得到多稳态振动能量收集***。
2)在第一导轨的导向方向y方向施加基础激励，或第一质量块上施加激励，多稳态振动能量收集***开始工作。
上述多稳态振动能量收集***可用于多方向-多级宽带低频-超低频、弱激励强度等振动能量收集。
二、基于上述几何非线性可调多稳态装置的非线性隔振***，其特殊之处在于：
所述第一质量块和弹性元件上均设置有机电转换元件；且在所述第一质量块上添加承载弹性元件，为第一质量块提供与其所受重力方向共线、大小相等的恒力。
利用上述装置，具体振动隔离方法步骤如下：
1)调节参数a、b和c，使得多稳态单元具有不同非线性刚度或零刚度特征，包括：准零刚度特征、高次准零刚度特征、软化效应、硬化效应、软化-硬化效应等，使载荷处于某重力环境下，某重力环境包括但不限于零微重力悬浮状态，即得到预设位移和频段的非线性隔振***。
2)在第一导轨的导向方向y方向施加基础激励，或第一质量块上施加激励，非线性隔振***开始工作。
上述非线性隔振***可用于多体-多级低频-超低频隔振、重力环境地面模拟、模态测试等。
三、基于上述几何非线性可调多稳态装置的多级可调多稳态***，其特征在于：
所述第一质量块和弹性元件上均设置有机电转换元件；
所述连杆导轨装置包括第三导轨和第三质量块；
所述第三导轨垂直于所述第一导轨；
所述第三质量块滑动设置在第三导轨上，并通过第二连杆与第一质量块连接。
进一步地，为了保证***的对称性，在所述连杆导轨装置的另一侧，对称设置有所述几何非线性可调多稳态装置，该装置中的第一导轨与第三导轨垂直，第一质量块通过第三连杆与第三质量块连接。
进一步地，根据需要，按上述方式依次添加多个连杆导轨装置和几何非线性可调多稳态装置，可形成多级可调多稳态***；第s级多稳态***的稳态数目m＝n*2s-1，n为多稳态单元的稳态数目。
利用上述装置，具体多级排列方法步骤如下：
1)通过每一级质量块在连杆导轨上的滑动和初始稳态单元的稳态变化，即得到多级可调多稳态***。
2)调节参数a、b和c，使得多稳态单元满足具有多个特定功能的几何非线性可调多稳态机构；第s级多稳态***的稳态数目m＝n*2s-1，n为多稳态单元的稳态数目；每一级的稳态数目均可通过几何参数a、b、c和导轨长度进行调节。
3)在第s级的导轨的导向方向施加基础激励，或质量块上施加激励，多级可调多稳态装置开始工作。
上述多级可调多稳态***可用于多体-多级重力环境地面模拟、多体-多级低频-超低频隔振、多体-多级模态测试、多方向-多级振动能量收集等。
本发明的优点是：
1.本发明结构简单，可调性好，稳态个数和稳态位置可调，重复精度高。尤其是通过几何非线性参数的调节，可以实现不同多稳态机构之间的变体，变体过程不需要添加任何其他的器件，有效避免***由于装卸不同多稳态机构而引起的效率和成本问题，具有实用、能耗小、造价低等特点。因此，本发明所述机构可以作为关键元件来实现***的多级多体多稳态，在航天、航空、航海、武器装备、医疗、机械加工、能量收集等领域具有广泛的应用前景。
2.本发明适用于低频、超低频振动环境的能量收集、隔振和空间重力环境地面仿真等，包括但不限于在航天、航空、航海、武器装备、医疗、机电***、机械加工、智能机械设计等领域安装此类几何非线性可调多稳态装置。
附图说明
图1为本发明所述几何非线性可调多稳态***的结构原理示意图；
图2为本发明的具体实施方式一中所述几何非线性可调多稳态***的结构原理示意图；
图3为本发明的具体实施方式二中所述几何非线性可调多稳态***的结构原理示意图。
附图标号如下：
1-上侧调节架，2-左侧固定架，3-多稳态单元，31-支座，32-弹簧，33-第二质量块，34-第二导轨，4-第一连杆，5-第一质量块，6-第一导轨，7-机电转换元件，71-永磁体，72-导电线圈，73-压电陶瓷或压电薄膜，8-承载弹性元件，9-连杆导轨组件，91-第三质量块，92-第二连杆，93-第三导轨。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：
基础装置为：
一种几何非线性可调多稳态装置，包括矩形框架、多稳态单元、第一连杆、第一质量块以及第一导轨。
矩形框架由上侧调节架、下侧调节架，左侧固定架和右侧固定架组成。第一导轨的两端分别与上侧调节架和下侧调节架连接，且第一导轨与两侧的固定架的平行设置，上侧调节架和下侧调节架均可沿第一导轨上下移动，调节间距；第一质量块滑动设置在第一导轨上。
多稳态单元有两个，分别对称设置在第一导轨与左侧固定架和右侧固定架之间。每个多稳态单元其包括支座、弹性件、第二质量块和第二导轨；第二导轨的一端安装在固定架的中点，且第二导轨与第一导轨垂直设置；第二质量块滑动设置在第二导轨上；支座有两个，分别固定设置在上侧调节架和下侧调节架上，并通过弹性件分别与第二质量块连接；第一质量块和第二质量块通过第一连杆连接(两者均与第一连杆铰接)。
定义：上侧调节架和下侧调节架与第二导轨之间的距离为a，支座与第一导轨之间的距离为b,第一连杆的长度为c；a、b、c均可调，通过调节a、b、c可调节第一质量块的位移和稳态个数。
实施方案一：基于弹簧-质量***的几何非线性可调多稳态***
结合图1，此方案的多稳态单元3实现途径如图2所示。多稳态单元3中的支座31为铰接；弹性件是线性弹簧32，且对称分布于第二质量块33两侧。
基于弹簧-质量***的几何非线性可调多稳态装置的多稳态振动能量收集***，在基础装置的第一质量块和弹性元件上均设置有机电转换元件。
基于弹簧-质量***的几何非线性可调多稳态装置的多稳态振动能量收集方法，包括以下步骤：
第一步，安装机电转换元件7，机电转换元件7由永磁体71和导电线圈72组成，永磁体71安装在第一质量块5和第二质量块33上，导电线圈72布置于永磁体71的运动方向，构成电磁式能量收集机电***。
第二步，调节参数a、b和c，使得多稳态单元3处于预设的单稳态或双稳态状态，即得到y方向双稳态或四稳态振动能量收集***。
第三步，在第一导轨6的导向方向y方向施加基础激励，或第一质量块5上施加激励，多稳态振动能量收集***开始工作。
基于弹簧-质量***的几何非线性可调多稳态装置的振动隔离***，在基础装置的第一质量块和弹性元件上均设置有机电转换元件；且在第一质量块上添加承载弹性元件，为第一质量块提供与其所受重力方向共线、大小相等的恒力。
基于弹簧-质量***的几何非线性可调多稳态装置的振动隔离方法，包括以下步骤：
第一步，在已有机电转换组件的基础上，继续添加承载弹性元件8，承载弹性元件8为弹簧，为载荷提供与其所受重力方向共线、大小相等的恒力。
第二步，调节参数a、b和c，使得多稳态单元3具有不同非线性刚度，包括：准零刚度特征、硬化效应等，即得到预设位移和频段的非线性隔振***。
第三步，在第一导轨6的导向方向y方向施加基础激励，或第一质量块5上施加激励，非线性隔振***开始工作。
基于弹簧-质量***的几何非线性可调多稳态装置的多级可调多稳态***，在基础装置上增加连杆导轨装置，并且在第一质量块和弹性元件上均设置有机电转换元件；连杆导轨装置包括第三导轨和第三质量块；第三导轨垂直于所述第一导轨；第三质量块滑动设置在第三导轨上，并通过第二连杆与第一质量块连接。
基于弹簧-质量***的几何非线性可调多稳态***的多级排列方法，包括以下步骤：
第一步，在垂直于第一导轨6的方向添加新的连杆导轨组件9。第三质量块91滑动设置第三导轨93上；第二连杆92的两端分别与第三质量块91和第一质量块5铰接。
第二步，为了保证***的对称性，可在连杆导轨组件9的另一侧添加上一级多稳态***。
第三步，通过每一级质量块在连杆导轨上的滑动和初始稳态单元的稳态变化，即得到多级可调多稳态***。
第四步，调节参数a、b和c，使得多稳态单元3满足具有多个特定功能的几何非线性可调多稳态机构。所述第s级多稳态***的稳态数目m＝n*2s-1，n为多稳态单元3的稳态数目。每一级的稳态数目均可通过几何参数a、b、c和导轨长度进行调节。
第五步，在第s级的导轨的导向方向施加基础激励，或质量块上施加激励，多级可调多稳态装置开始工作。
实施方案二：基于梁的几何非线性可调多稳态***
结合图1，此方案的多稳态单元3实现途径如图3所示。多稳态单元3中的支座31为固接；弹性件、第二质量块和第二导轨全部由梁屈曲替代。
所述基于梁的几何非线性可调多稳态***的振动能量收集方法，包括以下步骤：
第一步，安装机电转换元件7，机电转换元件7由永磁体71、导电线圈72和压电陶瓷或压电薄膜73组成；永磁体71安装在第一质量块5上，导电线圈72布置于永磁体71的运动方向，压电陶瓷或压电薄膜73粘贴在弹性元件32的根部，构成电磁-压电混合式能量收集机电***。
第二步，调节参数a、b和c，使得多稳态单元3处于预设的单稳态或双稳态状态，即得到y方向双稳态或四稳态振动能量收集***。
第三步，在第一导轨6的导向方向y方向施加基础激励，或第一质量块5上施加激励，多稳态振动能量收集***开始工作。
所述基于梁的几何非线性可调多稳态***的振动隔离方法，包括以下步骤：
第一步，在已有机电转换组件的基础上，添加承载弹性元件8，承载弹性元件8为弹簧，为载荷提供与其所受重力方向共线、大小相等的恒力。
第二步，调节参数a、b和c，使得多稳态单元3具有不同非线性刚度，包括：准零刚度特征、硬化效应等，即得到预设位移和频段的非线性隔振***。
第三步，在第一导轨6的导向方向y方向施加基础激励，或第一质量块5上施加激励，非线性隔振***开始工作。
所述基于梁的几何非线性可调多稳态***的多级排列方法，包括以下步骤：
第一步，在垂直于最后一级第一导轨6的方向添加新的连杆导轨组件9。第三质量块91位于第三导轨93上；第二连杆92的两端分别与第三质量块91和第一质量块5铰接。
第二步，为了保证***的对称性，可在连杆导轨组件9的另一侧添加上一级多稳态***。
第三步，通过每一级质量块在连杆导轨上的滑动和初始稳态单元的稳态变化，即得到多级可调多稳态***。
第四步，调节参数a、b和c，使得多稳态单元3满足具有多个特定功能的几何非线性可调多稳态机构。所述第s级多稳态***的稳态数目m＝n*2s-1，n为多稳态单元3的稳态数目。每一级的稳态数目均可通过几何参数a、b、连杆长度c和导轨长度进行调节。
第五步，在第s级的导轨的导向方向施加基础激励，或质量块上施加激励，多级可调多稳态装置开始工作。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种几何非线性可调多稳态装置，其特征在于：包括矩形框架、多稳态单元、第一连杆、第一质量块以及第一导轨；
所述矩形框架由上侧调节架、下侧调节架以及两侧的固定架组成；
所述第一导轨的两端分别与上侧调节架和下侧调节架连接，且第一导轨与两侧的固定架的平行设置，上侧调节架和下侧调节架均可沿第一导轨上下移动，调节间距；
所述第一质量块滑动设置在第一导轨上；
所述多稳态单元位于在第一导轨与其中一侧的固定架之间，其包括支座以及弹性元件；
所述弹性元件为上下对称的元件，其两端通过支座分别安装在上侧调节架和下侧调节架上；其中心点通过第一连杆与第一质量块连接；
定义：上侧调节架和下侧调节架与中心点之间的距离为a，支座与第一导轨之间的距离为b，第一连杆的长度为c；
通过调节a、b、c，便可调节第一质量块的位移以及稳态个数。
2.根据权利要求1所述几何非线性可调多稳态装置，其特征在于：
所述弹性元件为任意形状的可产生恢复力的元件。
3.根据权利要求2所述几何非线性可调多稳态装置，其特征在于：
所述弹性元件包括第二质量块、第二导轨以及两个弹簧；
所述第二导轨的一端安装在固定架的中点，且第二导轨与第一导轨垂直设置；
所述第二质量块滑动设置在第二导轨上，其相对的两侧分别通过一个线性弹簧与设置在上侧调节架和下侧调节架上的支座连接；
或者，所述弹性元件为屈曲梁。
4.根据权利要求3所述几何非线性可调多稳态装置，其特征在于：所述连杆、第一质量块和第二质量块均为任意形状的刚性元件。
5.基于权利要求1-4任一所述几何非线性可调多稳态装置的多稳态振动能量收集***，其特征在于：
所述第一质量块和弹性元件上均设置有机电转换元件。
6.基于权利要求1-4任一所述几何非线性可调多稳态装置的多稳态非线性隔振***，其特征在于：
所述第一质量块和弹性元件上均设置有机电转换元件；且在所述第一质量块上添加承载弹性元件，为第一质量块提供与其所受重力方向共线、大小相等的恒力。
7.基于权利要求1-4任一所述几何非线性可调多稳态装置的多级可调多稳态***，其特征在于：还包括连杆导轨装置，
所述第一质量块和弹性元件上均设置有机电转换元件；
所述连杆导轨装置包括第三导轨和第三质量块；
所述第三导轨垂直于所述第一导轨；
所述第三质量块滑动设置在第三导轨上，并通过第二连杆与第一质量块连接。
8.根据权利要求7所述多级可调多稳态***，其特征在于：
在所述连杆导轨装置的另一侧，对称设置有所述几何非线性可调多稳态装置，该装置中的第一导轨与第三导轨垂直，第一质量块通过第三连杆与第三质量块连接。
9.根据权利要求8所述多级可调多稳态***，其特征在于：
根据需要，依次添加多个连杆导轨装置和几何非线性可调多稳态装置；
其中，第s级多稳态***的稳态数目m＝n*2s-1，n为多稳态单元的稳态数目。
10.根据权利要求9所述多级可调多稳态***，其特征在于：
所述机电转换元件采用电磁式机电转换元件或压电式机电转换元件。
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Citations (17)

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